软岩特大断面硐室卸压支护技术研究.pdf

煤炭工程 2 0 1 3年第 2期 软岩特大断面硐室卸压支护技术研 究 赵术江 ，袁 越 ，李东发。 1 ．中国矿业大学 北京力学与建筑工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ．中国矿业大学 北京深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京1 0 0 0 8 3 ； 3 ．国网能源和丰煤电有限公司，新疆 和布克赛尔8 3 4 4 1 1 摘要 为了解决软岩特大断面硐 室变形大、围压大、难支护的问题 ，以沙吉海煤矿仓顶硐 室为工程背景，根据其工程地质条件和围岩 自身的特点，借助 F L A C 有限差分程序进行 了传统 支护下的数值计算 ，结合软岩工程力学理论及室内物化试验结果，深入分析 了仓顶硐 室的破坏机 理，提 出了 “ 恒阻大变形锚网索 -4 - 刚柔层 底角锚杆”耦合 支护的力学控制对策。通过 “ 恒阻 大变形卸压锚杆 4 - 刚柔层” 支护的双重让抗体 系，以适应 围岩产生的大变形 ，卸掉过高的非线 性膨胀能 ，同时支护 系统又具有足够的工作 阻力，限制 围岩产生破坏性变形，进而达到 围岩一支 护变形协调 、保证工程稳定的 目的。实践表 明，该支护技术有效地控制 了软岩特 大断面硐室围岩 的大变形破坏，取得 了良好的支护效果。 关键词 软岩；特大断面硐室；卸压支护 ； 中图分类号T D 3 5 4 文献标识码 A 软岩问题从 2 0世纪 6 0年代起就作为世界性难题被提 出来，特别是煤矿软岩问题一直是困扰煤矿生产与建设的 重大难题之一_ l 。目前，对于软岩大断面硐室的支护普遍 仍然采用锚网、锚网索、锚注或是架棚等中的一种支护或 联合支护形式 ，但是 由于特大断面软岩硐室跨度大、 高度大、开挖空间大，加上围岩性质差、构造复杂等不利 因素 ，使得其整体稳定性差、变形量大、围压大、难支护， 采用上述支护难以奏效。一般而言 ，特大断面硐室都是矿 井生产 过程 中 比较 重要 的环节 ，可 视 为 “ 心脏 工程 ” ，因 此 ，解决好此类特大断面硐室的支护问题对于煤矿的安全 生产 具有重要 的现 实意义。本 文结合新疆 沙吉海煤矿 5 5 0 m 水平井底煤仓上部胶带卸载硐室 仓顶硐室 的具体 工程 ，探讨软岩特大断面硐室的变形破坏机理，研究其支 护对策，并通过现场工业性试验证明所提出的支护技术的 有效性与合理性。 1 工 程概 况 沙吉海煤矿位于新疆准西北煤田，煤矿一期规划产能 为5 0 0万 t ／ a ，整体规划为 1 0 4 0万 t ／ a 。井田采用两斜井一 立井的综合开拓方式 主、副井为反斜井 ，三个水平开拓， 第一水平井底车场位于 5 5 0 m水平。 5 5 0 m 水平井底煤仓 上部胶带卸载硐室 仓顶硐室 设计长度 1 3 m，断面形状为 直墙半圆拱，与一采区运输石门、煤仓检修平巷、井底煤 仓 直径 1 1 m 相连，掘进断面面积为 9 2 m ，跨度 1 3 m，高 7 2 巨阻大变形锚杆 ；数值分析 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 3 0 2 - 0 0 7 2 -04 度7 ． 5 m，属于典型的特大断面硐室，其平面布置图如图 1 所示 。 仓顶硐室 墨 面 墨 衄目 Jl Ii／I L 重输 石 门 ＼巷 道 中 心 线 ∥ 1 ＼ ＼ ‘ f f 广 J 7 7 厂 图 1 仓顶硐室平面布置 图 巷 沙吉海煤矿仓顶硐室位于位于中生界侏罗系地层 中， 成岩性质相对较差，岩层倾角 1 2 。 ～1 6 。 ，片理、层理明显， 结构面强 度低 。围岩 岩性 以 中砂 岩 、粉 砂质 泥 岩 和砂岩 、 砾石互层为 主 ，普 氏系数均 小于 2 ，其 中 中砂 岩为 砂状 结 构 ，薄层一 中厚层状构造 ，层理 、节 理发育 ，多泥质充填 ， 岩石极软；泥质岩石含较多的膨胀性粘土矿物，开挖揭露 后 ，极易风化、膨胀，遇水软化、泥化和崩解 ；砂岩与砾 石互层胶结性差、结合力弱、整体强度极低，因此，硐室 围岩具有软弱、松散、膨胀性强的特性。矿井含水形式为 孔隙水 、微裂隙水，含水层厚度较大，根据现场水文勘测， 掘进工 作 面 涌 水 量 可 达 4 0 m ／ h ，对 围 岩 的 稳 定 性 极 为 不利。 收稿 日期 2 0 1 2 0 91 4 作者简介赵术江 1 9 6 9一 ，男 ，山东诸城人，博士，高级工程师，长期从事软岩巷道支护等方面的研究。 煤炭工程 2 0 1 3年第 2期 开挖暴露后，极易风化、软化，使得软弱围岩的强度进一步 降低。另一方面，在矿井涌水的作用下，泥质软岩中具有膨 胀潜能的粘土矿物急剧膨胀，造成硐室变形量显著增大，稳 定性大幅度降低 ，加上支护体受不均匀的围岩附加膨胀应 力作用，最终导致支护失效及硐室失稳。 2 传统支护形式不合理。通过采用数值模拟对仓顶硐 室在传统支护下的计算分析可知，普通 “ 锚网 浇筑混凝 土”不能满足硐室稳定性控制的需要 ，主要是因为普通锚 网的锚固深度有 限 ，主动支 护强度也 显得 不足 ，因而无 法 限制围岩产生较大的变形。另外，由于普通锚网的延伸率 比较小 ，不 能适 应 围岩 的大 变形 ，从 而 导致 锚 杆 的断裂 、 屈服、失效。同时，混凝土碹体为刚性被动支护，刚度很 大，可缩性差，要等到围岩发生一定的变形时才发挥其主 要的承载力 ，若变形量较大或浅部岩体存在局部拉剪应 力高度集中时，碹体随即开裂、脱落，造成支护结构失稳。 总而言之，因锚网一碹体的协 同承载程度不足，围岩一支 护没有达到较好的耦合状态，导致无法保证硐室的稳定。 3 底板稳定性差。硐室底板岩层为砂质泥岩，底板时 常出现积水，在水岩耦合作用下，使得底板膨胀鼓起、应变 软化，次生裂隙增多，导致积水入渗到深部岩体，进而导致 更大范围的底鼓 ，因此 ，底板岩层进入一个变形 的恶性循环 中。同时，硐室开挖空间大，底板泥质岩层暴露面积大，将 加剧底板塑性区的发展。另外值得注意的是，由于硐室帮顶 的压力较大，容易在底角部位形成高度剪切应力集中，造成 底部岩体剪切塑性滑移， 表现出显著的底鼓大变形。 4 开挖扰动影响。对于硐室群的开挖过程是一个交替 加、卸荷过程及二者叠加作用的力学行为，新开巷道的开 挖对已施工巷道围岩会产生偏应力的局部高度集中，引起 塑性区面积增大，破坏其稳定性。仓顶硐室在竖向、水平 向均有硐室与其相接，空间效应对其稳定性影响较大 ，尤 其是与井底煤仓的连接部位出现了较为明显的变形和应力 集中，这一点已在数值分析中得到了验证。因此，在支护 设计中必须考虑对该部位进行补强支护。 3 支护对策及支护设计 3 ． 1 支护对 策 根据以上对仓顶硐室围岩变形破坏特征及破坏机理的深 入分析，针对其整体稳定性差、变形量大、围压大、难支护 的特点，结合特大断面硐室地质力学条件，提出 “ 恒阻大变 形锚网索 刚柔层 底角锚杆”耦合支护的力学控制对策。 1 恒阻大变形卸压锚杆 索 。通过上述分析可知 ，仓 顶硐室围岩膨胀性强、围岩应力大、强度较低，因此，须 考虑采用一种既具有较高支护强度、工作阻力，又能产生 较大变形的支护结构，从而限制围岩初期产生破坏性变形， 充分保持原岩强度，控制塑性圈的快速发展；同时，通过 支护结构自身的变形以适应 围岩的大变形 ，充分释放围岩 膨胀能、塑性能，达到卸压的目的。恒阻大变形锚杆 索 7 4 恰好完美的融合了这两项功能 ，当硐室围岩发生大变形 时，通过卸压装置可以自动延伸，并且在此变形过程中能 保持较高的恒定工作阻力，因此 ，采用恒阻大变形卸压锚 杆 索 进行支护不仅能够吸收围岩能量，而且在围岩大变 形条件下仍然具有很好的支护作用以保证巷道的稳定。 2 刚柔层支护。刚柔层支护是在柔性喷层和钢架之间 预留一定量的变形间隙，以适应 围岩产生的大变形，卸掉 过高的非线性膨胀能，同时在刚柔层相接时又具有足够的 刚度抵抗围岩过大 的有 害变形 ，达到 围岩一支护 变形协 调 以及让抗结合的目的 J 。在实际施工中采用 U 2 9型钢支架， 加强架间的刚性连接，以保证足够的刚度。 3 底角锚杆。通过打设底角锚杆，减弱两底角的应力 集中程度，以控制底角围岩塑性区的发展，并有效切断来 自两侧的高应力塑性滑移线，削弱来 自两帮的挤压应力， 减小底鼓分量，从而保证了硐室底板的稳定 J ，同时对井 底煤仓连接部位的稳定也起到了积极作用。 3 ． 2支护设计 硐室 断 面设 计 形 状 为 直 墙半 圆拱，掘 进 断 面 为 1 3 0 0 0 m m 7 5 0 0 m m，净断面为 1 2 0 0 0 m m 6 8 m m。支护形 式为 “ 恒阻大变形锚网索喷 底角锚杆 刚柔层”耦合支 护 。支护材料及参数 1 锚 杆 采 用 O 2 2 m m 恒 阻 大 变 形 锚 杆 ，长 度 2 7 0 0 mm，间排距 7 0 o m m7 0 0 mm，平行布置。锚杆采用树 脂药卷端头锚 固，树脂锚固剂用量为 2支，型号 C K 2 8 5 0 。 锚杆均使用配套标准螺母紧固，预紧力不小于8 t 。 2 锚索锚索为 O1 5 ． 2 4 m m恒阻大变形锚索，锚索设 计长 度 为 8 0 0 0 m m；锚 索采 用 平行 方式 布 置，排距 为 2 1 m m，间距为 1 6 0 0 mm；采用 内部 1根 C K 2 3 5 0，外部 3 根 K 2 3 5 0树脂药卷端头锚固。 3 金属网采用 0 6 ． 5 m m钢筋焊接而成，网片尺寸根 据断面现场确定，网格尺寸 1 0 0 m m1 0 0 mm。 4 喷层喷射混凝土强度等级为 C 2 0 ，内掺防水剂。 5 底角锚杆采用 t l - 8 m m 3 7 m m无缝钢管，内插 Ol 8 m m3 5 mm的普通螺纹钢，间排距 7 0 0 m m7 0 0 m m， 并加压注水泥浆，平行布置。 6 钢架采用 U 2 9型钢五合一组合而成，搭接长度为 5 0 0 m m，棚距为5 0 0 m m，相邻棚之间采用8 槽钢进行加密刚性 连接，并且钢架与柔性喷层之间预留l m r n 的变形空间 。 4工程应用效果 为了验证所提出的新型支护形式在软岩特大断面硐室 支护应用的有效性及合理性，及时掌握围岩位移的运移规 律，及早发现工程隐患，以确保工程稳定，同时也为进一 步优化支护参数提供科学依据，在仓顶硐室布置了2组围 岩表面位移观测站，其平面位置布置及测点断面布置如图 9 1 0 所示。经过为期3个多月的现场实地位移量测，并进 行了数据整理，最终监测成果为表面累计位移 U ～时间 2 0 1 3年第 2期 煤炭工程 7 1 关系曲线 ，如图 1 1～1 2所示。 ①测站 ②测站 运输石门 ／ ／ 检 修 平 巷 ／ ， ／ ／ ， ／ ， l l。 ， I I 图 9 位移测 站平面布置示意图 从图 1 11 2可 以 看出 ，硐 室围岩变形可 分为缓慢变形 、加速变 形和 变 形 稳 定 三 个 阶 段。由于受到恒阻大变 形锚网索支护比较高的 工作阻力限制，围岩变 形在第一阶段很小；而 A B 0 ＼ 、 、 ／ 、 ／ ＼ ， ／ C D 图 1 O 测点断面布置示意 图 进入到第二阶段 2 7 6 2 d ，随着围岩压力增大，岩体内部 的膨胀势和塑性势激增，此时，锚杆的卸压装置以产生相 对位移的形式充分释放围岩能量，故此阶段变形较为明显； 围岩变形释放后，锚杆拉力调整到某一个低于其恒阻值的 水平，于是在锚杆高阻及刚性层的作用下 ，围岩变形逐步 稳定。从底鼓变形情况来看 ，因仓顶硐室开挖空间大 ，底 部泥质岩石暴露面积大，在顶部淋水作用下，诱发 了底板 的膨胀机制，但总底鼓量较小。 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 T| a 监测起始 2 0 1 2 ．3 ．2 8 累计监 J] 8 5 d 图l 1 测站①U t 关系曲线 T／ d 监测起始 2 0 1 2 ． 3 ．2 8累计监测8 5 d 图 1 2 测站②U～ t 关系曲线 现场监测结果表明，硐室两帮总移近量最大值为 6 7 m m， 顶板最大下沉量为 5 0 m m，底鼓最大值为 4 2 m m，说 明仓顶硐室围岩变形控制效果显著，取得了成功的应用。 5结论 1 数值计算结果表明，仓顶特大断面硐室两帮及其与 煤仓的连接部位位移较大、应力集中程度较高，采用传统 的普通 “ 锚网 浇筑混凝土”的支护形式不能有效控制 围 岩的稳定 。 2 硐室围岩软弱、膨胀性强，在水的作用下强度进一 步恶化，并产生较大的膨胀附加应力 ，使得 围岩压力大、 变形大，硐室的稳定难以控制 ，因此，围岩岩性差是硐室 失稳 的主要原因之一。 3 在深入分析硐室围岩变形破坏机理的基础上，结合 特大断面硐室地质力学条件，提出了 “ 恒阻大变形锚网索 刚柔层 底角锚杆”的耦合支护力学对策。 4 采用 “ 恒阻大变形卸压锚杆 索刚柔层”支护 的双重让抗体系，不仅能够较好的适应围岩产生的大变形 ， 卸掉过高的非线性膨胀能，同时支护系统又具有足够的刚 度、工作阻力，限制围岩产生破坏性变形，进而达到围岩 一 支护变形协调、保证工程稳定的目的。 5 工程实践表明，该支护技术有效地控制了软岩特大 断面硐室围岩的大变形破坏，取得了良好的支护效果，具 有较大的推广应用价值。 参考文献 何满潮 ，孙晓明．中国煤矿 软岩巷道工程 支护设计 与施工 指南 [ M] ．北京 科学 出版社 ，2 0 0 4 ． 李大伟 ，侯朝炯．低强度软岩巷道大 变形围岩稳定 控制试 验研究 [ J ] ．煤炭科学技术 ，2 0 0 6，3 4 3 3 6～ 3 9 ． 何满潮 ，李国峰 ，王炯 ，等．兴安矿 深部软岩巷 道大面 积高 冒 落 支 护 设 计 研 究 [ J ] ．岩 石 力 学 与 工 程 学 报 ， 2 0 0 7，2 6 5 9 5 9～9 6 4 ． 王 金华．我 国煤巷 锚杆 支护 技术 的新 发展 [ J ] ．煤 炭学 报 ，2 0 0 7，3 2 2 1 1 3～1 1 8 ． 何满潮 ，景海河 ，孙晓明．软岩工程力学 [ M] ．北京 科 学 出版社 ，2 0 0 1 ． 张连福 ，谢文兵．深井 大断 面软岩硐 室高强稳定 型支护技 术研究 [ J ] ．山东科技 大学学报 自然科 学版 ，2 0 1 0 ，2 9 5 3 2～3 8 ． 王炯．唐 口煤矿深部岩巷恒阻大变 形支护机理 与应用研 究 [ D] ．北京 中国矿业 大学 北京 ，2 0 1 1 ． 何满潮 ，胡永光 ，郭 志飚． 大断面软 岩巷道耦合 支护技术 研究 [ J ] ．矿山压力与顶板管理， 2 0 0 5 ，4 1 1 ～ 4 ． 杨生彬 ，何满潮 ，刘 文涛 ，等．底角 锚杆在深部 软岩巷道 底鼓控制 中的机 制及 应用 研究[ J ] ．岩石 力 学 与工程 学 报 ，2 0 0 8，2 7 增 1 2 9 1 3 2 9 3 0 ． 余伟健，高谦，张周平，等．深埋大跨度软岩硐室让压支 护设计研究 [ J ] ．岩土工程学报 ，2 0 0 9，3 1 1 4 o～ 4 7 ． 责任编辑郭继圣 7 5 11J 1』1{1J 竺J m ∞ 加 ∞ ∞ ∞ ∞ 加 m 0