軟巖硐室失穩(wěn)機(jī)理和控制原則研究

徐向南

（山西東莊煤業(yè)有限公司，山西 長治 046308）

軟巖硐室失穩(wěn)機(jī)理和控制原則研究

徐向南

（山西東莊煤業(yè)有限公司，山西 長治 046308）

為了解決軟巖硐室圍巖大變形問題，采用理論分析和數(shù)值模擬方法，分析了軟巖硐室圍巖失穩(wěn)機(jī)理、影響因素和圍巖控制原則與方法，提出了不同圍巖控制原則和處置方法，實(shí)測效果明顯。

軟巖硐室；失穩(wěn)機(jī)理；圍巖控制；原則與方法

礦井硐室是指三軸線長度近似相等的地下巷道，如絞車房、變電所和水泵房等，具有尺寸大、使用周期長、易受采動影響等特點(diǎn)，是井下巷道維護(hù)的難點(diǎn)和重點(diǎn)[1-2]。軟巖硐室，由于硐室圍巖流變性強(qiáng)、自穩(wěn)和支撐能力差，在服務(wù)期間持續(xù)出現(xiàn)嚴(yán)重底臌、兩幫內(nèi)移等變形破壞。研究軟巖硐室失穩(wěn)機(jī)理和控制措施，能有效減小硐室變形和返修維護(hù)費(fèi)用，具有重要意義[3-4]。文章以山西永平煤礦4號煤開采西部變電所為研究對象，采用數(shù)值模擬和理論分析方法，研究了軟巖硐室變形規(guī)律、影響因素和控制措施，以期為軟巖硐室圍巖控制提供參考。

1 煤層賦存和硐室規(guī)格

永平煤礦4號煤厚4.56 m～6.83 m，平均5.70 m，埋深490 m～620 m；單軸抗壓強(qiáng)度平均6.1 MPa，屬軟巖。直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，直接頂厚1.03 m～10.80 m，平均9.36 m；砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強(qiáng)度平均22.4 MPa，屬軟-中硬巖。老頂為穩(wěn)定的厚層狀中粒砂巖、細(xì)粒砂巖和粉砂巖，厚2.60 m～13.00 m，平均11.98 m；中粒砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度平均79.4 MPa，屬硬巖。底板以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，局部為粉砂巖或細(xì)砂巖；砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強(qiáng)度平均25.7 MPa，屬中硬巖。頂?shù)装鍘r性特征，如表1所示。

表1 頂?shù)装鍘r性特征表

4號煤變電所硐室為矩形，沿煤層頂板掘進(jìn)，掘進(jìn)面尺寸（寬×高）：4 600×3 200 mm，面積14.72 m2；凈斷面尺寸（寬×高）：4 400 mm×3 000 mm，面積13.2 m2。

2 硐室失穩(wěn)機(jī)理

三采區(qū)變電所在使用過程中受4402和4404工作面開采動壓擾動明顯，加之硐室位于煤層中，煤體強(qiáng)度低、抵抗變形能力差，出現(xiàn)兩幫及頂?shù)装鍍?nèi)移嚴(yán)重，墻體開裂、噴層脫落，嚴(yán)重威脅變電所功能實(shí)現(xiàn)和使用安全。結(jié)合硐室賦存特性、采動作用和支護(hù)參數(shù)分析，影響硐室穩(wěn)定性的因素有：a.硐室處于煤層中，頂?shù)装鍘r性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)度低，自持能力差，易流變；b.硐室埋深大，地應(yīng)力大，圍巖剛度低，易破壞；c.受采動影響明顯，靠近硐室布置的4402和4404大采高工作面回采高度大、推進(jìn)速度快，頂板活動空間大、礦壓顯現(xiàn)劇烈，靠近工作面?zhèn)软鲜覈鷰r變形量明顯大；d.現(xiàn)有支護(hù)強(qiáng)度不足，金屬網(wǎng)鋼筋太細(xì)、錨固長度不足、幫錨索和底板約束缺失。

3 影響因素分析

對硐室穩(wěn)定性影響因素很多，選取保護(hù)煤柱尺寸和埋深作為研究對象。根據(jù)變電所位置和回采工作面空間布置方式，采用FLAC3D軟件建立軟巖硐室失穩(wěn)影響因素模型，模型尺寸（長×寬×高）：347 m×160 m×128.7 m，硐室模型示意圖，見圖1。

圖1 硐室模型示意圖

建立不同保護(hù)煤柱尺寸模型，平衡后得到硐室圍巖移近量圖，見圖2。由位移量圖知，保護(hù)煤柱尺寸越大，硐室變形越小，硐室圍巖移近量越小，變形速度也越小；硐室頂?shù)装逡平看笥趦蓭椭?；煤柱尺寸超過一定范圍后硐室移近量減小不明顯，過大煤柱造成了煤炭損失，即硐室保護(hù)煤柱留設(shè)尺寸有合理區(qū)間。

圖2 不同煤柱尺寸下硐室圍巖變形量圖

建立不同硐室埋深模型，平衡后得到硐室圍巖移近量圖，見圖3。由位移量圖知，硐室埋深越大，硐室變形越大，硐室圍巖移近量越大，變形速度也越大；硐室頂?shù)装逡平看笥趦蓭椭?，差值不明顯，埋深達(dá)到600 m時(shí)，頂?shù)装搴蛢蓭鸵平窟_(dá)到170 mm、140 mm。

圖3 不同埋深硐室圍巖變形量圖

4 軟巖硐室圍巖控制方法

根據(jù)硐室圍巖屬性和失穩(wěn)機(jī)理分析及影響因素的數(shù)值模擬研究結(jié)果，提出以下軟巖硐室圍巖控制原則和方法：

1）淺部圍巖：強(qiáng)力組合錨索，采用φ14 mm螺紋鋼焊接網(wǎng)+12號礦用工字鋼頂梁+錨索。

2）深部圍巖：高壓注漿，鉆孔長度L=8 m～10 m，封孔長度4 m～5 m，注漿壓力8 MPa～10 MPa，注漿材料為水泥-水玻璃雙液漿，注漿孔間排距2 m～3 m。

3）工作面停采線：弱化或切斷老頂，采取水壓致裂或爆破斷頂。

5 控制效果實(shí)測分析

4402和4404工作面布置在硐室左幫側(cè)采區(qū)，在回采期間記錄硐室圍巖變形值并與未加固處置前對比，得到表2加固前后硐室圍巖移近量實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果。

表2 加固前后硐室位移值 mm

受采動影響硐室左側(cè)圍巖明顯大于右側(cè)，采用上述控制措施之后圍巖移近量僅為未加固值的18.3%和23.8%，對應(yīng)左側(cè)幫為50.84 mm、右側(cè)幫為35.58 mm；加固后頂?shù)装搴蛢蓭鸵平孔冃?，最大?6.42 mm，滿足使用要求，硐室圍巖控制效果明顯。

6 結(jié)論

1）變電所硐室位于煤層中，頂?shù)装宥嗄鄮r、砂質(zhì)泥巖，圍巖強(qiáng)度低、具有顯著的流變性，使用期間變形嚴(yán)重，符合軟巖硐室特征。

2）分析硐室失穩(wěn)機(jī)理，認(rèn)為軟巖剛度低、埋深大、回采動壓作用及支護(hù)強(qiáng)度不足是主要因素。

3）數(shù)值模擬認(rèn)為，硐室保護(hù)煤柱尺寸越大、圍巖變形越小，頂?shù)装逡平看笥趦蓭椭?；埋深越大，硐室圍巖應(yīng)力越大、變形越明顯。

4）提出軟巖硐室圍巖控制原則和方法，針對硐室淺部、深部圍巖和工作面停采線，提出不同處置方法，實(shí)測效果明顯。

[1]王峰，余慶，張建.深部大斷面軟巖硐室支護(hù)技術(shù)優(yōu)化及應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2016,44（2）:133-138,143.

[2]李政.長平煤礦3號煤硐室變形破碎機(jī)理及其加固技術(shù)研究[D].太原：太原理工大學(xué),2014.

[3]王霄，時(shí)吉賀，高飛.深部軟巖硐室二次支護(hù)技術(shù)研究[J].能源技術(shù)與管理,2015,40（2）:31-33.

[4]何滿潮，李國峰，任愛武.深部軟巖巷道立體交叉硐室群穩(wěn)定性分析[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，37（2）：167-170.

（編輯：武曉平）

Instability Mechanism and Control Principles of Soft-rock Cavern

XU Xiangnan
(Dongzhuang Coal Co.,Ltd.,Changzhi 046308,China)

To solve the deformation of surrounding rock of soft-rock cavern,theoretical analysis and numerical simulation was used to study the instability mechanism and influential factors of the soft-rock cavern,as well as the principles and methods of surrounding rock control.Different principles and methods were proposed with obvious effects ofmeasurement.

soft-rock cavern;instability mechanism;surrounding rock control;principles and methods

TD353

A

1672-5050（2016）04-067-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.08.019

2016-04-17

徐向南（1970-），男，山西武鄉(xiāng)人，大學(xué)本科，工程師，從事煤礦開采技術(shù)、煤礦防治水技術(shù)、煤礦瓦斯治理技術(shù)工作。