大斷面硐室底鼓分步控制研究

王　金，王衛(wèi)軍，彭文慶，趙建峰

(1.湖南科技大學(xué)　能源與安全工程學(xué)院，湖南　湘潭411201；2.湖南科技大學(xué)　煤礦安全開采技術(shù)湖南省

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南　湘潭　411201)

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大斷面硐室底鼓分步控制研究

王金1，2，王衛(wèi)軍1，2，彭文慶1，2，趙建峰1，2

(1.湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，湖南湘潭411201；2.湖南科技大學(xué)煤礦安全開采技術(shù)湖南省

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭411201)

摘要：以曲江高坑暗皮帶斜井機(jī)頭硐室為工程背景，采用理論分析、數(shù)值計算、現(xiàn)場試驗(yàn)等手段，研究暗皮帶斜井機(jī)頭硐室的底鼓特征與機(jī)理，分析機(jī)頭硐室底板應(yīng)力分布情況。認(rèn)為硐室底鼓及不對稱變形的主要原因是頻繁擾動影響、應(yīng)力分布不均衡及圍巖性質(zhì)差等。根據(jù)底鼓分步控制原理，提出“第一步鉆孔卸壓，第二步錨索+槽鋼+噴漿”的分步控制方式，并在該硐室實(shí)施。運(yùn)用數(shù)值模擬比較分析新方案支護(hù)前后硐室塑形區(qū)和應(yīng)力變化，工程實(shí)踐表明該支護(hù)方案對控制機(jī)頭兩端相對位移和底鼓的效果良好。

關(guān)鍵詞：底鼓；大斷面硐室；鉆孔卸壓；分步控制

硐室底鼓破壞會影響井下運(yùn)輸，進(jìn)而導(dǎo)致礦井無法正常生產(chǎn)，甚至造成事故。如何采取更有效的治理措施來防治復(fù)雜條件下硐室底板遭受破壞受到業(yè)內(nèi)人士越來越多的關(guān)注[1-4]。我國對巷道底鼓控制方面的研究成果很多。許多專家學(xué)者對底板錨桿、開掘卸壓巷、全斷面錨注等底鼓治理措施進(jìn)行了深入研究。靈北煤礦曾采用爆破注漿、封閉式支架與爆破等分步控制防治軟巖巷道底鼓，取得了較好的支護(hù)效果；謝廣祥等提出了超挖錨注回填技術(shù)；高明中提出帶底拱的U型鋼可縮性支架、混凝土碹和弧板等全斷面支護(hù)法，以及底板錨桿、底板注漿和錨注結(jié)合的方法治理底板；高延法研制的封閉式混凝土支架使混凝土處于三向受壓狀態(tài)控制超千米巷道底鼓；王衛(wèi)軍[8-9]提出巷道圍巖是有頂板、底板、兩幫組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)體，加固兩幫控制深井巷道底鼓。然而，目前對大斷面硐室底板破壞機(jī)理及控制對策方面的研究仍然十分缺乏。因此，本文以江西高坑煤礦暗皮帶斜井機(jī)頭硐室為研究對象，運(yùn)用兩種力學(xué)模型分析底鼓機(jī)理，提出合理的底鼓治理方法。

1工程概況及變形特征

1.1　工程概況

高坑煤礦暗皮帶斜井布置在工業(yè)廣場高一正斷層上盤掃邊槽底板中，為礦井三水平以下主要運(yùn)煤系統(tǒng)。巷道由上到下分別布置在掃邊槽底板墊底槽層位及底部礫巖層位中，暗皮帶斜井機(jī)頭位置位于-146m標(biāo)高，距地面垂直深度為350m，斷面較大，曾采用砌碹支護(hù)方式。暗皮帶斜井機(jī)頭位置圍巖中含較多的斜綠泥石和水鈣沸石，遇水后容易軟化、泥化和膨脹，影響巷道的穩(wěn)定。硐室斷面圖如圖1所示。

1.2　變形破壞特征

在現(xiàn)場共布置了6個鉆孔，分別對幫部、底板圍巖進(jìn)行了窺視。

在暗皮帶斜井機(jī)頭硐室?guī)筒繃鷰r中，裂隙最為發(fā)育位置在2.4m以內(nèi)；在3.2～3.8m的位置較為松散?，F(xiàn)場調(diào)查可知，暗皮帶斜井機(jī)頭自受采動影響以來，由于高地應(yīng)力、圍巖巖性差等各種原因，使硐室變形十分嚴(yán)重，呈現(xiàn)出以下特征：

(1)幫變形嚴(yán)重：兩幫變形量突出且明顯，左幫變形尤為明顯，變形量已達(dá)150mm。

(2)變形持續(xù)時間長：根據(jù)窺視結(jié)果分析，由于井筒破碎最為嚴(yán)重的應(yīng)該在2.0～2.4m，3.5m左右的范圍出現(xiàn)少量裂隙，所以硐室?guī)筒康拇笞冃螒?yīng)是長期持續(xù)的結(jié)果。

(3)不對稱底鼓明顯：由于幫部破壞比較嚴(yán)重、支護(hù)初期忽略巷道底板控制的重要性及底板施工困難，導(dǎo)致硐室底板出現(xiàn)不對稱底鼓，表現(xiàn)為硐室左半部底鼓大于右半部，因不對稱底鼓量嚴(yán)重致使皮帶運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭不能正常運(yùn)行。

2圍巖底鼓與圍巖破壞

研究表明，該硐室圍巖破壞是圍巖底鼓導(dǎo)致的結(jié)果，硐室底板受到動壓擾動影響而變形破壞，嚴(yán)重影響巷道圍巖穩(wěn)定性。因此，有必要從理論計算和數(shù)值模擬兩方面來分析底鼓與巷道圍巖變形破壞的關(guān)系。

2.1　底鼓模型理論分析

目前，為了分析底鼓機(jī)理，常用的計算方法有板狀及松散狀巖體兩種模型，由本文的鉆孔窺視可知，宜采用松散巖體模型進(jìn)行分析。由于影響底鼓的因素很多，概括起來有兩個主要方面，即：巷道周圍過高的應(yīng)力以及底板松軟的巖層，兩個因素相結(jié)合導(dǎo)致了底板巖層擴(kuò)容并向巷道內(nèi)撓曲、流變等[10]。朱川曲[11]將巷道圍巖的應(yīng)力環(huán)境簡化后建立力學(xué)模型，作用在巷道兩側(cè)支承壓力被簡化為兩個集中力，作用點(diǎn)在支承壓力峰值點(diǎn)。在不考慮遇水膨脹性底鼓時，引入郎肯土壓力理論來分析軟巖巷道底鼓的原因[12]。為便于分析，假設(shè)底板兩側(cè)所承受的載荷為均布荷載p。如圖2所示，取右側(cè)底板分析。假定cj為擋土墻，根據(jù)郎肯土壓力理論，cj各點(diǎn)上所受的主動壓力強(qiáng)度和被動壓力強(qiáng)度為[13]:

式中，φ-松散巖體的折算摩擦角(參照類似礦井取值為50°)。cj范圍內(nèi)：σ1=(q+γy)Ka，σ2=λyKp；j點(diǎn)以上，σ1>σ2，巖體處于塑形狀態(tài)；j點(diǎn)處，σ1=σ2，巖體處于極限平衡；j點(diǎn)以下，σ1<σ2，巖體處于彈性狀態(tài)；式中，γ-上覆巖層的平均容重；q-均布荷載，kPa。右側(cè)底板極限破壞深度y1：

(1)

由(1)式可知，y1以下的底板巖體向上鼓起，y1以下將不會出現(xiàn)移動。

p=p1-p2

(2)

將p分解為法線和切線方向：

(3)

沿mj的有效滑動力：

t1=t-ntanφ

(4)

(5)

2.2　機(jī)頭硐室數(shù)值模擬

以暗斜井機(jī)頭硐室原支護(hù)方案及其對應(yīng)的地質(zhì)資料為依據(jù)，建立計算模型。模型尺寸：50m×50m×20m；巷道尺寸：4.0m×4.0m。分別模擬巷道斷面的應(yīng)力及位移分布云圖，具體見圖3。

由圖3可知，最大垂直位移在巷道中央底板位置，巷道最大水平位移在靠近左幫底角處。由本文2.1節(jié)力學(xué)分析可得底板第一分層水平應(yīng)力臨界載荷為2.47MPa，小于作用在其兩端的水平應(yīng)力，說明已經(jīng)發(fā)生破斷而產(chǎn)生底鼓量；而第二分層的臨界載荷為19.76MPa，遠(yuǎn)大于數(shù)值模擬的最大水平應(yīng)力值11.1MPa，說明底板第二分層沒有發(fā)生破斷。

2.3　硐室圍巖破壞機(jī)理

由上述理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場調(diào)查情況可得出：暗斜井機(jī)頭段發(fā)生嚴(yán)重支護(hù)失效的原因有以下4個方面：

(1)擾動影響多、應(yīng)力水平高且應(yīng)力場極不均衡。上覆煤層采動影響及機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)擾動對機(jī)頭硐室影響明顯。機(jī)頭硐室巷道圍巖的高應(yīng)力是導(dǎo)致巷道圍巖進(jìn)入塑性且發(fā)生大變形的主要原因。由數(shù)值模擬結(jié)果顯示硐室處于不對稱應(yīng)力環(huán)境中，巷道圍巖塑性區(qū)容易擴(kuò)展、支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，最終將逐步出現(xiàn)不對稱變形、底鼓嚴(yán)重情形。

(2)原支護(hù)方案針對性差。原支護(hù)方案采用“砌碹結(jié)構(gòu)”支護(hù)形式，該支護(hù)形式用于控制高應(yīng)力擾動有著很多不足。首先，支護(hù)強(qiáng)度不夠，“砌碹結(jié)構(gòu)”支護(hù)結(jié)構(gòu)提供的支護(hù)阻力十分有限，不足以對抗該環(huán)境中的高應(yīng)力；其次，頻繁的應(yīng)力擾動對砌碹結(jié)構(gòu)也是一種嚴(yán)重的威脅。由上述分析可知，原支護(hù)方案對不對稱應(yīng)力不具有針對性，對高應(yīng)力分布的區(qū)域沒有重點(diǎn)加強(qiáng)支護(hù)，因而，對巷道圍巖的變形破壞限制作用十分有限，從而導(dǎo)致其在采動和構(gòu)造應(yīng)力作用下劇烈變形。

(3)巷道圍巖巖性差。由機(jī)頭硐室下段的斜井巷道圍巖內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育情況可以推測，隨著裸露時間延長，節(jié)理裂隙被侵蝕嚴(yán)重，由x衍射圖譜分析可知圍巖內(nèi)部含有膨脹礦物的粘土，此類巖體遇水膨脹，整體強(qiáng)度表現(xiàn)的極低，在高應(yīng)力作用下，塑性區(qū)極易形成。

(4)構(gòu)造應(yīng)力的影響。該段巖層內(nèi)部存在的地質(zhì)構(gòu)造有DF4、DF5、DF9和BF1等正斷層，構(gòu)造應(yīng)力加劇了巷道圍巖應(yīng)力場的不均衡。

3暗斜井機(jī)頭分步控制

3.1　分步控制原理

從該硐室圍巖變形過程可知，硐室圍巖變形右半部分明顯大于左半部分，尤其是底鼓此類現(xiàn)象更加明顯，故而導(dǎo)致皮帶運(yùn)輸機(jī)頭傳動軸受力極不均衡。因而，針對這種變形特征，應(yīng)采取卸壓與“錨索+槽鋼+噴漿”分步的控制方法進(jìn)行控制。卸壓針對其高應(yīng)力集中明顯區(qū)域進(jìn)行，“錨索+槽鋼+噴漿”針對卸壓后的巷道圍巖進(jìn)行全面補(bǔ)強(qiáng)加固。只有通過兩者相互配合的方法，才能讓巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定，最大限度的消減不對稱變形，巷道圍巖穩(wěn)定控制得以實(shí)現(xiàn)。

鉆孔卸壓的設(shè)計思想是為了減小巷道圍巖變形、降低支護(hù)壓力，每個鉆孔形成一定的破碎區(qū)，當(dāng)破碎區(qū)互相接近后，便能使圍巖起到卸壓的作用。此次通過鉆孔窺視得知機(jī)頭硐室兩幫4m內(nèi)圍巖較為破碎，因此采用大孔徑深孔卸壓方式。對鉆孔卸壓時間應(yīng)做合理安排，既要保證鉆孔卸壓充分，又要保證卸壓時間不能過長，消減卸壓作用。

主要通過高強(qiáng)支護(hù)來減少圍巖強(qiáng)度損失。巷道圍巖是一個復(fù)合結(jié)構(gòu)體，加固兩幫可有效控制巷道底鼓。由鉆孔窺視、數(shù)值模擬計算結(jié)果及力學(xué)模型分析，在機(jī)頭硐室的二次支護(hù)方案中支護(hù)重點(diǎn)在巷道左幫和靠左底板位置。

3.2　分步控制方案

依據(jù)分步控制原理，結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，提出對巷道右半部高應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行鉆孔卸壓，改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，使其應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移。對兩幫及底板采用“錨索+槽鋼+噴漿”整體加固圍巖，從而使巷道圍巖不均衡應(yīng)力對巷道圍巖的破壞得以控制，如圖4所示。

結(jié)合巷道圍巖條件，借助正交實(shí)驗(yàn)、FLAC3D數(shù)值仿真程序分別對錨桿(索)的排距、間距、長度及直徑等參數(shù)進(jìn)行模擬優(yōu)化，得出的支護(hù)參數(shù)如下：

(1)錨桿參數(shù)。錨桿：Ф22mm，L=2500mm左旋無縱筋普通螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800mm×800mm，每根錨桿3卷K2350樹脂錨固劑。

(2)錨索支護(hù)。錨索：Ф17.8mm，L=7.3m的鋼絞線，間排距為1600mm×1600mm。樹脂端部錨固，錨固長度2000mm。

(3)噴網(wǎng)：金屬網(wǎng)Ф6mm，網(wǎng)格100mm×100mm，尺寸1000mm×800mm。噴射混凝土層厚100～120mm。

(4)底板錨索：底板錨索：Ф17.8mm，L=4.3m，間排距：2400mm×2400mm。每兩根錨索采用高強(qiáng)度剛帶或梯子梁連接起來，形成一體。

(5)局部注漿方案：注漿孔深3.5m，排距均為2m。

3.3　控制方案數(shù)值模擬

依據(jù)圖5(a)的巷道模型，運(yùn)用FLAC軟件建立新支護(hù)計算模型如圖5所示，計算新支護(hù)方案的應(yīng)力與位移云圖，如圖6所示。

結(jié)果顯示：采用新的支護(hù)方案后的塑性區(qū)范圍減小為0.5m，左右的塑性環(huán)均勻分布在巷道四周，塑性區(qū)被控制在了“塑性環(huán)”大致均勻緩慢擴(kuò)展階段，頂板塑性區(qū)最大值1.0m，兩幫均為0.5m。巷道兩幫最大移近量為30.27mm，頂?shù)装逡平繛?8.09mm，底鼓量僅為54.39mm。新支護(hù)方案圍巖塑性區(qū)發(fā)展進(jìn)程控制曲線如圖6所示。因此，采用“錨網(wǎng)索噴+局部注漿加強(qiáng)”的支護(hù)方案，可有效阻止圍巖塑性區(qū)的惡性擴(kuò)展，保持巷道在服務(wù)年限中正常使用。

4工程檢測與效果分析

在機(jī)頭硐室試驗(yàn)段設(shè)置了四個相對位移檢測點(diǎn)對機(jī)頭兩端和皮帶兩端進(jìn)行了一個月的觀測和記錄。機(jī)頭兩端的相對位移量會影響煤礦正常運(yùn)輸；皮帶兩端檢測點(diǎn)分別位于硐室?guī)湍_和中間，所測的相對位移可近似等同于硐室的底鼓量。

如圖7所示，皮帶和機(jī)頭兩端相對位移的增量逐漸降低說明鉆孔卸壓對壓力釋放效果較好，有效的限制了硐室底鼓量和機(jī)頭兩端的相對位移。在鉆孔卸壓后將進(jìn)一步對底板進(jìn)行“錨索+槽鋼+噴漿支護(hù)”分步控制，提高底板巷道圍巖的整體性和強(qiáng)度。

5結(jié)論

依據(jù)塑性區(qū)控制原理，提出了“錨網(wǎng)索噴+局部注漿加強(qiáng)”的支護(hù)形式。數(shù)值計算與現(xiàn)場實(shí)踐表明：敏感部位的塑性區(qū)局部畸變被較好地控制，塑性區(qū)總體均勻變化，圍巖變形在可控范圍之內(nèi)，保證了巷道的正常使用。

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(責(zé)任編輯王利君)

Researchonlargesectioncavefloorheavestepscontrol

WANGJin1，2,WANGWei-jun1，2,PENGWen-qing1，2,ZHAOJian-feng1，2

(1.SchoolofMiningandSafetyEngineering,HunanUniversityofScienceandTechnology,Hu’nanXiangtan

411201，China;2.HunanUniversityofScienceandTechnology,HunanKeyLaboratoryofSafeMining

TechniquesofCoalMines,HunanXiangtan411201,China)

Abstract：TakingQujiangGaoKengsubinclinedbeltshaftheadchamberastheengineeringbackground,it’sfloorheavecharacteristicsandmechanismandit’sfloorstressdistributionwereanalyzedbytheoreticalanalysis,numericalsimulation,fieldtestmethod.Themainreasonoffloorheaveandasymmetricdeformationwasfrequentdisturbed,unbalancedstressdistributionandrockpropertiesetc.Tocontrolthestabilityofsurroundingrockofthechamber,thekeymeasuresistocontroltheuniformstressdistribution,followedbycontrollingtheshallowrockstressconcentrationdegree,andfinallyimprovingtheroadwaysurroundingrock.Thesurroundingrockdeformationcanbecontrolled.Accordingtotheprincipleoffloorheavestepscontrol，"thefirststepistoboreholepressurerelief,thesecondstepistocable+channel+spray"isproposedandisputintoeffectinthattunnel.Thenewsupportingschemechamberplasticzoneandstresschangewithoriginalsupportingschemewerecomparedbyutilizingnumericalsimulation.Engineeringpracticeshowsthatthenewsupportingschemeeffectisgoodforcontrollingtherelativedisplacementofheadendsandthefloorheave,thekeymeasuresistocontroltheuniformstressdistribution

Keywords：heave;largesectioncave;boreholepressurerelief;stepscontrol

中圖分類號：TD323

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-9469(2015)04-0078-06doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2015.04.017

作者簡介：王金(1989-)，男，云南曲靖人，研究生，研究方向?yàn)橄锏绹鷰r控制。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51434006，51374105)；湖南省教育廳資助項(xiàng)目(12cy013，13C308)；湖南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(S130003)

收稿日期：2015-06-13