深井車場大型三角形交岔點破壞機理及加固方法研究

王　強，褚曉威

(1.潞安礦業(yè)(集團)有限責任公司，山西 長治 046204；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013；3.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

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深井車場大型三角形交岔點破壞機理及加固方法研究

王強1，2，褚曉威2，3

(1.潞安礦業(yè)(集團)有限責任公司，山西 長治 046204；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013；3.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

針對潞安深部礦井李村礦車場大型三角形交岔點持續(xù)變形的情況，采用數(shù)值模擬分析變形破壞特征為三角剪切破壞嚴重，巖柱完整核區(qū)小，交岔點處頂板張拉破壞嚴重。采用既能注漿又能錨固的注漿錨索復合加固方式，提高或恢復淺部破壞區(qū)內(nèi)的圍巖強度，能夠控制圍巖的持續(xù)變形。井下試驗表明該種加固方式下，交岔點附近區(qū)域圍巖的變形逐漸穩(wěn)定，并不再增加，達到預期加固效果。

深部礦井；大型三角形交岔點；注漿錨索；復合加固

交岔點因受兩條或多條相交巷道的影響，巷道跨度和頂板懸露面積一般很大，加上交岔點附近巷道兩側(cè)支承壓力區(qū)和頂板卸載區(qū)的相互影響，使該處圍巖受力復雜，因此是井下施工和支護的困難地段。

國內(nèi)針對交岔點的破壞機理及控制方法已經(jīng)開展了諸多研究，并取得了很好的效果。有學者通過數(shù)值模擬對交岔點的變形原因和影響因素等進行了分析[1-3]，有的著重于研究交岔點的開挖方法與變形的關(guān)系[4-6]，更多學者則是對交岔點的變形控制與支護方法進行了研究[7-9]。

李村礦井是目前潞安礦區(qū)埋深最大的礦井，約510～840m。高應力加上煤層強度低、頂?shù)装鍘r層較軟、易風化破碎，導致已掘巷道礦壓顯現(xiàn)明顯，在巷道圍巖巖性較差段、轉(zhuǎn)角處、交岔點等地方多處發(fā)生底板和幫底部鼓出，巷道局部頂板、兩幫出現(xiàn)裂縫，部分噴層剝落等現(xiàn)象。

1　生產(chǎn)條件調(diào)查和地質(zhì)力學評估

李村礦井副井井底車場布置在3號煤層頂板圍巖中，為全巖巷道，距離3號煤層垂直距離15～20m，井底車場已掘巷道礦壓顯現(xiàn)明顯，在巷道圍巖巖性較差段、轉(zhuǎn)角處、交岔點等地方多處發(fā)生底板和幫底部鼓出，頂板局部區(qū)域出現(xiàn)頂板噴漿裂縫、剝落。尤其是副立井井底車場繞道三角區(qū)域圍巖變形較大，該區(qū)域由車場繞道和大型設(shè)備組裝硐室通道組成，其中車場繞道先掘成，之后進行大型設(shè)備組裝硐室通道掘進。在大型設(shè)備組裝硐室掘進期間車場繞道變形明顯，底鼓量為100～300mm，車場繞道中水溝嚴重破壞，水溝外側(cè)底鼓量最大約300mm，幫部變形主要集中在距離底板2m范圍內(nèi)，幫部鼓出量最大約100mm，車場繞道嚴重變形區(qū)域長約30m，井底車場繞道嚴重變形三角區(qū)域如圖1所示。

圖1　副立井井底車場繞道三角變形區(qū)域位置

根據(jù)副立井井筒實測柱狀圖可知，井底車場繞道三角區(qū)域位于3號煤層頂板圍巖中，繞道三角區(qū)域距離3號煤層垂直距離約15m，井底車場繞道附近圍巖主要為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，巷道斷面為半圓拱形，巷道寬度為6.2m，高為5.28m，半圓拱半徑為3.1m，直墻高2.18m，巷道掘進斷面面積為28.6m2，凈斷面面積為21.95 m2，井底車場繞道附近圍巖柱狀見圖2所示。

圖2　井底車場繞道附近圍巖柱狀

根據(jù)地質(zhì)資料，區(qū)內(nèi)主要可采煤層3號煤直接充水含水層為頂板砂巖裂隙含水層，該含水層含水性弱～中，根據(jù)井底車場已掘進巷道情況，巷道頂板無淋水，煤層頂板砂巖弱富水，奧灰水具有較高的水壓值，水頭高出3號煤底板230～580m，但其間有130m的地層阻隔，正常情況下不會對煤層開采造成影響；由于構(gòu)造等因素影響，使局部富水或溝通與強含水層，將造成局部地段水文地質(zhì)條件復雜化。

南翼進風石門和中央回風石門地應力測試結(jié)果顯示，兩測站最大水平主應力分別為23.26MPa和22.15MPa，最小水平主應力分別為11.76MPa和10.46MPa，垂直應力分別為13.50MPa和13.63MPa，最大主應力方向分別為N51°W和N47°W?？膳袛嘣搮^(qū)域整體上屬于高地應力值區(qū)域。

3號煤體強度大部分集中在6～10MPa之間，煤幫淺部強度普遍較低，平均強度為8.29MPa，煤體軟弱破碎。直接頂為細砂巖，平均強度為65.5MPa，其中，砂巖強度大部分集中在40～80MPa之間，頂板巖層強度測試曲線波動范圍較大，說明頂板巖層完整性相對較差，細砂巖以上為泥質(zhì)砂巖，平均強度為54.6MPa。

2　大型交岔點破壞機理

巷道交岔點在掘進第一條巷道時，因掘進引起的應力重新分布情況與一般掘進單一巷道引起的變化相同，但在掘進第二條交岔巷道時，兩條交岔巷道兩側(cè)的支承壓力會發(fā)生相互疊加，在交岔點拐角巖柱中，支承壓力的形成具有空間特征。由于交岔點兩側(cè)的支承應力疊加，應力集中系數(shù)和塑性區(qū)進一步增大。拐角巖柱中塑性區(qū)尺寸隨頂板懸露面積、深度、應力集中系數(shù)的增加和圍巖強度的降低而增加。三角形交岔點最大的特點是相互擾動，中間存在孤立煤巖柱，煤巖柱在相互擾動中又非常容易發(fā)生大變形失穩(wěn)。

采用數(shù)值模擬分析了大型三角形交岔點的應力分布及變形破壞情況。巖體物理力學參數(shù)及初始應力如表1和2，交岔點圍巖應力、變形及破壞情況如圖3。

表1　巖體物理力學參數(shù)

表2　初始應力水平

從圖3中可以看出，在較低的圍巖強度下，整個交岔點變形破壞較為嚴重。三角形巖柱幾乎全部破壞，中心僅剩余不到10%的完整彈性區(qū)，承載能力較弱。左右兩側(cè)巷道與橫向巷道拐角處，巖體的剪切變形最大，塑性破壞的范圍明顯出現(xiàn)疊加和擴大。縱向切面顯示在兩條巷道的交岔口，不但兩幫破壞嚴重，而且頂板的破壞范圍明顯大于其他部位。

圖3　三角形交岔點應力分布及變形破壞情況

三角形交岔點的破壞有3個典型特征：三角形巖柱僅中心未破壞，整體呈現(xiàn)剪切劈裂破壞，特別是3個角，剪切破壞嚴重，容易持續(xù)流變；左右交岔口拐角處巖體剪切破壞最為嚴重，破壞深部最大，非常不穩(wěn)定；交岔口頂板懸露面積最大，頂板張拉破壞嚴重，破壞高度大，穩(wěn)定性差。

3　變形控制方法及現(xiàn)場試驗

3.1變形控制機理

為探究煤巖體強度特性對三角形交岔點變形破壞的響應，將煤巖體的強度提高約50%后(如表3)進行模擬分析，交岔點的應力分布及變形破壞情況如圖4。

表3　提高后巖體物理力學參數(shù)

圖4　提高強度后三角形交岔點應力分布 及變形破壞情況

由圖4可以看出，當煤巖體的強度相對提高后，整體情況好轉(zhuǎn)，變形破壞特征不變，但破壞范圍及程度明顯減弱。三角形巖柱的穩(wěn)定彈性區(qū)域增大，約60%～70%區(qū)域穩(wěn)定，整體承載能力大大增加。兩側(cè)交岔點的拐角及頂板仍是破壞最大區(qū)域，但破壞范圍及程度減小到原有的50%左右。

在經(jīng)受密集開挖引起的高集中應力和頻繁的擾動下，煤巖體中節(jié)理、層理、裂隙等結(jié)構(gòu)面快速發(fā)育、破碎，導致不能自穩(wěn)、破碎范圍大、變形強烈。如果單獨采用錨桿支護修復，由于圍巖破碎，錨固劑與圍巖粘結(jié)力小，錨固力低，錨桿力學性能不能充分發(fā)揮，很難有效控制圍巖變形。將錨固與注漿加固技術(shù)有機結(jié)合，是解決破碎圍巖巷道支護的有效途徑。注漿加固能夠有效地恢復或提高淺部破壞煤巖體的強度和完整性，錨固后進一步加固錨固范圍煤巖體，控制變形。

在施工條件有限情況下，可以采用注漿錨索的方式進行注漿和錨固的一體化加固。注漿錨索即錨索全長錨固，通過錨固段樹脂錨固劑錨固，自由段注漿來實現(xiàn)，樹脂錨固后即進行張拉，預應力施加后再進行自由段注漿。先實現(xiàn)預應力的施加，再進行注漿充填加固，真正實現(xiàn)“預應力”和“加固”。其主要原理：將變形破壞的煤巖體重新組合形成整體，錨索加固后形成支護承載體，減小巷道的變形。全長錨固錨索的作用原理如圖5所示。

圖5　全長錨固錨索作用示意

3.2現(xiàn)場試驗

3.2.1車場繞道三角變形破壞區(qū)域原支護方案

車場繞道和大型設(shè)備組裝硐室通道斷面一樣，支護方式一樣，巷道原斷面為半圓拱形，掘進寬度為5500mm，半圓拱半徑為2750mm，直墻高2100mm，掘進斷面面積為20.185m2。原支護方案主要采用高強錨桿錨索組合支護系統(tǒng)，原方案下錨桿錨索支護布置如圖6所示。另外，大型設(shè)備組裝硐室通道掘進完畢后進行三角區(qū)域幫部補打一排對穿錨索加固，錨索距離底板1000mm，錨索間距1500mm，其他錨索規(guī)格參數(shù)同巷道頂板錨索支護方案。

圖6　車場繞道三角區(qū)原支護

3.2.2加固方案設(shè)計3.2.2.1加固范圍的確定

車場繞道受大型設(shè)備組裝硐室通道掘進影響，變形較大，其中車場繞道水溝側(cè)變形明顯，最大底鼓量300mm，水溝嚴重破壞，水溝側(cè)幫鼓出量最大約300mm，平均約100mm，兩幫變形主要集中在幫部距離底板2m范圍內(nèi)，三角區(qū)域附近車場繞道嚴重變形區(qū)域長約30m，后期掘進的兩條大型設(shè)備組裝硐室通道變形不明顯，且在原支護方案基礎(chǔ)上，對大型設(shè)備組裝硐室通道的三角區(qū)域側(cè)幫補打?qū)Υ╁^索進行加固，錨索規(guī)格同原頂板錨索支護方案。因此，三角區(qū)域車場繞道加固范圍：對三角區(qū)域附近車場繞道底板和兩幫進行加固，長度約30m；兩條大型設(shè)備組裝硐室加固范圍：對三角區(qū)域附近兩條大型設(shè)備組裝硐室通道外側(cè)幫進行加固，長度分別約25m，共計55m。

3.2.2.2加固方案設(shè)計

經(jīng)過數(shù)值模擬分析，結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗，依據(jù)高預應力強力錨桿支護理論，確定李村煤礦車場繞道底板加固采用全長錨固錨索支護系統(tǒng)，對車場繞道和大型設(shè)備組裝硐室通道幫部采用加長(或全長)錨固錨索支護系統(tǒng)。目前車場繞道巷道凈寬度為5200mm，凈高為4700mm，車場繞道底板已硬化巷道開始加固施工前要全部起底300～500mm。車場繞道錨索加固如圖7所示。

圖7　車場繞道注漿錨索加固

底板灌漿錨索采用鳥籠式錨索，沿巷道走向成排布置，每排3根錨索，排距1500mm，間距2100mm；錨索材料為直徑22mm，1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度7300mm；鉆桿直徑42mm，鉆頭直徑56mm。

成孔后預埋錨索，插入錨索，將鋁塑灌漿管插至孔底，填入少量石粉，灌入水泥漿6L，拔出鋁塑管。底板注漿孔預埋錨索7d后，進行張拉，預緊力達到250kN。底板鋪鋼筋網(wǎng)，插入鋁塑注漿管，棉紗封孔、鋼筋托梁、托盤、索具，張拉錨索后全長一次注漿。注漿材料為水泥漿添加XPM水泥添加劑，水灰比為0.6∶1，水泥添加劑XPM添加量為水泥用量的10%。注漿終止壓力1～2MPa。加固后硬化底板厚度約300mm。

兩幫采用錨索補強方式，樹脂錨固劑錨固后張拉預緊并預留注漿管及止?jié){塞，視加固效果進行補充注漿。錨索長度為5300mm，間距1000mm，排距1000m，每排4根，下面一根錨索距離底板1000mm。大型設(shè)備組裝硐室通道只加固外側(cè)幫，加固工藝及參數(shù)同車場繞道幫部；錨索布置為間距1000mm，排距1000m，每排2根錨索，下面一根錨索距離底板1000mm。

3.2.3礦壓監(jiān)測結(jié)果及分析

3.2.3.1錨索受力

錨索受力監(jiān)測曲線如圖8所示。

圖8　錨索受力曲線

從圖8中可以看出：

(1)錨索的初始預緊力基本達到設(shè)計要求(250kN)，說明錨索張拉設(shè)備、鎖具和錨索之間的配合良好，錨索在張拉過程中損失較小。

(2)錨索在預緊后的2～3d內(nèi)預緊力均有10kN左右的下降，這是因為注漿加固沒有將巷道圍巖內(nèi)的微小裂隙注實，導致在高預緊力的情況下，巷道圍巖內(nèi)的微小裂隙被壓實。

(3)后期監(jiān)測曲線可以看出，錨索受力一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，車場繞道錨索受力穩(wěn)定在232kN，組裝硐室通道錨索受力穩(wěn)定在241kN，說明注漿錨索加固工程施工質(zhì)量合格。

3.2.3.2表面位移

巷道表面位移曲線如圖9所示。

圖9　巷道表面位移曲線

通過分析圖9可知：

(1)車場繞道和組裝硐室通道頂板最大下沉量分別為46mm，57mm，兩幫最大位移量分別為147mm，150mm。

(2)巷道變形趨勢逐漸穩(wěn)定，在監(jiān)測期間巷道雖然沒有達到穩(wěn)定，但是位移變化曲線逐漸平緩，后期雖有一定的變形，但是整體位移量不大。

(3)采用注漿錨索加固措施后，基本控制了巷道圍巖的變形，巷道整體變形很小，后期基本不需要維修就能滿足使用要求，表明注漿錨索加固措施基本達到了預期的支護效果。

4　結(jié)　論

(1)大型交岔點是礦井建設(shè)中的難題，因其特殊的結(jié)構(gòu)和受力特點，變形往往較大，其機理和控制方法因具體情況的不同而不同。

(2)李村礦井的三角形交岔點三角及拐角處剪切變形嚴重，頂板懸頂面積大，張拉破壞嚴重，整個三角形巖柱處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)數(shù)值模擬表明，提高巖體強度可控制交岔點的變形破壞范圍，結(jié)合礦井實際條件采用全長錨固錨索，即注漿與錨索加固相結(jié)合的方式進行重新加固。

(4)礦壓監(jiān)測顯示，車場繞道區(qū)域采用底板、兩幫的注漿錨索加固后，巷道變形逐漸穩(wěn)定，不再繼續(xù)增加，加固取得較好效果。

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[責任編輯：王興庫]

Broken Mechanism and Reinforcement Method of Large Triangle Intersection of Pit Bottom In Deep

WANG Qiang1,2，CHU Xiao-wei2,3

(1.Lu’an Mining(group) Co.，Ltd.，Changzhi 046204，China；2.Mining Research Institute,China Coal Research Institute，Beijing 100013,China；3.Coal Mining and Desiging Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013,China)

To the surrounding rock continue deformation of large triangle intersection of pit bottom in deep of Licun coal mine，then the broken characters were analyzed by numerical simulation，which is about shear failure appeared around triangle zone，integrity core of rock pillar was small，seriously stretch-draw failure appeared around roof of intersection，then a compound reinforcement grouting cable was applied，the grouting cable not only grouting but also anchoring，then surrounding rock strength in shallow could be improved or recovered，so the continuous deformation could be controlled.The filed test showed that surrounding rock deformation around intersection zone would stable gradually based on this reinforcement method，and the prospective reinforcement could be reached.

mine in deep；large triangle intersection；grouting cable;compound reinforcement

2016-05-08

國家自然科學基金委員會與神華集團有限責任公司聯(lián)合資助項目(U1261211)；中國煤炭科工集團面上項目(2014MS037)

王強(1970-)，男，山西長治人，高級工程師，博士，現(xiàn)從事煤礦安全生產(chǎn)管理工作。

TD353

A

1006-6225(2016)05-0059-05

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.017

[引用格式]王強，褚曉威.深井車場大型三角形交岔點破壞機理及加固方法研究[J].煤礦開采，2016，21(5)：59-63，39.