深部立體交叉巷道破壞機(jī)理及控制對(duì)策研究

郭志飚，張躍林，王 炯

(1.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

深部立體交叉巷道破壞機(jī)理及控制對(duì)策研究

郭志飚1，2，張躍林2，王 炯1，2

(1.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

針對(duì)在復(fù)雜高應(yīng)力場(chǎng)作用下，深部立體交叉巷道變形破壞嚴(yán)重、穩(wěn)定性難以控制的問(wèn)題，本文以鶴崗礦區(qū)興安礦深部立體交叉巷道為研究對(duì)象，進(jìn)行了工程地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)變形破壞特征的調(diào)查分析；結(jié)合工程實(shí)際利用FLAC3D進(jìn)行了數(shù)值模擬，總結(jié)了巷道變形破壞的主要原因?yàn)椋旱貞?yīng)力高、多巷道開(kāi)挖時(shí)相互擾動(dòng)的作用；提出了優(yōu)化巷道布局，并進(jìn)行以錨網(wǎng)索+立體桁架耦合支護(hù)為主體的深部立體交叉巷道控制對(duì)策。工程應(yīng)用結(jié)果表明，該方法能有效控制巷道變形，保證立體交叉巷道的整體穩(wěn)定。

深部；立體交叉巷道；破壞機(jī)理；控制對(duì)策

隨著煤礦開(kāi)采深度的不斷增加，煤礦工程地質(zhì)構(gòu)造也更加復(fù)雜，使巷道圍巖處于復(fù)雜高應(yīng)力場(chǎng)作用下，巷道變形和破壞程度增加[1-5]，對(duì)于泵房、吸水井和水倉(cāng)等深部立體交叉巷道群穩(wěn)定性產(chǎn)生將更加嚴(yán)重的影響[6-7]，因此，分析深部立體交叉巷道破壞機(jī)理和提出適合的控制對(duì)策是深部煤礦開(kāi)采中面臨的重要問(wèn)題。

本文以鶴崗礦區(qū)興安煤礦深部泵房、吸水井和水倉(cāng)等形成的立體交叉巷道為研究對(duì)象，興安煤礦四水平井底車(chē)場(chǎng)延伸工程埋深750m，是該礦區(qū)埋深最深的礦井。部分已施工巷道破壞日漸嚴(yán)重，在前期掘進(jìn)施工過(guò)程中變形很大，巷道出現(xiàn)了大面積高冒落、底臌和兩幫收縮量大等大變形現(xiàn)象，嚴(yán)重影響巷道的正常使用和安全生產(chǎn)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件，利用數(shù)值計(jì)算等手段分析立體交叉巷道變形破壞特征，得出其變形破壞機(jī)理，進(jìn)而提出合理的穩(wěn)定性控制對(duì)策。并將研究成果應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)工程，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，該方法能有效控制立體交叉巷道變形，為同類(lèi)型巷道穩(wěn)定性控制研究提供參考。

1 工程地質(zhì)條件分析

1.1 地層巖性

興安礦四水平泵房、吸水井和水倉(cāng)系統(tǒng)、為立體交叉巷道，巷道圍巖所穿過(guò)的巖層為粉砂巖、粉細(xì)互層、凝灰質(zhì)泥巖、劣煤等?？傮w上，受構(gòu)造的影響，圍巖相對(duì)較破碎，節(jié)理、層理和斷層十分發(fā)育，巷道圍巖結(jié)構(gòu)為破碎和碎裂結(jié)構(gòu)。

泵房巷道圍巖均有劣質(zhì)煤層穿過(guò)，上下為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖。根據(jù)巷道實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面圖，巷道在開(kāi)挖過(guò)程中三次穿越劣質(zhì)煤層，揭露巖性主要為砂質(zhì)泥巖、泥巖和砂巖。巷道圍巖綜合柱狀圖見(jiàn)圖1。

圖1 巷道圍巖地層柱狀圖

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

鶴崗礦區(qū)是在海西褶皺之后侏羅紀(jì)所形成的山間斷陷盆地。興安井田總體地質(zhì)構(gòu)造為斷層～褶皺型，形態(tài)由南部至北部呈弧形，井田地層走向?yàn)楸睎|向。井田內(nèi)發(fā)育有寬緩的褶皺，特別是海西褶皺之后形成的山間斷陷盆地，盆地局部升降產(chǎn)生的斷裂和巖漿活動(dòng)，造成煤系地層在巖性和結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性，也控制了井田地層的產(chǎn)狀變化。

2 深部立體交叉巷道變形破壞特征和機(jī)理研究

興安礦和鶴崗礦區(qū)其它礦井深部立體交叉巷道在掘進(jìn)和使用期間都產(chǎn)生了較嚴(yán)重的變形和破壞，帶來(lái)了極大的安全隱患。

2.1 變形破壞特征

由于多條巷道形成立體交叉，掘進(jìn)期間相鄰巷道施工擾動(dòng)影響已完工巷道的穩(wěn)定性，以及由于臨近巷道的變形破壞，引起圍巖應(yīng)力場(chǎng)的變化，造成巷道在工程偏應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形破壞，進(jìn)而使得巷道出現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)的頂板下沉、片幫(圖2)和底臌等大變形破壞現(xiàn)象(圖3)。

泵房吸水井系統(tǒng)立體交叉巷道由于采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，每個(gè)水泵對(duì)應(yīng)一個(gè)吸水小井，造成吸水小井間距較小，巷道開(kāi)挖后應(yīng)力重分布，使得相鄰吸水井間相互影響，產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成吸水小井和壁龕穩(wěn)定性較差，變形破壞嚴(yán)重(圖4)，進(jìn)而影響泵房等關(guān)鍵工程的穩(wěn)定性。

2.2 變形破壞機(jī)理

為了進(jìn)一步研究深部立體交叉巷道的變形破壞機(jī)理，本文以鶴崗礦區(qū)興安礦四水平泵房、吸水井和水倉(cāng)為主體的立體交叉巷道為工程背景，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際，建立工程地質(zhì)模型，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析立體交叉巷道變形破壞過(guò)程和機(jī)理，為研究巷道穩(wěn)定性控制對(duì)策提供理論基礎(chǔ)。

應(yīng)用有限差分程序FLAC3D，構(gòu)建三維計(jì)算模型(如圖5所示)。計(jì)算范圍長(zhǎng)×寬×高=40m×40m×40m，共劃分357152個(gè)單元，60985個(gè)節(jié)點(diǎn)。該模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，底部固定，模型上表面為應(yīng)力邊界，施加的荷載為14MPa，模擬上覆巖體的自重邊界。材料破壞符合Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。水平方向的側(cè)應(yīng)力系數(shù)為0.35，荷載大小為5MPa。

采用上面所建立的模型進(jìn)行計(jì)算，位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和塑性區(qū)分布圖如圖6～圖8所示。

圖2 巷道片幫

圖3 非對(duì)稱(chēng)底臌

圖4 吸水小井變形破壞

圖5 數(shù)值計(jì)算模型

圖6 位移場(chǎng)分布圖

圖7 應(yīng)力場(chǎng)分布圖

圖8 塑性區(qū)分布圖

通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果可知，泵房吸水井系統(tǒng)形成復(fù)雜的立體交叉巷道群，巷道間相互擾動(dòng)，造成吸水井等巷道變形較大(圖6)，吸水井、壁龕和泵房間圍巖應(yīng)力集中程度高，受力較大，影響巷道的穩(wěn)定(圖7)，由塑性區(qū)分布圖(圖8)可知，各吸水井與泵房交叉位置塑性區(qū)較明顯。綜上，深部立體交叉巷道處于高地應(yīng)力場(chǎng)和開(kāi)挖擾動(dòng)形成的應(yīng)力場(chǎng)的疊加作用，使得巷道變形破壞較嚴(yán)重，因此，優(yōu)化立體交叉巷道布局，改善受力條件，減少應(yīng)力集中，優(yōu)化配套支護(hù)設(shè)計(jì)是保證巷道穩(wěn)定的主要對(duì)策。

3 深部立體交叉巷道穩(wěn)定性控制對(duì)策

通過(guò)上述分析，結(jié)合已有的研究成果和現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際，提出深部立體交叉巷道穩(wěn)定性控制對(duì)策。

1)巷道布局優(yōu)化，減少應(yīng)力集中。對(duì)于深部泵房吸水井為主體的立體交叉巷道群，首先應(yīng)考慮最大程度減少對(duì)關(guān)鍵巷道(如泵房)的工程擾動(dòng)和工程偏應(yīng)力作用，因此，根據(jù)何滿(mǎn)潮院士提出的泵房吸水井硐室群集約化設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想[1]，興安礦四水平泵房吸水井立體交叉巷道布局優(yōu)化設(shè)計(jì)采用如下方法：將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的四個(gè)吸水小井(圖9)和配水巷等巷道進(jìn)行空間布局優(yōu)化，設(shè)計(jì)成一個(gè)組合吸水井，通過(guò)在其內(nèi)部分割成四個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，功能與原來(lái)分開(kāi)布置的吸水小井完全一致，并且將原小井間的配水巷道全部取消，通過(guò)隔斷內(nèi)開(kāi)孔相互溝通和排水。采用上述優(yōu)化設(shè)計(jì)大大減少了吸水小井的個(gè)數(shù)和配水巷的長(zhǎng)度，同時(shí)原設(shè)計(jì)由于多巷道立體交叉對(duì)泵房的工程偏應(yīng)力影響大大降低，提高了吸水井和泵房等巷道的穩(wěn)定性。

圖9 立體交叉巷道布局優(yōu)化設(shè)計(jì)

2)配套耦合支護(hù)技術(shù)，保證巷道的穩(wěn)定。對(duì)于埋深較大的立體交叉巷道，采用傳統(tǒng)的支護(hù)技術(shù)難以保證巷道的穩(wěn)定，往往由于巷道間的相互影響而造成變形破壞較嚴(yán)重。因此，必須尋求適合與深部立體交叉巷道工程特點(diǎn)的支護(hù)技術(shù)，結(jié)合理論研究成果和現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際，提出以錨網(wǎng)索+立體桁架耦合支護(hù)為主體的深部立體交叉巷道配套支護(hù)技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)錨網(wǎng)索初次支護(hù)使立體交叉巷道圍巖形成較穩(wěn)定外部塑性工作區(qū)和內(nèi)部彈性工作區(qū)，避免巷道出現(xiàn)局部有害變形。采用立體桁架進(jìn)行二次耦合支護(hù)，通過(guò)桁架與圍巖間預(yù)留的變形層進(jìn)一步吸收變形能，利用桁架的整體性和架間良好的傳力性能，保證巷道圍巖變形均勻，不出現(xiàn)差異性變形，通過(guò)與支護(hù)體的相互作用，使圍巖穩(wěn)定。

4 工程應(yīng)用

本文以鶴崗礦區(qū)興安礦深部泵房吸水井系統(tǒng)立體交叉巷道為工程背景，通過(guò)上述研究，提出了適合工程實(shí)際的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

通過(guò)巷道布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出泵房和吸水井等巷道的空間優(yōu)化布置方式(圖11)和錨網(wǎng)索+立體交叉桁架為主體的支護(hù)設(shè)計(jì)方案(圖12)。

現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)結(jié)果表明，通過(guò)巷道布局優(yōu)化，且采用合理的配套支護(hù)技術(shù)，深部立體交叉巷道穩(wěn)定性大大提高，組合吸水井變形量最大80mm(圖13)，支護(hù)效果見(jiàn)圖14。

圖10 立體桁架受力情況示意圖

圖11 巷道空間布局優(yōu)化設(shè)計(jì)圖

圖12 配套支護(hù)設(shè)計(jì)圖

圖13 巷道圍巖變形曲線(xiàn)

圖14 現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果圖

5 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)深部立體交叉巷道圍巖工程地質(zhì)特性和變形破壞特征的分析，提出了變形破壞的原因：深部立體交叉巷道處于高地應(yīng)力場(chǎng)和多巷道開(kāi)挖擾動(dòng)形成的應(yīng)力場(chǎng)的疊加作用，配套支護(hù)方式不能夠有效限制交叉巷道的變形，使得交叉巷道變形破壞較嚴(yán)重。

2)提出了深部立體交叉巷道穩(wěn)定性控制的主要對(duì)策，即：巷道布局優(yōu)化，減少應(yīng)力集中，并采用以錨網(wǎng)索+立體桁架耦合支護(hù)為主體的深部立體交叉巷道控制對(duì)策。

3)鶴崗礦區(qū)興安礦深部立體交叉巷道現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，巷道布局優(yōu)化和配套支護(hù)技術(shù)改善了圍巖應(yīng)力狀態(tài)，控制了巷道圍巖變形，提高了巷道的穩(wěn)定性。

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[2] 何滿(mǎn)潮，謝和平，彭蘇萍，等.深部開(kāi)采巖體力學(xué)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(16)：2803-2814.

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Study on failure mechanism and control measure of deep intersecting roadway

GUO Zhi-biao1，2，ZHANG Yue-lin2，WANG Jiong1，2

(1.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，Beijing 100083，China; 2.Schoolof Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

According to the problem that the deep intersecting roadways damage seriously and are unstable under complex high-stress field，this paper investigates the engineering geological conditions and failure phenomena of the deep intersecting roadway of Xing'an coal mine in Hegang mine，summarizes the main failure reasons based on the results of numerical analysis：high stress and mutual disturbance during excavation of the intersecting roadway，then puts forward the control measures that optimize roadway layout and support as the main of the bolt rope + three-dimensional truss.It is concluded from the results of engineering application that this control measure can control roadway deformation effectively and ensure the stability of the intersecting roadway.

deep；intersecting roadway；failure mechanism；control measure

2014-10-22

TD353

A

1004-4051(2015)03-0150-04