井底密集硐室群变形破坏分析与控制技术
时间：2022-12-03 14:15:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
吴建星
(1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；
2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；
3.煤炭科学研究总院 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)
井底车场硐室群作为煤矿井下重要的永久性工程，承担运料、行人、排水、供电等为全矿井服务的基本功能，硐室布置复杂、断面尺寸大、工程质量要求高是其突出特点[1，2]，导致支护难度大、维护困难。因此，井底车场硐室群的支护一直是煤矿面临的重大技术难题。
井底车场硐室群支护方式多样，主要有锚杆索喷支护、部分配合型钢和混凝土衬砌联合支护等[3-7]，基本上能够解决大部分支护难题。但是，当地质条件较为复杂时，以上支护形式往往效果不佳，极易发生变形破坏，甚至失稳，导致多次维修。针对复杂困难条件下井底硐室群围岩控制难题，国内许多学者进行了相应的研究。康红普等[8]针对山西潞安屯留矿井底车场松软破碎硐室群，提出了在高压注浆后进行高预应力、强力锚杆与锚索支护的控制方案。卢兴利等[9]分析了潘二矿东二采区井底车场巷道群围岩失稳机理，提出了“预应力组合锚杆(索)+U型钢支架+分步注浆控制巷道帮顶、帮角(底角)锚杆+底板预应力锚索控制底板”的控制对策，取得了良好的应用效果。付航等[10]针对陈四楼深部硐室群，提出采用 “锚网索注浆加固组合控制技术” 进行巷道顶底板围岩加固。郭志飚等[11]为解决兴安矿软岩井底车场巷道变形严重、马头门多次返修等问题，提出了锚网索-桁架耦合支护方案，有效控制了井底车场围岩变形破坏。刘智[12]在对20个副井井筒与井底连接处破坏实例调查的基础上，从地质条件、结构、设计、施工方面探讨了副井井筒与井底车场连接处破坏的原因；
认为大多数副井井筒与井底连接处的破坏是可以预防和避免的。
综上分析，现有关于井底车场硐室群的支护方式多样，并无通用方法，必须根据具体情况进行分析，并且现有的井底车场硐室群变形破坏数值模拟研究很少能够全面、严格反映井底车场硐室群的复杂空间关系[13-18]。本文以漳村煤矿井底车场复杂硐室群为研究背景，开展井底车场硐室群变形破坏情况调研，严格按照工程布置开展井底车场硐室群变形破坏的数值模拟，分析井底车场硐室群的变形破坏机理，提出井底车场硐室群的巷修方案，并进行大范围的工程应用。
1.1 井底车场硐室群
漳村煤矿主采山西组3#煤层，在井田西部布置+480m水平延伸采区。在西扩区工业广场内布置进风立井和回风立井。进风立井井筒直径8m，设计垂深498.3m，在3#煤层落底，然后分别向东西两侧开拓马头门、井底车场、等候室、水仓、泵房、变电所等硐室。在井底车场南部依次布置辅运大巷、胶带大巷、进风行人大巷、2#回风大巷与1#回风大巷，并且有梯子间通道和等候室通道与井底车场相连。在井底车场西部布置有单轨吊配电、检修及充电硐室。井底车场、大巷以及与之配套的其他功能硐室共同组成了井底车场硐室群，井底车场硐室群布置如图1所示，可以看出，硐室布置密集，空间层位关系复杂。3#煤层平均厚度为6m，顶板均为砂质泥岩和细粒砂岩的复合岩层，以砂质泥岩为主，直接底为5m厚的细粒砂岩，老底为13m厚的砂质泥岩。大巷位于3#煤层上方。井底车场附近地应力测试结果显示：最大水平主应力为11.6MPa，最小水平主应力为6.6MPa，垂直应力为11.25MPa，最大水平主应力方向为N51.9°E。
图1 井底车场硐室群布置
井底车场硐室群主要采用光面爆破法施工，采用锚网索喷加钢筋混凝土衬砌支护。锚杆规格为∅22mm×2.4m，间距800mm×800mm；
锚索规格为∅22mm×8.3m，间距1600mm×1600mm；
喷射混凝土强度C25，厚度50mm。混凝土衬砌：拱部、墙部为C30钢筋混凝土，厚度450mm；
底板混凝土厚度300mm，螺纹钢筋直径18mm。
1.2 变形破坏情况
井底车场硐室群施工时间为2015—2017年。在施工期间与施工完成后，马头门、井底车场、等候室、梯子间连接通路、井底水仓、主排水泵房、主变电所和单轨吊硐室等相继出现了不同程度的变形破坏，帮部变形以马头门和等候室最为严重，个别部位接近1.4m；
底鼓在整个井底车场硐室群普遍存在，以主排水泵房和井底水仓最为严重，个别部位高达0.8m，并且变形仍在快速发展。井底车场硐室群的变形破坏表现为范围广、变形大，严重影响了西扩区的投产进程。
2.1 数值模型建立
由于硐室布置密集、层位关系复杂，适合采用数值模拟方法分析井底车场硐室群的变形破坏机理。首先借助三维建模软件Rhino构建井底车场硐室群三维模型，然后采用Griddle软件完成网格划分，最后导入至FLAC3D5.0，井底车场硐室群数值模型如图2所示。巷道断面形状、尺寸、走向和层位与实际严格相符，能够精细还原井底车场硐室群实际布置。模型尺寸长×宽×高为440m×251m×55m。网格为四面体，外缘网格尺寸较大，随靠近硐室网格逐渐加密，共划分网格60万个。由于顶板互层严重，分层多、层厚小，并且模型较为复杂，地层划分太细导致分组较多，本模拟将顶板等效为一种地层，因此，模型共划分为4层，上层为31m厚的顶板，中间层为6m厚的3#煤层，下层依次为5m厚的细粒砂岩与13m厚的砂质泥岩。参数确定采用试错法，通过对等效地层赋予不同的力学参数，计算模型的变形破坏特征，不断调整参数直至观察部位与实际变形情况相符合。模型侧面及底面固定相应方向位移，模型顶面按照埋深施加11.25MPa的上覆岩层压力。边界应力严格按照地应力测量结果施加。
图2 井底车场硐室群数值模型
2.2 变形破坏分析
井底车场硐室群巷道工程量大并且布置复杂，加之支护手段多样，考虑支护模拟将难以开展。因此，本模拟仅研究非支护条件下井底车场硐室群围岩应力分布、变形特征与塑性区发育情况，分析井底车场硐室群变形破坏的主控因素与机理。
2.2.1 应力分布特征
切片1—2、3—7的竖向应力分布如图3所示。可以看出，巷道周边由于围岩破坏形成低值应力区。当巷道距离较远时，低值应力区彼此独立；
而当巷道存在交叉或距离较近时，低值应力区互相叠加。特别当巷道存在上下层位关系且距离较近时，低值应力区连成一片，表明巷道之间的破坏区相互连通。在进风立井与马头门交叉区域、进风立井与管子道交叉区域、主排水泵房、单轨吊硐室等部位均出现了较大范围的低值应力区，围岩破坏范围较大。
图3 竖向应力分布
2.2.2 变形特征
井底车场区域水平位移分布如图4所示。水平位移主要集中在马头门与等候室处，最大变形量达到1.4m。马头门与等候室变形效果如图4(a)中的框选区域，可以看出，巷道两帮内挤严重，并伴随底鼓，倾斜帮部与底板之间形成了明显的夹角。由于距离等候室较近，辅助运输大巷也受变形波及，靠近等候室段巷帮变形量约为0.65m。马头门至管子道范围变形也较为严重，变形量约为1.0m。主排水泵房和主变电所也出现了较大变形，但变形量不及马头门、等候室与井筒，最大变形量介于0.4～0.55m之间。梯子间通道和等候室通道的局部位置变形较为严重，变形量约为0.6～0.75m。单轨吊硐室变形相对较小，最大变形量约为0.3m，如图5所示。
图4 井底车场区域水平位移分布
图5 单轨吊硐室水平位移分布
2.2.3 塑性区发育
引理 1.2[11] 设{Xn,n≥1}是NSD随机序列, 满足EXj=0, 对某个p≥2, 有E|Xn|p<∞，则存在只依赖于p的正数Cp, 使得对所有n, 都有
塑性区分布如图6所示。可以看出，塑性区沿着巷道展布，巷道布置稀疏处，各巷道塑性区独立可分；
在巷道密集处，塑性区连接成片，甚至进一步发展成体。塑性区成片区集中在单轨吊硐室区域，在水平方向连接成片。塑性区成体区以进风立井为中心，在水平方向和竖直方向均呈大范围展布，向南扩展至辅助运输大巷，向北延伸至主排水泵房与主变电所，向下扩展至井筒底部，向上远超管子道。井底车场硐室群开挖后形成塑性区的体积约为136万m3，占全部围岩的22.3%。
图6 塑性区分布
2.2.4 变形破坏原因分析
该模拟较准确还原了井底车场硐室群不同区域的变形情况，可从定性角度分析井底车场硐室群的变形破坏原因。从应力分布、变形特征和塑性区发育来看，井底车场硐室群变形破坏的主控因素有2个：岩性软弱和巷间影响。井底车场硐室群主要布置在3#煤与软弱互层顶板中，岩性较差，并且在进风立井周边与单轨吊硐室区域硐室布置密集且层位关系复杂，巷间影响明显。巷道掘进后，在巷道周边形成应力集中，由于岩性软弱，巷道周边围岩破坏形成塑性区，从模拟中可以看出，巷道周边均形成了塑性区，单巷塑性区尺寸约为巷道跨度的1.5～2倍。若巷道间距较小，尤其空间关系复杂时，巷间影响显著，塑性区彼此连接形成较大范围的塑性区，巷道变形更为剧烈。此外，井底车场硐室群的变形破坏也表现出了显著的流变特点，在无采掘影响的情况下，大部分硐室的变形仍在持续增加。
井底车场硐室群开挖后，在巷道周边形成了较大范围的塑性区，必须通过提高塑性区的强度来提高围岩强度、减小围岩变形，据此提出了以“低压浅孔、高压深孔全断面注浆”为核心的井底车场硐室群围岩控制技术。
3.1 低压浅孔、高压深孔全断面注浆
硐室开挖后，塑性区沿硐室全断面展布，因此，必须进行深浅孔相结合的全断面注浆以提高塑性区的承载能力。浅孔注浆采用注浆管，注浆孔深度宜在2m左右，注浆压力不宜太高，宜在1.5MPa左右，防止出现大范围的跑浆、漏浆，通过低压浅孔注浆在硐室围岩浅部形成浅孔注浆圈层。待浅孔注浆圈层稳定后，采用全长预应力注浆锚索进行深孔注浆，注浆深度宜在2～8m之间，借助浅孔注浆圈层的防护，深孔注浆时尽量提高注浆压力，宜在6MPa左右，以提高浆液扩散范围，增强注浆效果，从而形成高压深孔注浆圈层。通过在破碎硐室全断面实施低压浅孔配合高压深孔注浆，使硐室围岩大范围塑性区得以改性强化。低压浅孔、高压深孔全断面注浆原理如图7所示。
图7 低压浅孔、高压深孔全断面注浆原理
3.2 全长预应力注浆锚索
端部锚固方便预紧力施加，对浅部围岩约束能力强；
全长锚固增阻快、对变形敏感[19]，而全长预应力锚固则兼具二者的优点。为克服传统中空注浆锚索强度不足[20]的缺点，引入了全长预应力注浆锚索。全长预应力注浆锚索通过安装锚固剂实现端锚及预紧力施加，然后通过自由段注浆实现全长锚固，兼具全长预应力高强度锚固与注浆功能。全长预应力注浆锚索由索体、止浆塞、止退管、托盘、球垫、锁具组成。
3.3 巷修方案
由于井底车场硐室群发生了大范围的变形破坏，个别部位断面收缩严重，影响了巷道的正常使用，并且变形破坏有进一步增大的趋势，必须开展巷修工作。根据调研的各硐室的变形破坏情况，提出了低压浅孔、高压深孔全断面注浆加固技术方案，并设计出具体巷修加固施工工艺流程。
以等候室为例进行详细加固工艺流程、加固参数及效果说明。等候硐室长度69m，巷道设计净宽为4.0m，高度3.2m，初始支护为锚网索支护，尚未进行喷浆，两帮移近达到800～1000mm，个别锚杆被挤出，金属网成兜状。由于等候硐室断面收缩严重，已经不能够满足生产需求，其具体工艺流程如下。
2)锚杆配合钢筋网初次支护：刷巷后巷道支护，锚杆采用直径22mm，长度2400mm的HRB500锚杆，间排距800mm×800mm。
3)混凝土喷浆支护：喷浆封闭围岩，喷浆厚度200mm，强度C30。
4)全断面深浅孔注浆：浅孔注浆采用注浆管注浆，深孔注浆采用全长预应力注浆锚索注浆，浅孔注浆深度2000mm，每排10个注浆孔，排距2000mm，具体布置如图8所示，注浆压力在1.5 MPa左右。注浆管由外径20mm、壁厚1.8mm的冷拔无缝钢管制成，沿钢管底端1600mm长度范围内开孔四组，孔径8mm，孔距200mm，呈“十”字交错布置。采用棉纱和水泥封孔，封孔深度不小于300mm。深孔注浆深度8000mm，全长预应力注浆锚索规格为∅22mm×8.3m，注浆锚索在喷浆完成后安装并预紧，但深孔注浆需滞后浅孔注浆三天，注浆压力在6MPa左右。锚索沿巷道断面成排布置，排距2000mm，每排11根锚索，锚索间距1470mm和1000mm，起锚高度370mm。具体布置如图9所示。深浅孔注浆液均为水泥浆，采用425#普通硅酸盐水泥，水灰比0.6∶1～0.8∶1。
图8 浅孔注浆孔布置(mm)
图9 深孔注浆锚索布置(mm)
5)底板深浅孔注浆完成后实施进行底板硬化，硬化厚度300mm。
3.4 巷修效果分析
为评价巷修效果，在等候室内自东向西共设置了5组位移测站，分别为1、2、3、4、5测站，进行了为期90d的监测，由监测结果可以看出巷修后，巷道变形量和变形速度明显降低，90d内顶底板最大移近量21mm，两帮最大移近量28mm，并且变形趋于稳定。除等候室外，马头门、梯子间连接通道、井底车场、变电所、水泵房、井底水仓、单轨吊硐室等硐室均进行了巷道修复，截至目前，整个井底车场硐室群尚未发生严重变形破坏，断面维持良好，表明巷修方案合理。
1)调研发现漳村煤矿井底车场硐室群发生了大范围的变形破坏，马头门变形最为严重，最大变形量达到1.4m，等候室、井底车场、梯子间连接通路、排水泵房和主变电所变形也较大，并且变形破坏仍在持续增大。
2)井底车场硐室群变形破坏的主控因素为岩性软弱和巷间影响。由于岩性软弱，在硐室周边形成了1.5～2倍巷道跨度的塑性区，在巷间影响下，塑性区相互连接，大范围的塑性破坏区是井底车场硐室群变形破坏的根源。
3)为提高硐室围岩塑性区强度，提出了以“低压浅孔、高压深孔全断面注浆”为核心的巷修方案，高压深孔注浆通过全长预应力注浆锚索实现，兼具高强度支护和注浆功能，现场取得了良好的应用效果。
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