新集一礦大斷面硐室圍巖控制技術應用研究

張友博

（中煤能源集團，北京 100120）

1 工程概況

國投新集能源股份有限公司新集一礦位于安徽省淮南市，位于淮南煤田潁鳳勘探區(qū)中部，距鳳臺城西17km處。井田走向長6.85km，南北寬3.65km，井田面積為24.5km2。新集一礦井田范圍內(nèi)可采煤層為11層，其中13-1、11-2、8、6-1煤是礦井目前的主采煤層，采用單一水平開采。井底車場位于13-1#煤層，平均埋深約為280m。13-1#煤層直接頂為泥巖，厚度4.96～11.79m，平均厚度8.43m，灰黑色，致密塊狀；基本頂為中細砂巖、石英砂巖，堅硬，層理發(fā)育；直接低為淺棕灰色泥巖，厚度1.64～6.64m，平均厚度4.27m。水泵房硐室附近為立體巷道最密集的區(qū)域，主排水泵房設計斷面如圖1所示。巷道斷面尺寸：寬×高=6100×7500mm，巷道斷面面積達45.75m2，為井下硐室中最大的，并且由于立體硐室集中，水泵房硐室容易出現(xiàn)應力集中程度過高、圍巖穩(wěn)定性差及底鼓嚴重等問題。因此，以新集一礦主排水泵房的圍巖支護為工程背景展開相關的研究非常重要。

圖1 主排水泵房位置和斷面詳情

2 主排水泵房硐室圍巖結構穩(wěn)定性數(shù)值分析

結合該礦13-1#煤層具體的地質(zhì)條件，采用FLAC3D模擬軟件[1-2]，建立主排水泵房三維數(shù)值模型。如圖2（a）所示，井底車場硐室簡化為水泵房和內(nèi)、外水倉，模型尺寸長×寬×高=100×40×60m，水泵房斷面為直墻半圓拱，支護后凈寬5.2m，直墻高4m，拱矢高2.6m，整個模型的巖體選用摩爾—庫倫理想彈塑性模型。模型邊界條件：模型前后和左右邊界在水平方向為固定約束，模型底部為固支約束，上部邊界等效載荷q=γh，根據(jù)13-1#煤層平均埋深模型頂部施加垂直方向的均布載荷為7.125MPa。模擬的過程為：首先進行水泵房的開挖模擬，在沒有支護的條件下、錨網(wǎng)索+襯砌支護條件下及圍巖注漿加固條件下進行內(nèi)、外水倉的開挖，觀察不同條件下水泵房圍巖的位移情況。采用錨網(wǎng)索+襯砌支護時，頂板和兩幫錨桿采用直徑22mm、長度2400m的高強錨桿，錨桿間排距800×800mm，錨桿預緊力80kN；頂板錨索采用直徑20mm、長度8000mm的鋼絞線，錨索間排距1600×1600mm，兩幫錨索長度5000mm，間排距同樣為1600×1600mm。錨桿錨索的布置詳見圖2（b）。噴漿及襯砌支護厚度400mm。模擬圍巖注漿加固時，現(xiàn)對水泵房施加錨網(wǎng)索+襯砌支護，再圍繞水泵房硐室周圍建立注漿加固殼，注漿加固殼的厚度為2～5m，注漿材料采用快硬水泥。

圖2 數(shù)值模型示意圖

在無支護的條件下水泵房硐室垂直位移如圖3（a）所示，頂板下沉量達0.51m，底板底鼓量最大為0.25m；水平位移情況如圖3（b）所示，左幫變形量最大為0.51m，右?guī)妥畲笞冃瘟繛?.49m，兩幫的移近量達1.0m。采用錨網(wǎng)索+襯砌支護條件下水泵房硐室圍巖的垂直位移如圖3（c）所示，頂板下沉量可達0.258m，底鼓最大為0.19m；水平位移如圖3（d）所示，左幫水平位移最大為0.15m，右?guī)退轿灰谱畲鬄?.14m，兩幫移近量約為0.3m，頂?shù)装逡平考s為0.45m。與無支護條件下相比，圍巖的位移量明顯減小，但是由于采用襯砌支護，圍巖的這些位移，會造成硐室圍巖表面的片幫、破碎及漿層的開裂，支護強度仍不足。在錨網(wǎng)索+襯砌+注漿加固支護條件下，圍巖的位移情況如圖3（e）所示。當注漿范圍為2m時，兩幫移進量為0.22m，頂板下沉量為0.1m，底板底鼓量為0.12m，相對于錨網(wǎng)索+襯砌支護，圍巖位移量明顯減小；而當注漿加固的范圍在2～5m間變化時，注漿的范圍由2m增加到3m，圍巖的位移量減小最為明顯；注漿范圍為3m時，兩幫移進量為0.16m，頂板下沉量為0.07m，底板底鼓量為0.09m，圍巖穩(wěn)定性良好。因此確定主排水泵房硐室支護方案為錨網(wǎng)索+襯砌+注漿加固聯(lián)合支護。

圖3 不同支護條件下圍巖穩(wěn)定性模擬結果

3 主水泵房圍巖控制技術

根據(jù)以上數(shù)值模擬和理論分析的結果，并考慮到主排水泵房的服務年限，設計錨網(wǎng)噴+桁架+襯砌進行圍巖的支護[3-4]。頂板和兩幫錨桿采用直徑為22mm、長度為2400mm的硬質(zhì)螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800×800mm，采用三花布置，錨固劑為兩支CK2360樹脂藥卷，鋼筋網(wǎng)由直徑6m光圓鋼焊制。頂板和兩幫的錨索直徑均20mm，頂板錨索長度8000mm，兩幫錨索5000mm，頂板每排三根錨索，間排距1600×1600mm，兩幫每排兩根錨索，間排距與頂板錨索相同，錨固劑為一根CK2360（孔底）、一根CK2360（孔口）樹脂錨固劑。立體式工字鋼桁架采用GB10號工字鋼，夾板連接件加工材料為16mmA3鋼板，連接件間采用M20×70mm螺栓連接，桁架排距為1600mm。水泵房襯砌采用水泥混凝土，噴漿及襯砌支護厚度400mm。主水泵房支護斷面如圖4（a）所示。

主排水泵房注漿孔的布置如圖4（b）所示。注漿錨桿采用直徑為20mm、長度為1000mm的冷拔無縫鋼管制成，注漿孔沿錨桿底端間隔200mm呈十字交錯布置，共三個注漿孔，孔徑為6mm，每個注漿斷面共布置9個注漿錨桿，注漿材料為525硫鋁酸鹽水泥，漿液水灰比為1:1，頂板注漿終孔壓力1.5MPa，兩幫注漿壓力2.0MPa。

圖4 主排水泵房硐室支護方案示意圖

4 主排水泵房支護效果

為考察新集一礦一水平主排水泵房硐室采用錨網(wǎng)噴+桁架+襯砌支護及圍巖注漿加固的效果，主水泵房施工完畢后布置4個表面位移觀測站進行圍巖位移觀測，測站間距離為10m，整理得到兩幫變形和頂?shù)装遄冃吻€分別如圖5所示。由圖示可知，主水泵房硐室圍巖發(fā)生明顯位移變形為支護完成后的前兩個月，在此之后圍巖位移保持不變。B2測站附近兩幫移近量達到最大為23mm，頂?shù)装逡平吭贐4測站附近達到最大為24.5mm。圍巖位移監(jiān)測結果表明，所采取支護方案支護效果良好，能夠保證主水泵房硐室的長期穩(wěn)定。

圖5 現(xiàn)場圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測結果

5 結論

新集一礦一水平主排水泵房硐室位于硐室集中區(qū)，并且硐室斷面較大，支護起來較困難，通過數(shù)值模擬、理論分析等方法，確定其支護方案為錨網(wǎng)噴+桁架+襯砌及圍巖注漿聯(lián)合支護方式，確定合理的注漿范圍為3m，設計了具體的支護參數(shù)。現(xiàn)場應用后進行了圍巖位移監(jiān)測，主排水泵房硐室兩幫移近量最大為23mm，頂?shù)装逡平孔畲鬄?4.5mm，圍巖長時穩(wěn)定性良好，所采取的支護措施支護效果良好。