某礦泵房硐室圍巖控制技術研究

2014-08-12 05:55:50陳佩東

河南科技 2014年2期

陳佩東

(中國神華神東煤炭集團烏蘭木倫煤礦，內蒙古鄂爾多斯 017205）

硐室是礦井安全生產的重要組成部分，具有斷面大且長度小，多與其他硐室或巷道毗鄰，組成的硐室群系統復雜，自身結構形狀多樣，受力狀態難以準確分析，工程質量要求高等特點[1，2]。據統計表明，硐室主要采取整體砌碹混凝土支護和錨噴支護兩種支護形式，然而隨著當今采礦深度的增加和復雜地質條件的出現，巷道、硐室等井巷工程所處的圍巖力學環境愈加復雜，同時由于在生產實踐中對地質采礦條件認識不清等原因，致使硐室多出現變形破壞等現象，硐室支護問題較為突出，難以滿足硐室圍巖長期穩定性的要求[3～5]。因此，研究如何解決復雜地質條件下硐室的支護難題具有重要的理論意義和現實意義。

1 工程概況

某礦42 采區泵房所處區域斷層和褶曲等地質構造較復雜，巖體完整性較差。已揭露的地質資料顯示，泵房圍巖主要以泥巖為主，局部為灰巖，且存在至少一條落差15m 左右的斷層，泵房頂板受滑移構造影響強烈，如圖1 所示。42 采區泵房硐室群掘出后采用U36 型鋼棚支護，短期內巷道出現嚴重變形。搭接卡纜普遍滑移，滑移量達到800mm 以上；支架頂梁被壓平、擠尖，最大頂板下沉量超過1 000mm；支架多發生扭曲破壞，同時伴有強烈底臌，如圖2 所示。

圖1 泵房實測地質剖面

圖2 泵房硐室群變形特征

2 泵房圍巖松動圈

圍巖松動圈是井巷工程的固有特性，其發展過程中產生的碎脹力和破碎圍巖是巷道變形的主要原因，松動圈越發育，巷道收斂變形越大，支護越困難，了解圍巖松動圈有利于分析巷道圍巖的穩定性[6，7]。泵房松動圈測試一方面采用高精度地質雷達從宏觀上反映巷道圍巖松動圈的發育范圍及型態；另一方面，利用高清晰巖層探測記錄儀對巷道圍巖進行鉆孔成像，從微觀上把握巷道圍巖內的孔隙裂隙發育狀況，結合二者探測結果分析泵房圍巖松動圈發育情況。

2.1 地質雷達測試結果分析

地質雷達探測圖像如圖3 所示，圖中橫坐標14、26、42 處對應巷道中電纜、連鎖等干擾點?？梢钥闯鱿锏浪蓜尤穸容^為均勻，幫部與拱部最深連續發射時間約為40ns，電磁波在巖體中的傳播速度按0.1m/ns 計算，得出幫部與拱部松動圈深度約2m。按同樣的計算方法得出底板裂隙深度為2.3～4m。

圖3 泵房地質雷達探測圖像

2.2 巖層探測儀測試結果分析

圖4 所示為鉆孔探測典型圖像。泵房測試斷面頂板、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 泵房鉆孔探測典型圖像

由上述分析可知，泵房右幫至拱頂，再到左幫的松動范圍接近，都在1.3～2.3m 范圍內，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，松動范圍達到4m 以上。根據地質雷達探測圖像，結合鉆孔成像結果，繪制泵房松動圈發育形態如圖5 所示。

松動圈厚度Lp 是圍巖應力p 與圍巖強度R 的函數，即Lp=f（p，R），大量相似模擬試驗和現場實測表明，巷道的跨度（3m～5m）及支護強度（0.1MPa～0.2MPa）對松動圈厚度影響不大[7]。當厚度大于1.5m 時，巷道易發生破壞，尤其是使用被動支護時巷道收斂變形嚴重。由上述松動圈測試結果可知，泵房圍巖松動圈兩幫和底板均大于1.5m，不利于泵房圍巖的穩定性。

圖5 泵房圍巖松動圈圖

3 構造應力對硐室圍巖應力的影響

地質構造應力以水平應力為主，水平構造應力是影響巷道圍巖穩定性的關鍵因素之一。下面通過改變側壓系數λ，模擬不同水平應力作用下巷道圍巖塑性區的范圍，從而得到水平構造應力對巷道圍巖穩定性的影響規律。

3.1 數值模型

整個模型尺寸（寬×高）100m×100m，見圖6，模型上部邊界施加的載荷按埋深500m 計算，即上邊界應力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；采用平面應變模型，各巖層物理力學參數見表1。

模擬方案為：分別模擬側壓系數λ=0.5、1.0、1.5、2.0、2.5，即側向壓力分別為6.25Mpa、12.5Mpa、18.75Mpa、25Mpa、31.25Mpa時巷道周邊塑性區分布狀況。

圖6 數值分析模型

巖性層厚（m）容重（Kg/m3）體積模量（GPa）剪切模量（GPa）內摩擦角（°）粘聚力（MPa）砂巖 30 2500 8.0 5.0 35 2.0砂質泥巖 20 2300 5.0 4.0 27 1.8泥巖 15 2200 5.0 4.0 27 1.5灰巖 15 2600 33 14 45 3.0砂質泥巖 20 2300 5.0 4.0 27 1.8

3.2 模擬結果分析

圖7 為用不同側壓系數時，水平構造應力條件下硐室圍巖塑性區分布圖。由圖可知，由于原巖水平應力較高，圍巖巖性較差等因素，致使圍巖松動圈較為發育；拉破壞單元出現在兩幫和底板，尤其是底板巖層中拉破壞單元尤為發育；不同側壓系數的塑性區范圍和形狀各異。具體分析為：當側壓系數為0.5 時，巷道塑性區主要分布在兩幫；λ=1.0 時，兩幫、頂底板塑性區范圍進一步增大，且頂底板圍巖受剪應力作用明顯；λ=1.5 時，塑性區繼續由兩幫向頂底板圍巖中轉移；當λ 增加到2.0、2.5 時，一方面塑性區范圍大幅增大，另一方面剪應力作用區進一步由巷道兩幫向頂底板以及肩角、地角轉移。這也就是地質構造影響強烈，即水平應力大的巷道，頂底板容易出現強烈剪脹變形的原因所在。

圖7 巷道周邊塑性區分布

4 附屬硐室對泵房圍巖應力的影響

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，且巷道影響區域相互疊加，不利于硐室圍巖的穩定性[9]?，F通過數值模擬研究附屬硐室對泵房圍巖應力的影響規律。

4.1 模型

該模型大小、邊界條件及圍巖力學參數與3.1 相同，根據實測地應力資料，側壓系數取1.5。

4.2 模擬結果分析

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

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

圖8 附屬硐室開挖對泵房的影響圖

5 支護方案

基于上述研究，決定對泵房幫頂采取棚—索協同支護技術；對底板采取錨網索支護技術實踐。

5.1 幫頂支護

5.1.1 支架—圍巖耦合支護

U 型鋼棚支護參數為：型號為U36，棚距500mm，搭接長度500mm，搭接部位使用3 付普通夾板卡纜，卡纜預緊力矩應不低于300N·m，使用木頭椽子配合金屬網背板護表，金屬網規格為1 300mm×1 000mm。

U 型鋼支架壁后充填注漿技術，該支護技術一方面可以提高淺部破碎巖體殘余強度，增強圍巖體強度；另一方面有利于實現U 型鋼支架與圍巖耦合支護，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，長度1 300mm，注漿管末端600mm范圍內鉆有Φ8mm 放射孔，以便漿液向四周擴散，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，注漿初始壓力1MPa，終止壓力控制在2～3MPa。