某礦泵房硐室圍巖控制技術(shù)研究

陳佩東

(中國(guó)神華神東煤炭集團(tuán) 烏蘭木倫煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017205）

硐室是礦井安全生產(chǎn)的重要組成部分，具有斷面大且長(zhǎng)度小，多與其他硐室或巷道毗鄰，組成的硐室群系統(tǒng)復(fù)雜，自身結(jié)構(gòu)形狀多樣，受力狀態(tài)難以準(zhǔn)確分析，工程質(zhì)量要求高等特點(diǎn)[1，2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，硐室主要采取整體砌碹混凝土支護(hù)和錨噴支護(hù)兩種支護(hù)形式，然而隨著當(dāng)今采礦深度的增加和復(fù)雜地質(zhì)條件的出現(xiàn)，巷道、 硐室等井巷工程所處的圍巖力學(xué)環(huán)境愈加復(fù)雜，同時(shí)由于在生產(chǎn)實(shí)踐中對(duì)地質(zhì)采礦條件認(rèn)識(shí)不清等原因，致使硐室多出現(xiàn)變形破壞等現(xiàn)象，硐室支護(hù)問題較為突出，難以滿足硐室圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定性的要求[3～5]。因此，研究如何解決復(fù)雜地質(zhì)條件下硐室的支護(hù)難題具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

某礦42 采區(qū)泵房所處區(qū)域斷層和褶曲等地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，巖體完整性較差。已揭露的地質(zhì)資料顯示，泵房圍巖主要以泥巖為主，局部為灰?guī)r，且存在至少一條落差15m 左右的斷層，泵房頂板受滑移構(gòu)造影響強(qiáng)烈，如圖1 所示。42 采區(qū)泵房硐室群掘出后采用U36 型鋼棚支護(hù)，短期內(nèi)巷道出現(xiàn)嚴(yán)重變形。搭接卡纜普遍滑移，滑移量達(dá)到800mm 以上； 支架頂梁被壓平、擠尖，最大頂板下沉量超過1 000mm；支架多發(fā)生扭曲破壞，同時(shí)伴有強(qiáng)烈底臌，如圖2 所示。

圖1 泵房實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面

圖2 泵房硐室群變形特征

2 泵房圍巖松動(dòng)圈

圍巖松動(dòng)圈是井巷工程的固有特性，其發(fā)展過程中產(chǎn)生的碎脹力和破碎圍巖是巷道變形的主要原因，松動(dòng)圈越發(fā)育，巷道收斂變形越大，支護(hù)越困難，了解圍巖松動(dòng)圈有利于分析巷道圍巖的穩(wěn)定性[6，7]。泵房松動(dòng)圈測(cè)試一方面采用高精度地質(zhì)雷達(dá)從宏觀上反映巷道圍巖松動(dòng)圈的發(fā)育范圍及型態(tài)；另一方面，利用高清晰巖層探測(cè)記錄儀對(duì)巷道圍巖進(jìn)行鉆孔成像，從微觀上把握巷道圍巖內(nèi)的孔隙裂隙發(fā)育狀況，結(jié)合二者探測(cè)結(jié)果分析泵房圍巖松動(dòng)圈發(fā)育情況。

2.1 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試結(jié)果分析

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)圖像如圖3 所示，圖中橫坐標(biāo)14、26、42 處對(duì)應(yīng)巷道中電纜、連鎖等干擾點(diǎn)。可以看出巷道松動(dòng)圈厚度較為均勻，幫部與拱部最深連續(xù)發(fā)射時(shí)間約為40ns，電磁波在巖體中的傳播速度按0.1m/ns 計(jì)算，得出幫部與拱部松動(dòng)圈深度約2m。按同樣的計(jì)算方法得出底板裂隙深度為2.3～4m。

圖3 泵房地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)圖像

2.2 巖層探測(cè)儀測(cè)試結(jié)果分析

圖4 所示為鉆孔探測(cè)典型圖像。泵房測(cè)試斷面頂板、肩窩、幫中存在明顯裂隙的臨界深度分別為1.2m、2.5m、2.2m。

圖4 泵房鉆孔探測(cè)典型圖像

由上述分析可知，泵房右?guī)椭凉绊敚俚阶髱偷乃蓜?dòng)范圍接近，都在1.3～2.3m 范圍內(nèi)，拱頂處最小，受吸水井、配水巷及水倉的掘巷影響，泵房底板較為破碎，松動(dòng)范圍達(dá)到4m 以上。根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)圖像，結(jié)合鉆孔成像結(jié)果，繪制泵房松動(dòng)圈發(fā)育形態(tài)如圖5 所示。

松動(dòng)圈厚度Lp 是圍巖應(yīng)力p 與圍巖強(qiáng)度R 的函數(shù)，即Lp=f（p，R），大量相似模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，巷道的跨度（3m～5m）及支護(hù)強(qiáng)度（0.1MPa～0.2MPa）對(duì)松動(dòng)圈厚度影響不大[7]。當(dāng)厚度大于1.5m 時(shí)，巷道易發(fā)生破壞，尤其是使用被動(dòng)支護(hù)時(shí)巷道收斂變形嚴(yán)重。由上述松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果可知，泵房圍巖松動(dòng)圈兩幫和底板均大于1.5m，不利于泵房圍巖的穩(wěn)定性。

圖5 泵房圍巖松動(dòng)圈圖

3 構(gòu)造應(yīng)力對(duì)硐室圍巖應(yīng)力的影響

地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力以水平應(yīng)力為主，水平構(gòu)造應(yīng)力是影響巷道圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。下面通過改變側(cè)壓系數(shù)λ，模擬不同水平應(yīng)力作用下巷道圍巖塑性區(qū)的范圍，從而得到水平構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

3.1 數(shù)值模型

整個(gè)模型尺寸（寬×高）100m×100m，見圖6，模型上部邊界施加的載荷按埋深500m 計(jì)算，即上邊界應(yīng)力q=12.5Mpa；底部邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定； 材料選用Mohrcoulomb 模型；采用平面應(yīng)變模型，各巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

模擬方案為：分別模擬側(cè)壓系數(shù)λ=0.5、1.0、1.5、2.0、2.5，即側(cè)向壓力分別為6.25Mpa、12.5Mpa、18.75Mpa、25Mpa、31.25Mpa時(shí)巷道周邊塑性區(qū)分布狀況。

圖6 數(shù)值分析模型

巖性 層厚（m）容 重（Kg/m3）體積模量（GPa）剪切模量（GPa）內(nèi)摩擦角（°）粘聚力（MPa）砂巖 30 2500 8.0 5.0 35 2.0砂質(zhì)泥巖 20 2300 5.0 4.0 27 1.8泥巖 15 2200 5.0 4.0 27 1.5灰?guī)r 15 2600 33 14 45 3.0砂質(zhì)泥巖 20 2300 5.0 4.0 27 1.8

3.2 模擬結(jié)果分析

圖7 為用不同側(cè)壓系數(shù)時(shí)，水平構(gòu)造應(yīng)力條件下硐室圍巖塑性區(qū)分布圖。由圖可知，由于原巖水平應(yīng)力較高，圍巖巖性較差等因素，致使圍巖松動(dòng)圈較為發(fā)育；拉破壞單元出現(xiàn)在兩幫和底板，尤其是底板巖層中拉破壞單元尤為發(fā)育；不同側(cè)壓系數(shù)的塑性區(qū)范圍和形狀各異。具體分析為：當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為0.5 時(shí)，巷道塑性區(qū)主要分布在兩幫；λ=1.0 時(shí)，兩幫、頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍進(jìn)一步增大，且頂?shù)装鍑鷰r受剪應(yīng)力作用明顯；λ=1.5 時(shí)，塑性區(qū)繼續(xù)由兩幫向頂?shù)装鍑鷰r中轉(zhuǎn)移；當(dāng)λ 增加到2.0、2.5 時(shí)，一方面塑性區(qū)范圍大幅增大，另一方面剪應(yīng)力作用區(qū)進(jìn)一步由巷道兩幫向頂?shù)装逡约凹缃恰⒌亟寝D(zhuǎn)移。這也就是地質(zhì)構(gòu)造影響強(qiáng)烈，即水平應(yīng)力大的巷道，頂?shù)装迦菀壮霈F(xiàn)強(qiáng)烈剪脹變形的原因所在。

圖7 巷道周邊塑性區(qū)分布

4 附屬硐室對(duì)泵房圍巖應(yīng)力的影響

泵房硐室附近往往需開挖吸水井、 配水巷等附屬硐室，致使泵房硐室周圍巷道密集程度高，空間自由度增大，且巷道影響區(qū)域相互疊加，不利于硐室圍巖的穩(wěn)定性[9]。現(xiàn)通過數(shù)值模擬研究附屬硐室對(duì)泵房圍巖應(yīng)力的影響規(guī)律。

4.1 模型

該模型大小、邊界條件及圍巖力學(xué)參數(shù)與3.1 相同，根據(jù)實(shí)測(cè)地應(yīng)力資料，側(cè)壓系數(shù)取1.5。

4.2 模擬結(jié)果分析

圖8（a）顯示了吸水井、配水巷開挖后泵房周邊圍巖水平應(yīng)力場(chǎng)分布情況。由圖可知，吸水井開挖后導(dǎo)致泵房硐室周邊應(yīng)力降低區(qū)范圍變大，尤其是吸水井圍巖多處于應(yīng)力降低區(qū)，由于吸水井的存在導(dǎo)致泵房底板、 配水巷頂板較大范圍內(nèi)圍巖處于低應(yīng)力區(qū)。

圖8（b）顯示吸水井所在斷面圍巖塑性區(qū)范圍較大，且吸水井四周及配水巷頂部拉破壞單元較為發(fā)育，泵房幫部與配水巷頂部主要呈現(xiàn)剪應(yīng)力破壞，對(duì)圍巖穩(wěn)定性十分不利。圖8（c）顯示，由于吸水井的存在，硐室群間相互影響，導(dǎo)致硐室空間自由度增大，位移量增大，此時(shí)泵房底板與靠近吸水井一側(cè)、吸水井以及配水巷頂板與靠近吸水井一幫位移量較大，是巷道維護(hù)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

圖8 附屬硐室開挖對(duì)泵房的影響圖

5 支護(hù)方案

基于上述研究，決定對(duì)泵房幫頂采取棚—索協(xié)同支護(hù)技術(shù)；對(duì)底板采取錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)實(shí)踐。

5.1 幫頂支護(hù)

5.1.1 支架—圍巖耦合支護(hù)

U 型鋼棚支護(hù)參數(shù)為：型號(hào)為U36，棚距500mm，搭接長(zhǎng)度500mm，搭接部位使用3 付普通夾板卡纜，卡纜預(yù)緊力矩應(yīng)不低于300N·m，使用木頭椽子配合金屬網(wǎng)背板護(hù)表，金屬網(wǎng)規(guī)格為1 300mm×1 000mm。

U 型鋼支架壁后充填注漿技術(shù)，該支護(hù)技術(shù)一方面可以提高淺部破碎巖體殘余強(qiáng)度，增強(qiáng)圍巖體強(qiáng)度；另一方面有利于實(shí)現(xiàn)U 型鋼支架與圍巖耦合支護(hù)，改善支架受力狀況。注漿管間排距1 600×1 000mm，圖9 所示為泵房注漿管布置情況。注漿管選用1/2 英寸的中空螺紋鋼管，長(zhǎng)度1 300mm，注漿管末端600mm范圍內(nèi)鉆有Φ8mm 放射孔，以便漿液向四周擴(kuò)散，徑向孔距150mm。注漿液采用525# 水泥漿液，水灰比為0.6∶1～0.7∶1，注漿初始?jí)毫?MPa，終止壓力控制在2～3MPa。

圖9 泵房注漿孔布置參數(shù)

5.1.2 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

結(jié)構(gòu)補(bǔ)償錨索規(guī)格為Φ18.9×6 000mm，幫腳錨索距底板施工高度300mm，結(jié)構(gòu)補(bǔ)償錨索排距1 000mm。每孔使用4 支Z2350 樹脂錨固劑，理論錨固長(zhǎng)度2.26m，錨索預(yù)緊力不低于10t。

圖10 棚—索協(xié)同支護(hù)斷面圖

5.2 底板支護(hù)

泵房底板采用高強(qiáng)錨網(wǎng)索支護(hù)，錨桿支護(hù)在底板圍巖中形成組合梁結(jié)構(gòu)，再通過預(yù)應(yīng)力錨索錨固到深部穩(wěn)定巖體，實(shí)現(xiàn)深部巖體與淺部組合梁結(jié)構(gòu)共同承載，控制底臌。錨網(wǎng)索支護(hù)采用A、B 斷面相間布置，詳見圖11。

圖11 泵房底板支護(hù)平面圖

5.3 支護(hù)效果

泵房采用上述支護(hù)方案后一年時(shí)間內(nèi)，累積頂?shù)装逡平?5mm，兩幫移近量62mm，呈現(xiàn)出初期變形速度快、穩(wěn)定變形階段長(zhǎng)的特點(diǎn)。

圖12 泵房表面位移圖

6 結(jié)論

6.1 由于地質(zhì)構(gòu)造的影響，泵房硐室所處力學(xué)環(huán)境復(fù)雜，圍巖松動(dòng)圈范圍較大，塑性區(qū)較發(fā)育，巷道底板多為拉應(yīng)力區(qū)，兩幫及頂板受剪應(yīng)力作用明顯，巷道收斂變形量大。

6.2 附屬硐室的開挖使得泵房自由空間增大，圍巖極易發(fā)生塑性破壞，主要表現(xiàn)為泵房底板與靠近吸水井一側(cè)、吸水井以及配水巷頂板與靠近吸水井一幫變形嚴(yán)重。

6.3 在U 型鋼棚支護(hù)基礎(chǔ)上，采用注漿加固圍巖，并加以錨索對(duì)支架薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，能夠有效控制圍巖強(qiáng)烈變形。高強(qiáng)錨網(wǎng)索治底技術(shù)，控底效果顯著。

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