煤礦大斷面吊裝硐室圍巖破壞機(jī)理及控制

劉 編，劉小虎，王 蒙

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.淮南礦業(yè)集團(tuán)潘三煤礦，安徽 淮南 232000)

近年來(lái)，隨著煤礦井下設(shè)備的大型化，其檢修和吊裝工作需要在井下完成，出現(xiàn)了一種新類型的大斷面硐室—大斷面吊裝硐室，斷面達(dá)90 m2左右。由于煤層附近的巖層多為泥巖，其巖性比較弱，而布置這么大斷面類型的硐室，其穩(wěn)定性值得研究[1]。

針對(duì)大斷面硐室圍巖控制方面主要有以下成果：韋四江等認(rèn)為高應(yīng)力作用下的不穩(wěn)定強(qiáng)流變巖層，支架受力不均等因素是大斷面硐室圍巖失穩(wěn)的主因，提出了主動(dòng)支護(hù)與被動(dòng)支護(hù)聯(lián)合修復(fù)方案[2]；林惠立等研究表明深部構(gòu)造復(fù)雜區(qū)內(nèi)大斷面泵房硐室群采用錨網(wǎng)索噴耦合支護(hù)技術(shù)，可以有效減小塑性破壞區(qū)范圍，實(shí)現(xiàn)支護(hù)體和載荷承載結(jié)構(gòu)的均勻化，防止圍巖大塊冒落，以及調(diào)動(dòng)深部巖體的強(qiáng)度[3]；楊樹(shù)新等研究得出高地應(yīng)力環(huán)境下硐室開(kāi)挖圍巖應(yīng)力釋放規(guī)律[4]；楊永康等對(duì)層狀碎裂圍巖特大斷面換裝硐室施工性態(tài)及穩(wěn)定性進(jìn)行了分析[5]；石廣斌等對(duì)高地應(yīng)力下大型地下硐室塊體變形特征及其穩(wěn)定性進(jìn)行了研究分析[6]；康紅普等研究了松軟破碎硐室群圍巖應(yīng)力分布及綜合加固技術(shù)[7]。

本文在以往研究基礎(chǔ)上，主要研究煤礦井下90 m2大斷面硐室圍巖破壞機(jī)理并進(jìn)一步提出圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)。

1 地質(zhì)工程條件

1.1 地質(zhì)概況

根據(jù)硐室底層揭露情況和鉆孔資料，賦存巖層由下往上依次為：石灰?guī)r平均2.5 m，砂質(zhì)泥巖平均2.95 m，炭質(zhì)泥巖平均1.5 m，砂質(zhì)泥巖平均4.75 m，炭質(zhì)泥巖平均5.55 m，砂質(zhì)泥巖平均7 m，細(xì)砂巖平均3.65 m，砂質(zhì)泥巖平均3 m，煤層平均7 m。巖層近水平狀分布，節(jié)理裂隙發(fā)育，見(jiàn)圖1。

圖1 綜合柱狀圖 圖2 模型圖

該硐室主要用于起吊、組裝、維護(hù)大采高液壓支架。埋深400 m，設(shè)計(jì)斷面為直墻半圓拱，墻高5 m，半圓拱高5 m，斷面積89.29 m2，臨近無(wú)采區(qū)，不受工作面采動(dòng)影響。

1.2 地應(yīng)力條件

采用水壓致裂法進(jìn)行了該區(qū)域地應(yīng)力測(cè)量，地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果如表1：最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，其次為垂直應(yīng)力，水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力的比值為1.06～1.08之間，水平最大主應(yīng)力和垂直應(yīng)力相接近，無(wú)明顯構(gòu)造應(yīng)力作用。

表1 地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

2 大斷面硐室數(shù)值模型

本文采用離散元UDCE4.0數(shù)值模擬軟件，根據(jù)生產(chǎn)地質(zhì)條件，建立數(shù)值模型如圖2。

模型尺寸：寬×高=80 m×65 m，塊體劃分為0.5 m×0.5 m的塊體，模型底部邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定。材料本構(gòu)模型：煤層和頂?shù)装宀捎脩?yīng)變軟化模型，其余為摩爾—庫(kù)倫模型，側(cè)壓系數(shù)1.0。各巖層及接觸面具體參數(shù)如表2、表3；相同的巖性參數(shù)只列出了一個(gè)。

2.1 半圓拱和平頂硐室破壞形式對(duì)比

大斷面硐室的顯著特征是斷面大，為此斷面大成為了該條件下圍巖穩(wěn)定的主控因素[8-10]，為了說(shuō)明大斷面硐室在斷面增大條件下，圍巖破壞形式，根據(jù)前面建立的數(shù)值模型，設(shè)計(jì)如表4方案：

表2巖層力學(xué)參數(shù)

表3 節(jié)理力學(xué)參數(shù)

表4 半圓拱和平頂硐室對(duì)比方案

圖3 半圓拱硐室破壞形式

如圖3所示，隨著直墻半圓拱斷面的不斷增大，其破壞類型有以下特點(diǎn)：①相同的是頂板和兩幫的塑性區(qū)分布形態(tài)類似，即其破壞類型類似；②不同的是塑性區(qū)的深度和面積逐漸增大，即只是破壞程度和范圍增大了；③兩幫的破壞形式呈“不穩(wěn)定三角塊”滑移類型，頂板的破壞類型呈小范圍的“拱形”。

如圖4所示，不同斷面矩形硐室圍巖的破壞類型，①斷面較小(5 m×5 m ，6 m×6 m)時(shí)，兩幫的破壞類型呈“不穩(wěn)定三角塊”滑移類型”；隨著斷面的增大(7 m×7 m～10 m×10 m)兩幫的破壞類型逐漸轉(zhuǎn)化為了，“X”型共軛破壞；②頂板始終呈“拱形”破壞，隨著斷面的增大明顯增大。

通過(guò)以上對(duì)比分析可知：①拱形斷面頂板破壞范圍和深度均小于矩形斷面，矩形斷面頂板表現(xiàn)明顯的成拱破壞，頂板控制難度：拱形>矩形，且該難度隨著斷面增大急劇增大。②矩形斷面增大至一定程度后，其兩幫的破壞形式逐漸由不穩(wěn)定三角塊的滑移轉(zhuǎn)化為“X”型共軛破壞，而拱形斷面硐室的兩幫始終呈“不穩(wěn)定三角塊”滑移破壞特征?？梢?jiàn)，隨著斷面的增大矩形斷面的兩幫，表現(xiàn)出了明顯的復(fù)合結(jié)構(gòu)性破壞，兩幫的控制難度進(jìn)一步增大。綜上，拱形斷面硐室具有先天的圍巖穩(wěn)定性，破壞范圍小且破壞形式單一，比矩形斷面更容易穩(wěn)定。

3 半圓拱大斷面硐室變形特征

通過(guò)前面分析可知大斷面硐室半圓拱形比平頂?shù)木匦雾鲜揖哂邢忍旆€(wěn)定性。由于斷面硐室太大，且布置在泥巖(巖性軟弱)中，且隨著斷面的不斷增大后，圍巖變形特征也有待研究，為控制半圓拱形大斷面硐室指明方向。

圖4 矩形硐室破壞形式

為了進(jìn)一步研究半圓拱大斷面硐室變形特征，在硐室圍巖中四條測(cè)線：1#測(cè)線布置在頂板中，2#、3#測(cè)線布置在兩幫中，4#測(cè)線布置在底板中。

3.1 頂?shù)装遄冃翁卣?/h3>

隨著斷面增大，頂?shù)装遄冃吻€如圖5所示：

1、頂板下沉曲線和底臌曲線呈“指數(shù)”關(guān)系向圍巖深部逐漸降低，同一圍巖深度斷面越大，變形量越大；2、圍巖表面為最大變形量，隨著斷面增大，頂板最大下沉量和最大底臌量呈“線性”關(guān)系增加，斷面從寬5 m×墻2.5 m×拱2.5 m增加到寬10 m×墻5 m×拱5 m過(guò)程中，頂板最大下沉量從86 mm增加到了125 mm，底臌最大量從26 mm增加到了35 mm，頂板最大下沉量增加了39 mm，底臌量增加了9 mm。

a 頂板下沉曲線(1#測(cè)線) b 底臌曲線(4#測(cè)線)

3.2 兩幫水平和垂直下沉位移特征

幫部變形可分解為向開(kāi)挖空間的水平位移和垂直方向的下沉位移，本節(jié)主要分析這兩種運(yùn)動(dòng)隨硐室斷面增大的變化特征。具體如圖6所示：

a 幫水平位曲線(2#、3#測(cè)線) b 幫下沉位移曲線(2#、3#測(cè)線)

(1)幫水平位移曲線隨著兩幫深度的增加也大致呈“指數(shù)”關(guān)系降低，幫下沉曲線在幫一定圍巖深度處有明顯拐點(diǎn)； (2)幫淺部圍巖垂直方向位移量隨著斷面尺寸增大出現(xiàn)明顯的劇增；(3)幫最大水平位移和最大下沉量，斷面從寬5 m×墻2.5 m×拱2.5 m增加到寬10 m×墻5 m×拱5 m過(guò)程中，分別由94 mm增加到262 mm、54 mm增加到122 mm，分別增加了168 mm、68 mm?？梢?jiàn)，斷面增大后幫變形以水平擠入為主，而幫淺部下沉量增加程度明顯增大。

綜合以上對(duì)半圓拱形大斷面硐室變形特征分析可知：大斷面硐室變形主要以幫部的水平擠入和下沉為主，其變形量：幫水平變形>幫下沉量>頂板下沉量>底臌量。為此可知：隨著該類型大斷面的增大，其控制變形的重點(diǎn)是幫的水平變形和幫下沉。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)及“控頂先控幫原理”，可知：幫水平變形和下沉對(duì)頂板下沉也具有促進(jìn)作用，為此，當(dāng)把控幫當(dāng)成控頂?shù)南葲Q條件，幫的控制不僅是幫穩(wěn)定的問(wèn)題，同時(shí)關(guān)系到頂板的穩(wěn)定。

4 圍巖控制方法

4.1 表層噴漿封閉圍巖

為了防止表層圍巖風(fēng)化，可采用表層噴漿的方法封閉圍巖。其具體作用如下[11]：①采用噴漿可以保持圍巖的完整性；②噴漿可以及時(shí)地封閉圍巖，充填頂幫的巖石中裂隙或凹穴，提高圍巖強(qiáng)度；③當(dāng)圍巖被節(jié)理裂隙所切割形成局部不穩(wěn)定危巖活石時(shí)，及時(shí)噴漿，可以加強(qiáng)噴層與巖石的粘結(jié)力及抗剪強(qiáng)度；④當(dāng)圍巖噴漿后，隔絕了與空氣等的接觸，噴層與巖石緊密結(jié)成一體形成致密堅(jiān)實(shí)的混凝土防護(hù)層，起到防止圍巖風(fēng)化的作用。

4.2 兩幫及肩角注漿防止不穩(wěn)定三角塊滑落

通過(guò)前面分析可知，半圓拱形斷面硐室，其破壞形式是兩幫及肩角位置的塑性滑移，為此，該部位為該類型硐室支護(hù)的薄弱環(huán)節(jié)。要保持該類型硐室的穩(wěn)定應(yīng)首先提高幫部及肩角位置的穩(wěn)定性。采用注漿的手段，來(lái)提高幫部及肩角位置的穩(wěn)定性。注漿有以下機(jī)理[12-13]：①漿液固結(jié)體的網(wǎng)絡(luò)骨架作用：巷道圍巖的破壞條件由原裂隙弱面強(qiáng)度條件向接近巖體強(qiáng)度條件轉(zhuǎn)化；②提高圍巖裂隙面的變形剛度和抗剪強(qiáng)度；③提高錨固結(jié)構(gòu)錨固力；④轉(zhuǎn)變圍巖破壞機(jī)制：裂隙內(nèi)充滿固化材料或壓密后，由二向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài)，強(qiáng)度增大、脆性減弱、塑性增強(qiáng)，提高圍巖強(qiáng)度。

4.3 提高錨固承載結(jié)構(gòu)承載力

大幅提高圍巖自承能力是提高硐室圍巖穩(wěn)定性的最有效方法。常用的有兩種方法：①提高支護(hù)體的強(qiáng)度和剛度：選用錨桿時(shí)選擇性能優(yōu)越的錨桿，錨桿通過(guò)其軸向作用和橫向作用提高錨固體的峰值強(qiáng)度和峰后強(qiáng)度；②提高錨固體的厚度：錨固體厚度越后，主動(dòng)支護(hù)改變圍巖由受載體變?yōu)槌休d體的厚度越大，圍巖共同抵抗圍巖變形的能力越強(qiáng)。③為了調(diào)動(dòng)更多圍巖共同承載，在支護(hù)薄弱環(huán)節(jié)采用錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度和承載體厚度，形成錨桿支護(hù)內(nèi)承載圈和錨索支護(hù)外承載圈共同承載的承載結(jié)構(gòu)。

5 工程實(shí)踐

設(shè)計(jì)好硐室的方位后，可以根據(jù)該類型硐室具體的控制特點(diǎn)進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，如圖7所示。該案例的具體控制參數(shù)如下。

圖7 硐室支護(hù)圖

表5 注漿參數(shù)

5.1 控制參數(shù)

(1)噴漿參數(shù)：噴射混凝土：換裝硐室噴射混凝土厚度為150 mm，強(qiáng)度等級(jí)為C20。

(2)兩幫注漿參數(shù)：為進(jìn)一步保障換裝硐室圍巖完整性，確保硐室工程質(zhì)量，對(duì)井下?lián)Q裝硐室進(jìn)行注漿加固。采用氣動(dòng)單液注漿泵進(jìn)行注漿，注漿材料為：粘土水泥漿，具體參數(shù)如下表5所示。

在大斷面硐室圍巖中注漿的同時(shí)，還安裝有注漿錨索加固，注漿錨索：采用φ22 mm×8300 mm；強(qiáng)度為1 760 MPa，破斷力=420KN；中空注漿管內(nèi)徑φ7.5 mm，外徑φ10 mm；注漿壓力=5.0 MPa，最大7.0 MPa。

(3)內(nèi)、外承載圈支護(hù)參數(shù)：錨桿：全斷面采用φ22×3 000 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，間排距：800×800 mm；極限破斷力300 kN，屈服力225 kN，延伸率20%；托盤(pán)規(guī)格：150×150×12 mm；錨固劑：每根錨桿采用兩支錨固劑，一支規(guī)格為K2335，一支規(guī)格為Z2360。錨索：采用高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，拱部φ22×12 500 mm，幫部φ22×8 300 mm，間排距1 600×1 600 mm；極限拉斷力為400 kN，預(yù)應(yīng)力200 kN，承載力不低于40 t；托盤(pán)規(guī)格：300×300×16 mm；錨固劑：每根錨索采用三支錨固劑，一支規(guī)格為K2335，兩支規(guī)格為Z2360。

5.2 控制效果觀測(cè)

同期進(jìn)行礦壓觀測(cè)，結(jié)果：1、掘進(jìn)影響期內(nèi)頂?shù)装逑鄬?duì)最大移近速度6 mm/d，兩幫相對(duì)最大移近速度7 mm/d，10天左右實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)，變形速度降低，掘進(jìn)穩(wěn)定期內(nèi)變形速度降低到0.5～1 mm/d。2、拱頂下沉量84 mm，底板鼓起約20 mm，頂?shù)装逑鄬?duì)移近量104 mm，兩幫相對(duì)移近量137 mm。3、累計(jì)離層量3 mm。現(xiàn)場(chǎng)未出現(xiàn)錨桿、錨索拉斷，錨空失效，錨固力喪失等現(xiàn)象，頂板錨桿受力190 KN，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用完好。

6 結(jié)論

(1)硐室方位應(yīng)盡量與地應(yīng)力主水平應(yīng)力方位一致，可以減小地應(yīng)力對(duì)頂、底板和兩幫的破壞；

(2)矩形大斷面硐室隨著斷面的增大，兩幫的破壞逐漸由“三角塊”滑移變?yōu)椤癤”型共軛破壞，而拱形大斷面硐室兩幫始終表現(xiàn)為“三角塊”滑移破壞類型。

(3)采用巷幫注漿提高巷幫整體性，加大內(nèi)承載圈(錨桿支護(hù))和外承載圈(錨索支護(hù))的強(qiáng)度和剛度的方式控制圍巖，可有效的控制大斷面硐室圍巖變形和破壞。