高應(yīng)力超大斷面硐室圍巖控制對(duì)策研究

孟憲志，劉陽(yáng)軍，王業(yè)征

(1.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；3.內(nèi)蒙古伊泰廣聯(lián)煤化有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

鄂爾多斯地區(qū)作為我國(guó)重要的煤炭生產(chǎn)基地，隨著開(kāi)采強(qiáng)度的增大，此地區(qū)煤礦埋深逐步延伸到600m以上。礦井也向大型化、智能化邁進(jìn)[1，2]，越來(lái)越多的大型設(shè)備應(yīng)用于井下，對(duì)硐室的斷面尺寸要求越來(lái)越大，穩(wěn)定性要求越來(lái)越高，服務(wù)年限要求越來(lái)越長(zhǎng)。這類高應(yīng)力超大斷面硐室圍巖往往不易穩(wěn)定，變形十分嚴(yán)重，需要二次甚至多次返修，且需要對(duì)破碎圍巖進(jìn)行注漿加固，控制難度很大[3-9]。

針對(duì)高應(yīng)力大斷面硐室圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題，許多專家學(xué)者進(jìn)行了研究和實(shí)踐。譚云亮等[10]揭示了大斷面硐室圍巖破碎變形特征及影響因素；肖同強(qiáng)等[11，12]得出硐室斷面尺寸對(duì)圍巖穩(wěn)定影響很大，隨著斷面增大，圍巖應(yīng)力集中程度增加，圍巖破碎區(qū)及變形量變大；何滿潮等[13]研究了軟弱復(fù)合頂板條件下大斷面硐室的失穩(wěn)特征，認(rèn)為頂板中部拉應(yīng)力集中是該類硐室易發(fā)生冒頂?shù)闹饕?。上述研究主要集中在大斷面硐室二次甚至多次維修方面，主要對(duì)高應(yīng)力、斷面尺寸105m2條件下，超大斷面硐室圍巖強(qiáng)力一次支護(hù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

紅慶河煤礦設(shè)備換裝硐室主要用于井下大型設(shè)備的拆裝，采用直墻三心拱形斷面，掘進(jìn)斷面寬為9100mm，直墻高為9100mm，拱頂高為12133mm，掘進(jìn)斷面面積 105m2。由于硐室內(nèi)安裝行吊，對(duì)其變形量要求極高：兩幫移近量要求控制在100mm以內(nèi)，即兩幫收縮率小于1%；拱部變形量控制在536mm以內(nèi)，即頂?shù)装迨湛s率小于4.4%。

設(shè)備換裝硐室沿3-1#煤層底板掘進(jìn)，煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，老頂為粗粒砂巖和粉砂巖；煤層底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，如圖1所示。

圖1 換裝硐室附近柱狀圖

該硐室位于井底車場(chǎng)范圍，附近存在多個(gè)繞道及交叉點(diǎn)，應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，各硐室及聯(lián)絡(luò)巷之間相互影響較大。原始地應(yīng)力中最大水平應(yīng)力σH為20.84MPa；最小水平應(yīng)力σh為20.66MPa；垂直應(yīng)力σv為15.89MPa；最大水平應(yīng)力方向?yàn)镹E54.0°。硐室軸向平行于最小水平主應(yīng)力方向。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值模型建立

通過(guò)采用FLAC3D數(shù)值軟件分析超大斷面硐室開(kāi)挖后圍巖塑性區(qū)及承載能力的變化特征，從而確定合理的支護(hù)方案。

煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，其中煤與巖石的參數(shù)在實(shí)驗(yàn)室單軸壓縮試驗(yàn)獲取巖石力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)GSI巖體分類方法折減后取得。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

模型尺寸為80m×40m×99m，共劃分396800個(gè)單元，423906個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)實(shí)測(cè)地應(yīng)力結(jié)果并考慮模型高度，模型頂部施加地應(yīng)力值，兩側(cè)水平位移固定，底部垂直位移固定。

2.1 超大斷面硐室變形規(guī)律分析

在無(wú)支護(hù)的條件下，對(duì)硐室進(jìn)行多次開(kāi)挖成形后，分析其應(yīng)力分布特征及變形規(guī)律，觀測(cè)硐室不同位置的塑性區(qū)，從而確定圍巖控制的關(guān)鍵區(qū)域。

由圖2(a)可知，設(shè)備換裝硐室拱部受力狀態(tài)遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于底板及兩幫：硐室?guī)筒考暗装宄霈F(xiàn)了明顯的拉應(yīng)力區(qū)；拱部為壓應(yīng)力區(qū)。由圖2(b)可知，煤巖交界面處塑性區(qū)最大達(dá)到12m；其他位置塑性區(qū)均小于8m，其中拱部位置塑性區(qū)僅為4m；最不利于圍巖穩(wěn)定的張拉破壞范圍為：硐室超高幫中部位置距離巷道表面0～3m，硐室底板位置距離巷道表面0～2m。

圖2 模擬結(jié)果

為了保證硐室圍巖穩(wěn)定，避免底板發(fā)生底鼓，影響硐室正常使用，對(duì)其進(jìn)行全斷面支護(hù)。

3 圍巖控制對(duì)策及效果

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，設(shè)備換裝硐室圍巖塑性區(qū)分布范圍較大，容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，且易出現(xiàn)破碎的部位主要集中在超高幫中部及硐室底板。為了保證硐室變形在要求范圍內(nèi)，采用錨網(wǎng)噴全斷面強(qiáng)力一次支護(hù)[14，15]：頂板及兩幫采用“錨桿索+噴漿”聯(lián)合支護(hù)；底板采用“錨索+混凝土”進(jìn)行支護(hù)。

在超大斷面硐室支護(hù)體系中，由于錨桿施工速度較快，主要起到護(hù)表作用，對(duì)淺部圍巖進(jìn)行及時(shí)支護(hù)；錨索作為保證硐室圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵，是整個(gè)支護(hù)體系的核心，而錨索長(zhǎng)度的選取應(yīng)與錨索的預(yù)應(yīng)力相匹配，錨索越長(zhǎng)，施加的預(yù)應(yīng)力應(yīng)越大，低預(yù)應(yīng)力的長(zhǎng)錨索支護(hù)效果比高預(yù)應(yīng)力的短錨索差[16]。

綜合以上分析，確定硐室的支護(hù)參數(shù)為：頂板及兩幫錨桿采用?22mm×2400mm左旋無(wú)縱筋400號(hào)螺紋鋼；錨索采用?18.9mm×8300mm，1×7股預(yù)應(yīng)力鋼絞線；錨桿索間排距1000mm×1000mm。底板錨索采用?18.9mm×8300mm，1×7股預(yù)應(yīng)力鋼絞線；間排距2000mm×2000mm；為了保證底板錨索的錨固力，錨固段編制2個(gè)鳥(niǎo)籠，鳥(niǎo)籠間隔為1.2m；錨固段采用水泥灌漿并以米石作為骨料進(jìn)行錨固。硐室具體支護(hù)參數(shù)，如圖3所示。

圖3 全斷面支護(hù)圖(mm)

為了控制硐室的前期變形，保證硐室穩(wěn)定，對(duì)錨桿索施加較高的預(yù)緊力，從而提高整體支護(hù)剛度，錨桿預(yù)緊力50kN以上，錨索預(yù)緊力200kN左右。

3.2 圍巖控制效果分析

為了監(jiān)測(cè)硐室穩(wěn)定的全過(guò)程，硐室開(kāi)挖后立即安裝監(jiān)測(cè)儀器，監(jiān)測(cè)時(shí)間達(dá)到3個(gè)月以上。錨桿索受力及硐室變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如圖4—圖6所示。

圖4 錨桿受力監(jiān)測(cè)曲線

由圖4(a)可知，設(shè)備換裝硐室拱部錨桿預(yù)緊力為60kN時(shí)，錨桿受力逐漸增加，最終穩(wěn)定在80～100kN之間；初始預(yù)緊力為110kN時(shí)，錨桿受力十分穩(wěn)定。由圖4(b)可知，設(shè)備換裝硐室?guī)筒垮^桿預(yù)緊力為50～114kN時(shí)，錨桿受力較為穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)較大幅度的增長(zhǎng)。其中一根錨桿受力出現(xiàn)大幅下降，原因?yàn)殄^桿螺母與桿體螺紋聯(lián)接處失效，導(dǎo)致受力急劇下降。

綜上所述，設(shè)備換裝硐室?guī)筒垮^桿受力相對(duì)于拱部錨桿受力較小，且?guī)筒垮^桿穩(wěn)定時(shí)間較快；硐室拱部錨桿臨界預(yù)緊力為80kN，幫部錨桿臨界預(yù)緊力為40kN。因此，通過(guò)及時(shí)安裝錨桿，能夠保證硐室淺部圍巖的穩(wěn)定。

圖5 錨索受力監(jiān)測(cè)曲線

由圖5(a)可知，設(shè)備換裝硐室拱部錨索預(yù)緊力為120～200kN時(shí)，后期錨索受力比較穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)較大的變化。其中一根錨索受力出現(xiàn)下降現(xiàn)象，原因?yàn)殄^索發(fā)生了失錨現(xiàn)象。由圖5(b)可知，設(shè)備換裝硐室?guī)筒垮^索預(yù)緊力為160～180kN時(shí)，前期錨索受力出現(xiàn)一定程度的增加，增加幅度為60kN左右，后期受力十分穩(wěn)定，最終錨索受力穩(wěn)定在180～240kN。

綜上所述，設(shè)備換裝硐室拱部錨索受力穩(wěn)定在130～190kN；幫部錨索受力穩(wěn)定在180～240kN。相比于拱部，幫部錨索受力更大，既有效控制硐室圍巖初期變形與破壞的預(yù)緊力臨界值更高[17]。

圖6 硐室位移監(jiān)測(cè)曲線

由圖6(a)可知，設(shè)備換裝硐室拱部變形主要集中在淺部，總變形量為24mm，深部變形量基本為0mm。結(jié)合硐室拱部錨桿索受力特征可知，由于拱形承載能力及自穩(wěn)性能較好，此處支護(hù)的關(guān)鍵在于保證淺部圍巖的完整性。

由圖6(b)可知，通過(guò)施加高預(yù)緊力，對(duì)圍巖進(jìn)行強(qiáng)力一次支護(hù)，可以很好的控制幫部的變形，兩幫移近量?jī)H為12mm，完全滿足硐室變形量要求。通過(guò)底板錨索支護(hù)，底板變形量也得到了很好的控制，未監(jiān)測(cè)到底板變形。

5 結(jié) 論

1)高應(yīng)力下超大斷面硐室塑性區(qū)明顯增大，且支護(hù)的核心為超高幫及底板位置。

2)錨網(wǎng)索支護(hù)體系中，通過(guò)前期施加較高的預(yù)緊力，不僅僅可以控制圍巖變形，更有利于后期錨桿索受力的穩(wěn)定。

3)強(qiáng)力一次全斷面支護(hù)可以很好的控制硐室的變形，且硐室不同位置需要的預(yù)緊力臨界值也不相同。拱部主要是保證淺部圍巖的完整性，錨桿受力較大，錨索受力相對(duì)較??；幫部主要是控制圍巖的整體位移，錨桿受力較小，錨索受力相對(duì)較大。

4)通過(guò)高預(yù)緊力全斷面強(qiáng)力一次支護(hù)體系，紅慶河煤礦設(shè)備換裝硐室兩幫移近量控制在12mm，頂?shù)装逡呀?jīng)量控制在24mm，完全滿足生產(chǎn)需求。