深部泵房吸水井硐室群圍巖穩(wěn)定性一體化控制技術(shù)

蔡 峰

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.中國中煤能源集團(tuán)有限公司，北京 100120)

深部泵房吸水井硐室群圍巖穩(wěn)定性一體化控制技術(shù)

蔡 峰1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.中國中煤能源集團(tuán)有限公司，北京 100120)

泵房吸水井硐室群是礦井巷道立體交叉最密集、應(yīng)力最集中、最容易破壞的部位，其圍巖穩(wěn)定性控制效果直接影響著礦井安全生產(chǎn)。為解決孔莊煤礦-1015m水平深部泵房吸水井硐室群圍巖穩(wěn)定性控制問題，從工程地質(zhì)條件分析出發(fā)，針對(duì)“三高一擾動(dòng)”強(qiáng)烈、膨脹性軟巖礦物含量高(伊/蒙混層的總量最大值達(dá)89%)、工程施工極其復(fù)雜等不利條件，通過集約化設(shè)計(jì)消除立體交叉巷道硐室群的空間效應(yīng)，利用數(shù)值模擬手段確定最優(yōu)施工過程，采用桁架+錨網(wǎng)索耦合支護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)圍巖荷載均勻化。結(jié)果表明：深部泵房硐室群穩(wěn)定性一體化控制技術(shù)能夠有效地控制圍巖變形和破壞，保證巷道長期穩(wěn)定，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

深部硐室群；一體化控制；集約化設(shè)計(jì)；采礦工程

泵房吸水井硐室群作為煤礦井下排水系統(tǒng)的“咽喉”，由于立體交叉布置，巷道斷面大等原因，往往成為礦井特別是深部礦井巷道圍巖穩(wěn)定性控制最脆弱的環(huán)節(jié)。

目前，國內(nèi)外大多數(shù)礦井的泵房吸水井系統(tǒng)均采用常規(guī)方法設(shè)計(jì)，根據(jù)排水量的需求確定泵及吸水小井的個(gè)數(shù)，吸水小井的個(gè)數(shù)及配水巷長度隨著井下排水量的增大而增多，立體交叉布置方式也隨之更加復(fù)雜。在這種常規(guī)設(shè)計(jì)中，很少考慮開挖過程對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，而且一般采用簡單的錨網(wǎng)索支護(hù)。隨著開采深度不斷增加，深部圍巖施工條件更加復(fù)雜[1-5]，采用常規(guī)設(shè)計(jì)的泵房吸水井硐室群由于巷道系統(tǒng)復(fù)雜、開挖過程不科學(xué)、支護(hù)設(shè)計(jì)不合理，易引起泵房吸水井硐室群嚴(yán)重破壞變形，進(jìn)而危及到礦井的安全生產(chǎn)。在兗州、徐州、鶴崗、龍口及芙蓉等國內(nèi)十幾個(gè)礦區(qū)均出現(xiàn)過泵房吸水井硐室群嚴(yán)重變形破壞[6-7]，影響礦井正常生產(chǎn)的情況?，F(xiàn)場工程實(shí)踐中迫切需要一種行之有效的方法解決深部泵房吸水井穩(wěn)定性控制問題。

本文以中煤集團(tuán)所屬大屯煤電公司孔莊煤礦-1015m泵房吸水井硐室群工程為背景，提出了泵房吸水井集約化設(shè)計(jì)、施工過程優(yōu)化設(shè)計(jì)、錨網(wǎng)索+桁架耦合支護(hù)技術(shù)，在現(xiàn)場應(yīng)用中取得了良好效果。

1 工程地質(zhì)條件分析

1.1 工程概況

為了充分利用深部煤炭資源，延長礦井生產(chǎn)服務(wù)年限，孔莊煤礦立項(xiàng)進(jìn)行深部改擴(kuò)建工程，將礦井開采延深至-1015m水平，共劃分8個(gè)采區(qū)?？浊f煤礦-1015m水平泵房吸水井硐室群布置于砂巖和厚達(dá)9m的泥巖中。

1.2 工程地質(zhì)條件

1.2.1 埋深大，“三高一擾動(dòng)”強(qiáng)烈[8-9]

孔莊煤礦-1015m水平泵房吸水井工程埋深大，受到高地應(yīng)力(最大主應(yīng)力約34.9MPa)、高地溫(圍巖溫度超過40℃)、高巖溶水壓影響較大，同時(shí)泵房吸水井系統(tǒng)內(nèi)巷道、硐室較多，在較小的范圍內(nèi)密集交叉，巷道圍巖應(yīng)力重疊，開挖擾動(dòng)影響十分劇烈?！叭咭粩_動(dòng)”的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定性控制造成了很大的影響。

1.2.2 膨脹性軟巖礦物含量高

從巖石樣品掃描電鏡分析結(jié)果(圖1)可以看出：將巖樣表面放大5000倍后，可以看到片狀伊利石，將巖樣表面放大6000倍時(shí)，可看到綠泥石與伊利石。

圖1 巖石樣品微觀結(jié)構(gòu)

全巖礦物分析和黏土礦物分析試驗(yàn)表明，頂?shù)装迳皫r、泥巖、灰?guī)r和砂質(zhì)泥巖等代表性巖樣主要礦物成分以黏土礦物和石英為主，其中黏土礦物總量最大值達(dá)到51.7%，各巖石樣品中黏土礦物含量主要是伊/蒙混層，其次是高嶺石等礦物。其中

伊/蒙混層的總量最大值為89%，平均值為57.5%；高嶺石的總量最大值為54%，平均值為32.75%。礦區(qū)各巖組中，除灰?guī)r外，泥巖、砂質(zhì)泥巖以及砂巖遇水較易發(fā)生泥化和膨脹，屬于遇水易膨脹性軟巖。

1.2.3 工程量大，施工復(fù)雜

與一般巷道相比，泵房吸水井硐室群由于功能配置需要不可避免地存在巷道開挖量大、巷道立體交叉、施工復(fù)雜等特點(diǎn)，其圍巖穩(wěn)定性控制難度較大。

2 深部泵房吸水井集約化設(shè)計(jì)

2.1 集約化設(shè)計(jì)原理

泵房吸水井集約化設(shè)計(jì)就是將常規(guī)設(shè)計(jì)中由多個(gè)吸水井、配水巷、泵房通道、管子道、內(nèi)外水倉和泵房組成的立體交叉復(fù)雜的硐室群結(jié)構(gòu)集約組合成由一個(gè)組合吸水井、泵房通道、管子道、水倉和泵房組成的簡單結(jié)構(gòu)(圖2)，泵房吸水井集約化設(shè)計(jì)有效地克服了常規(guī)設(shè)計(jì)巷道開挖量大、硐室立體交叉施工復(fù)雜、應(yīng)力集中比較嚴(yán)重等缺點(diǎn)，使圍巖應(yīng)力集中程度大大減輕(圖3)，有效地消除了立體巷道硐室群的空間效應(yīng)，提高了泵房吸水井硐室群系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。

圖2 泵房系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

圖3 吸水井圍巖應(yīng)力分布

2.2 組合吸水井設(shè)計(jì)

泵房吸水井集約化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是利用一個(gè)組合吸水井替代多個(gè)小的吸水井，利用徑向鋼筋混凝土隔斷將組合吸水井分割成多個(gè)吸水小井(圖4)。組合吸水井的設(shè)計(jì)既要最大限度地減少工程量，又要滿足功能需要。為此，組合吸水井的尺寸計(jì)算公式如下：

式中，R為集約化設(shè)計(jì)組合井半徑，m；r為常規(guī)設(shè)計(jì)等效吸水半徑，m；d為集約化設(shè)計(jì)隔斷寬度，m。

圖4 組合吸水井形式

經(jīng)計(jì)算及吸水阻力校核，孔莊煤礦集約化設(shè)計(jì)組合井半徑取為3m。

2.3 集約化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

與常規(guī)泵房吸水井設(shè)計(jì)相比，采用集約化設(shè)計(jì)的泵房吸水井系統(tǒng)減少了3個(gè)吸水井，省去了28m長的配水巷，外水倉長度也縮短了29m，工程造價(jià)大幅減少，穩(wěn)定性大大提高，施工也更為簡單。

3 泵房吸水井施工過程優(yōu)化設(shè)計(jì)

深部工程巖體的穩(wěn)定性與施工過程密切相關(guān)[10-11]。為確定泵房吸水井最佳施工過程，采用三維有限差分程序FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬[12-13]，泵房吸水井施工過程采用以下3種開挖模擬方案：

方案1 泵房通道→泵房通道與泵房交叉點(diǎn)→泵房→泵房與管子道交叉點(diǎn)→管子道→泵房與吸水井壁龕交叉點(diǎn)→吸水井壁龕→吸水井。

方案2 管子道→泵房與管子道交叉點(diǎn)→泵房→泵房與泵房通道交叉點(diǎn)→泵房通道→泵房與吸水井壁龕交叉點(diǎn)→吸水井壁龕→吸水井。

方案3 泵房通道→泵房通道與泵房交叉點(diǎn)→泵房左→泵房與吸水井壁龕交叉點(diǎn)→吸水井壁龕→泵房右→泵房與管子道交叉點(diǎn)→管子道→吸水井。

從數(shù)值模擬結(jié)果中3種方案塑性區(qū)分布(圖5)和泵房表面位移量(表1)可以看出：方案1和方案2中塑性區(qū)分布范圍較大，這兩種開挖方案對(duì)圍巖的破壞程度較為嚴(yán)重，泵房變形破壞最大。方案3中泵房吸水井硐室群圍巖塑性區(qū)較小，對(duì)圍巖的破壞程度較小，泵房的變形較小。綜合分析各種因素，方案3為最優(yōu)施工順序。

圖5 3種方案塑性區(qū)分布

方案泵房位移/mm頂沉底鼓幫縮1140610222103214331010196636996441011

4 預(yù)留空間錨網(wǎng)索+桁架耦合支護(hù)

4.1 技術(shù)原理

預(yù)留空間錨網(wǎng)索+桁架耦合支護(hù)技術(shù)就是針對(duì)深部軟巖塑性大變形特點(diǎn)，適當(dāng)擴(kuò)大巷道斷面，預(yù)留出圍巖變形空間，利用錨索控制關(guān)鍵部位，同時(shí)利用錨桿控制圍巖有害變形，從而使圍巖變形協(xié)調(diào)，控制變形損傷擴(kuò)展，充分發(fā)揮圍巖的自承能力。在巖壁和桁架接觸后，利用桁架的高強(qiáng)度、高剛度阻止圍巖進(jìn)一步變形破壞，從而實(shí)現(xiàn)巷道支護(hù)一體化、荷載均勻化，達(dá)到巷道圍巖穩(wěn)定的目的。

4.2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

(1)錨桿 采用φ22mm高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，長度2400mm，間排距800mm×800mm，三花布置。錨桿錨固形式為端頭加長錨固，樹脂錨固劑型號(hào)為CK2360，用量為1支/根。錨桿均使用配套標(biāo)準(zhǔn)螺母緊固，安裝扭矩不小于150N·m。

(2)錨索 采用φ20mm鋼絞線錨索，長度8000mm(幫部長度5000mm)，外露長度150～250mm，泵房采用“3-3-3”布置，其他采用“2-3-2”布置，間排距1600mm×1600mm。采用端頭錨固，內(nèi)部1根CK2360樹脂藥卷，外部1根K2360樹脂藥卷。錨索緊跟迎頭安裝時(shí)預(yù)緊力為10t，滯后迎頭安裝時(shí)預(yù)緊力為12t。吸水井井筒支護(hù)無錨索。

(3)托盤 錨桿托盤規(guī)格為120mm×120mm×10mm方形托盤；錨索托盤規(guī)格為φ260 mm×10mm碟形鐵托盤。

(4)金屬網(wǎng) 采用φ6.0mm鋼筋焊接而成，網(wǎng)片尺寸為1700mm×900mm(吸水井1100mm×900mm)，網(wǎng)格尺寸120mm× 80mm。

(5)底角錨桿 采用φ48mm無縫鋼管，長度2500mm，排距為800mm。灌注水泥砂漿。

(6)混凝土 初噴厚度60mm。待圍巖變形與桁架接觸時(shí)或變形穩(wěn)定后，澆筑混凝土至覆蓋鋼架，并保證鋼架外保護(hù)層厚度為80mm。澆筑混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40。

(7)底拱 采用澆筑混凝土，初次澆筑厚度為100mm，永久澆筑至地坪設(shè)計(jì)高度，澆筑混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40。壁龕無底拱。

(8)金屬桁架 材料為11號(hào)礦用工字鋼，支架間距800mm(吸水井支架間距為1000mm)。每架支架共分4段，頂拱部支架之間通過夾板連接件用M20×70螺栓連接，墻部支架與底拱部支架之間利用平衡消力接口連接板及M22×70螺栓連接。夾板連接件和平衡消力接口連接板材料為A3鋼，厚度16mm。

預(yù)留空間錨網(wǎng)索+桁架耦合支護(hù)斷面見圖6。

圖6 支護(hù)斷面

5 應(yīng)用效果分析

在巷道開挖后對(duì)圍巖進(jìn)行了及時(shí)觀測，現(xiàn)場觀測結(jié)果表明(圖7～圖8)，巷道開挖50d后圍巖逐漸穩(wěn)定。深部泵房硐室群穩(wěn)定性一體化控制技術(shù)，能夠較好地保證巷道圍巖的穩(wěn)定性，現(xiàn)場試驗(yàn)效果良好(圖9)。

圖7 泵房通道圍巖位移曲線

圖8 泵房圍巖位移曲線

圖9 硐室群穩(wěn)定性一體化控制效果

6 結(jié) 論

通過以上分析可以得出如下結(jié)論：

(1)結(jié)合孔莊礦-1015m水平泵房吸水井工程地質(zhì)條件，采用集約化設(shè)計(jì)，有效地減少了復(fù)雜立體交叉巷道硐室群的應(yīng)力集中，降低了施工難度和造價(jià)，提高了泵房吸水井硐室群系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。

(2)利用數(shù)值模擬手段比較了不同施工過程對(duì)泵房吸水井硐室群穩(wěn)定性的影響，確定了最優(yōu)的巷道開挖施工順序方案。

(3)針對(duì)深部軟巖塑性大變形特點(diǎn)，采用預(yù)留空間桁架+錨網(wǎng)索耦合支護(hù)技術(shù)，有效地控制了巷道圍巖變形，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜立體交叉硐室群的穩(wěn)定。

(4)深部泵房吸水井穩(wěn)定性一體化控制技術(shù)在孔莊煤礦-1015m水平泵房吸水井工程應(yīng)用中取得了較好效果，對(duì)深部礦井、軟巖礦井、水文地質(zhì)條件復(fù)雜礦井有較好的推廣應(yīng)用前景。

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[責(zé)任編輯：周景林]

Integrated Control Technology of Surrounding Stability of Pump House Absorbing Water Well Chambers in Deep

CAI Feng1,2

(1.State Key Laboratory for Geomechanics & Deep Underground Engineering，School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining & Technology (Beijing )，Beijing 100083，China；2.China Coal Energy Group Co.，Ltd.，Beijing 100120，China)

Pump house absorbing water well chambers is an important site，which include the following characters the most intensive mine roadways interchange，the most concentrated stress，the most easily broken point，surrounding rock stability control effect would influenced mine safety production directly. In order to solve surrounding rock stability control problem of pump house absorbing water well chambers in deep at the level -1015m of Kongzhuang coal mine，based on engineering geological situation，under some difficulty situation of strongly ‘three high and one disturbance’，highly ratio of expansive soft rock( the maximum ratio of illite-montmorillonite mixed-layer reached 89%，engineering construction was extremely complex ，the spacial effect of interchange roadway chambers was eliminated by integrated control，the most optimal construction process was determined by numerical simulation，the loading of surrounding rock was homogenized by truss and cable net coupling supporting technology，the results showed that the surrounding rock deformation and broken could be controlled effectively with integrated control technology，long time roadway stability could be ensured，it has widely application prospect.

chambers in deep；integrated control；integration design；mining engineering

2016-09-18

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.01.014

國家十三五重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0600900)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51374214，51479195)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2009QL06)

蔡 峰(1985-)，男，山西絳縣人，工程師，從事巖土力學(xué)和軟巖工程力學(xué)等方面研究工作。

蔡 峰.深部泵房吸水井硐室群圍巖穩(wěn)定性一體化控制技術(shù)[J].煤礦開采，2017，22(1)：60-64.

TD353

A

1006-6225(2017)01-0060-05