軟巖硐室失穩機理和控制原則研究

徐向南

（山西東莊煤業有限公司，山西 長治 046308）

軟巖硐室失穩機理和控制原則研究

徐向南

（山西東莊煤業有限公司，山西 長治 046308）

為了解決軟巖硐室圍巖大變形問題，采用理論分析和數值模擬方法，分析了軟巖硐室圍巖失穩機理、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，實測效果明顯。

軟巖硐室；失穩機理；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，是井下巷道維護的難點和重點[1-2]。軟巖硐室，由于硐室圍巖流變性強、自穩和支撐能力差，在服務期間持續出現嚴重底臌、兩幫內移等變形破壞。研究軟巖硐室失穩機理和控制措施，能有效減小硐室變形和返修維護費用，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，采用數值模擬和理論分析方法，研究了軟巖硐室變形規律、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；單軸抗壓強度平均6.1 MPa，屬軟巖。直接頂為泥巖、砂質泥巖和粉砂巖，直接頂厚1.03 m～10.80 m，平均9.36 m；砂質泥巖單軸抗壓強度平均22.4 MPa，屬軟-中硬巖。老頂為穩定的厚層狀中粒砂巖、細粒砂巖和粉砂巖，厚2.60 m～13.00 m，平均11.98 m；中粒砂巖的單軸抗壓強度平均79.4 MPa，屬硬巖。底板以泥巖和砂質泥巖為主，局部為粉砂巖或細砂巖；砂質泥巖單軸抗壓強度平均25.7 MPa，屬中硬巖。頂底板巖性特征，如表1所示。

表1 頂底板巖性特征表

4號煤變電所硐室為矩形，沿煤層頂板掘進，掘進面尺寸（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 硐室失穩機理

三采區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，煤體強度低、抵抗變形能力差，出現兩幫及頂底板內移嚴重，墻體開裂、噴層脫落，嚴重威脅變電所功能實現和使用安全。結合硐室賦存特性、采動作用和支護參數分析，影響硐室穩定性的因素有：a.硐室處于煤層中，頂底板巖性多為泥巖、砂質泥巖，強度低，自持能力差，易流變；b.硐室埋深大，地應力大，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、推進速度快，頂板活動空間大、礦壓顯現劇烈，靠近工作面側硐室圍巖變形量明顯大；d.現有支護強度不足，金屬網鋼筋太細、錨固長度不足、幫錨索和底板約束缺失。

3 影響因素分析

對硐室穩定性影響因素很多，選取保護煤柱尺寸和埋深作為研究對象。根據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?。豁鲜翼數装逡平看笥趦蓭椭担幻褐叽绯^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，即硐室保護煤柱留設尺寸有合理區間。

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；硐室頂底板移近量大于兩幫值，差值不明顯，埋深達到600 m時，頂底板和兩幫移近量達到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

根據硐室圍巖屬性和失穩機理分析及影響因素的數值模擬研究結果，提出以下軟巖硐室圍巖控制原則和方法：

1）淺部圍巖：強力組合錨索，采用φ14 mm螺紋鋼焊接網+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 控制效果實測分析

4402和4404工作面布置在硐室左幫側采區，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時監測結果。

表2 加固前后硐室位移值 mm

受采動影響硐室左側圍巖明顯大于右側，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%，對應左側幫為50.84 mm、右側幫為35.58 mm；加固后頂底板和兩幫移近量變小，最大為86.42 mm，滿足使用要求，硐室圍巖控制效果明顯。

6 結論

1）變電所硐室位于煤層中，頂底板多泥巖、砂質泥巖，圍巖強度低、具有顯著的流變性，使用期間變形嚴重，符合軟巖硐室特征。

2）分析硐室失穩機理，認為軟巖剛度低、埋深大、回采動壓作用及支護強度不足是主要因素。

3）數值模擬認為，硐室保護煤柱尺寸越大、圍巖變形越小，頂底板移近量大于兩幫值；埋深越大，硐室圍巖應力越大、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，實測效果明顯。

[1]王峰，余慶，張建.深部大斷面軟巖硐室支護技術優化及應用[J].煤炭科學技術,2016,44（2）:133-138,143.

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

[3]王霄，時吉賀，高飛.深部軟巖硐室二次支護技術研究[J].能源技術與管理,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定性分析[J].中國礦業大學學報，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，山西武鄉人，大學本科，工程師，從事煤礦開采技術、煤礦防治水技術、煤礦瓦斯治理技術工作。