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      皮里青煤礦斜井穿厚松散層圍巖分段支護(hù)技術(shù)研究

      2019-02-19 13:03:44丁自偉
      煤炭工程 2019年1期
      關(guān)鍵詞:松散層金屬支架斜井

      李 季,丁自偉

      (西安科技大學(xué) 能源學(xué)院,陜西 西安 710054)

      在我國(guó)西部地區(qū)[1-3],煤層大多埋深淺,上覆厚松散層且基巖薄,地層膠結(jié)程度極低,巖石強(qiáng)度低,遇水泥化,遇風(fēng)軟化現(xiàn)象嚴(yán)重。在此類巖層中進(jìn)行斜井開(kāi)挖工程,由于圍巖自穩(wěn)能力差,變形劇烈,而井筒對(duì)圍巖的穩(wěn)定性要求高,勢(shì)必會(huì)給斜井井筒的圍巖控制帶來(lái)一系列的難題。近年來(lái),眾多專家學(xué)者對(duì)此類地質(zhì)條件下的井巷圍巖控制進(jìn)行了有益的探索。文獻(xiàn)[4]研究了深厚含水松散層的工程性質(zhì)、變形及其在井筒破壞治理工程中的應(yīng)用,提出了深部粘土存在強(qiáng)變?nèi)趺婧蜕畈空惩痢吧?、下限?qiáng)度”的概念和選取方法。文獻(xiàn)[5]針對(duì)某斜井的弱膠結(jié)未成砂巖的地質(zhì)條件,提出了一種利用挑頂斜井空間轉(zhuǎn)換施工隧道初支結(jié)構(gòu)的方法。文獻(xiàn)[6]針對(duì)斜井圍巖破碎變形嚴(yán)重的特點(diǎn),在分析其原因的基礎(chǔ)上提出了U 型鋼支架、壁后充填、錨網(wǎng)噴、錨注的耦合支護(hù)方式。文獻(xiàn)[7]揭示了極弱膠結(jié)地層巷道圍巖力學(xué)及變形破壞特征,提出了工字鋼、“鋼筋網(wǎng)+混凝土襯砌”的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。文獻(xiàn)[8]研究了厚礫石層斜井圍巖破壞機(jī)理,分析了圍巖壓力和位移變化規(guī)律。以上研究,對(duì)厚回填土下斜井穿厚松散層圍巖變形規(guī)律和支護(hù)技術(shù)的研究卻鮮有觸及,因此研究該類地質(zhì)條件下的圍巖變形破壞規(guī)律和支護(hù)技術(shù),有著重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

      1 工程地質(zhì)概況

      1.1 工程概況

      國(guó)投伊犁皮里青煤礦設(shè)計(jì)產(chǎn)量為3.0Mt/a,開(kāi)采煤層埋深300m左右,需要從地表斜向下施工一對(duì)主副斜井,長(zhǎng)度分別為1117m和1194m,傾角均為5.5°左右。井筒表土上方有一層回填土,由附近露天煤礦排土場(chǎng)回填土構(gòu)成,且井筒圍巖地質(zhì)賦存條件為薄基巖厚松散層,基巖膠結(jié)程度低,物理力學(xué)參數(shù)極差。

      目前井筒掘進(jìn)支護(hù)形式為“16#工字鋼U型棚+網(wǎng)噴混凝土”支護(hù),由于井筒圍巖地質(zhì)條件的特殊性,井筒部分圍巖還是出現(xiàn)了不同程度的礦壓顯現(xiàn),主要表現(xiàn)為頂板下沉和兩幫移近明顯,導(dǎo)致了工字鋼U型棚棚腿扭曲,棚頂出現(xiàn)扁平,甚至發(fā)生“V”形破壞和噴射混凝土層的不同程度的開(kāi)裂。為了保證井筒的安全,礦方不斷縮小棚間距,重新進(jìn)行混凝土的噴射,此外對(duì)于棚頂破壞嚴(yán)重的支架,架設(shè)單體支柱進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。如此一來(lái),不僅嚴(yán)重影響了井筒的掘進(jìn)速度,同時(shí)導(dǎo)致了支護(hù)成本的增加。

      1.2 井筒圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估

      皮里青礦井筒地層主要由以下五組巖層構(gòu)成:

      1)回填土松散層組。層段由露天煤礦剝離物組成,為塊狀的砂巖、泥巖及松散的粉土加雜堆積,未沉穩(wěn),鉆進(jìn)時(shí)漏漿,遇水濕陷。呈散體結(jié)構(gòu),平均揭露厚度40.44m,為極不穩(wěn)定型。

      2)第四系松散層組。層段由第四系風(fēng)積粉土(厚度6.60~39.00m)及沖洪積砂礫石(厚度4.68~6.30m)組成。該層巖石無(wú)膠結(jié),疏松多孔,為散體結(jié)構(gòu)巖體,為極不穩(wěn)定型。

      3)古近系粉質(zhì)粘土軟弱巖組。地層為一套巨厚層的磚紅色粉質(zhì)粘土(厚度37.60~42.00m),地層近散體結(jié)構(gòu),易發(fā)生膨脹、壓縮沉降、坍塌滑移等工程地質(zhì)問(wèn)題,為極不穩(wěn)定型。

      4)侏羅系強(qiáng)風(fēng)化帶碎裂結(jié)構(gòu)巖組。主要由泥巖、砂巖及砂礫巖構(gòu)成,屬極不穩(wěn)定型,厚度為10.62~197.65m,泥巖具可塑狀態(tài),質(zhì)軟;砂巖及砂礫巖多呈松散狀。

      5)侏羅系西山窯組中段層狀碎屑含煤軟巖組。組巖性為泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖、煤層及煤線等,為不穩(wěn)定型,厚度0~125.46m。巖石單軸抗壓強(qiáng)度小于30MPa,軟化系數(shù)多小于0.75,屬軟弱巖石,易軟化。

      圍巖類別分析是分析圍巖穩(wěn)定的一種重要方法,也是采礦工程一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。本文采用修正的BQ分類法[9,10]進(jìn)行圍巖等級(jí)劃分,為數(shù)值模擬和確定支護(hù)參數(shù)提供依據(jù)。選取井筒的五個(gè)具有代表性的斷面進(jìn)行圍巖分級(jí)。通過(guò)對(duì)BQ值計(jì)算并進(jìn)行修正,并根據(jù)修正后的值劃分斜井圍巖等級(jí),分級(jí)結(jié)果見(jiàn)表1。

      表1 斜井圍巖分級(jí)

      通過(guò)表1可以看出:①V級(jí)圍巖包括表土段和風(fēng)化基巖段,占全斜井長(zhǎng)度的40.99%;②IV級(jí)圍巖包括穩(wěn)定基巖段和煤層段,占全斜井長(zhǎng)度的59.01%。綜上,斜井圍巖變化大,性質(zhì)各異,IV級(jí)圍巖所占比例較高,需根據(jù)井筒不同的圍巖特征和圍巖等級(jí)提出與之相適應(yīng)的支護(hù)方法。

      1.3 井筒圍巖變形破壞規(guī)律

      根據(jù)井筒圍巖現(xiàn)場(chǎng)變形破壞情況,結(jié)合圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)評(píng)估結(jié)果,可將斜井圍巖變形破壞規(guī)律歸結(jié)如下:

      1)井筒拱頂圍巖承載能力弱。井筒表土層上方為露天礦回填土,呈散體結(jié)構(gòu),無(wú)承載能力,導(dǎo)致其在重力作用下,將自身重量傳遞給井筒圍巖。而井筒圍巖主要為黃土、粉質(zhì)泥土、泥巖、砂巖及粉砂巖,其膠結(jié)程度低甚至基本沒(méi)有膠結(jié),呈散體結(jié)構(gòu),物理力學(xué)參數(shù)差。巖層由于強(qiáng)度極低,加之上覆回填土重力作用,巖層完整性遭到破壞,很難形成有效的承載結(jié)構(gòu)。

      2)井筒幫部圍巖破壞嚴(yán)重。由于井筒頂拱圍巖基本沒(méi)有承載能力,因此井筒頂拱的壓力向兩幫轉(zhuǎn)移,加之兩幫圍巖自身強(qiáng)度較低,因此在頂拱巖層的壓力作用下,幫部出現(xiàn)了應(yīng)力集中,尤其是幫腳位置應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯,導(dǎo)致幫部圍巖發(fā)生大范圍的塑性破壞,致使井筒實(shí)際跨度增大,使幫部承受的頂拱壓力不斷增大,如此反復(fù),導(dǎo)致幫部的圍巖進(jìn)入惡性循環(huán)破壞。

      3)井筒拱頂變形嚴(yán)重。由于井筒頂拱圍巖基本沒(méi)有承載能力,故其壓力轉(zhuǎn)向兩幫,導(dǎo)致井筒兩幫圍巖應(yīng)力集中,圍巖破壞深度增加。兩幫圍巖破壞深度的增加,將導(dǎo)致井筒實(shí)際跨度的增加,頂拱兩端的支撐點(diǎn)向兩幫深部不斷轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致頂拱變形進(jìn)一步加大。

      2 斜井穿厚松散層圍巖分段支護(hù)技術(shù)

      2.1 現(xiàn)有支護(hù)方式誤區(qū)分析

      井筒原有掘進(jìn)支護(hù)方式為“16#工字鋼U型棚+網(wǎng)噴混凝土”支護(hù),U型棚由三段16#工字鋼組成,棚間距由800mm不斷縮小至500mm。結(jié)合厚回填土下斜井穿厚松散層圍巖的變形破壞規(guī)律,可以看出原有支護(hù)方式存在以下三方面的誤區(qū):

      1)支護(hù)體不能使拱頂形成有效地承載結(jié)構(gòu)。皮里青礦斜井井筒拱頂圍巖承載能力弱,無(wú)法形成有效地承載能力,而皮里青礦斜井井筒原有支護(hù)方式為16#工字鋼U型棚支護(hù),屬于被動(dòng)支護(hù),無(wú)法主動(dòng)對(duì)井筒圍巖進(jìn)行支護(hù),使頂拱圍巖形成有效承載結(jié)構(gòu)。

      2)支護(hù)體抗扭能力差。通過(guò)研究皮里青礦厚回填土下斜井穿厚松散層圍巖變形破壞規(guī)律可以看出,皮里青礦斜井井筒幫部圍巖均出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象,導(dǎo)致幫部圍巖破碎,變形量相對(duì)較大,而16#工字鋼U型棚屬于工字鋼支架,其抗扭能力較差,必然會(huì)導(dǎo)致支護(hù)體出現(xiàn)扭曲變形。

      3)支護(hù)方式經(jīng)濟(jì)性差。通過(guò)核算原有支護(hù)成本為大約20000元/m,而現(xiàn)有支護(hù)體的支護(hù)強(qiáng)度校核[11-13]發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有支護(hù)體的實(shí)際載荷只有極限載荷的60%左右,且圍巖控制效果不理想。因此,原有支護(hù)方式造成了支護(hù)強(qiáng)度浪費(fèi),且每米支護(hù)成本高,導(dǎo)致斜井井筒支護(hù)費(fèi)用居高不下。

      2.2 不同地質(zhì)條件圍巖段支護(hù)方式的選擇

      由于表土段和基巖段上覆40~60m厚的回填土,而圍巖變形破規(guī)律顯示頂板難以形成有效地承載結(jié)構(gòu),導(dǎo)致井筒頂部壓力較大。而井筒圍巖分級(jí)結(jié)果顯示,表土層和風(fēng)化基巖段屬于V類圍巖,破碎,易風(fēng)化,圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)極差。若實(shí)行錨網(wǎng)噴,錨桿(索)錨固力得不到保障。因此表土段和風(fēng)化基巖段必須使用具有高承載能力剛性金屬支架。

      熱軋型鋼在抗彎截面模量、斷面利用率和總模量等參數(shù)比礦用工字鋼和U型棚更優(yōu)[14]。鋼筋網(wǎng)和混凝土可以和圍巖形成整體,充填井筒表面裂隙,減少裂隙深部圍巖的破壞,有效地隔絕空氣和水的作用,防止由于巖體風(fēng)化、水解破壞井筒圍巖完整性,造成圍巖強(qiáng)度降低,保持井筒穩(wěn)定性。同時(shí)考慮支架的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性因素,決定選用“16#普通熱軋型鋼U型棚+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土”對(duì)表土段和風(fēng)化基巖段進(jìn)行支護(hù)。

      相比于表土段和風(fēng)化基巖段,基巖段圍巖條件較好?;鶐r段圍巖為膠結(jié)程度低的泥巖、砂巖和粉砂巖,現(xiàn)場(chǎng)錨桿拉拔力試驗(yàn)顯示,基巖段錨桿拉拔力均可達(dá)到8t以上,考慮到其圍巖變形規(guī)律,決定在基巖段運(yùn)用錨網(wǎng)噴技術(shù)進(jìn)行支護(hù),使井筒頂部巖層形成一定的承載結(jié)構(gòu),降低支護(hù)成本,提高掘進(jìn)速度。

      2.3 支護(hù)方式對(duì)井筒圍巖控制效果的數(shù)值模擬研究

      為了驗(yàn)證兩種支護(hù)方式的合理性,利用FLAC3D對(duì)兩種支護(hù)方式下的井筒圍巖的塑性區(qū)和位移進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。模型上部施加巖層自重,左右邊界為水平位移約束,底部邊界為固定位移約束,頂部為自由邊界,施加應(yīng)力邊界條件,圍巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2,本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫模型,錨桿索采用FLAC3D中的錨索結(jié)構(gòu)單元來(lái)實(shí)現(xiàn),金屬支架采用FLAC3D中的殼型結(jié)構(gòu)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)[15-17]。

      2.3.1 金屬支架支護(hù)效果分析

      金屬支架支護(hù)下表土段圍巖塑性破壞及位移圖如圖1所示,由圖1可以看出,表土段使用金屬支架支護(hù)時(shí),由于金屬支架支護(hù)承載能力高,承擔(dān)了一部分頂板壓力,使頂板轉(zhuǎn)移給兩幫的壓力減少,因此金屬支架支護(hù)下兩幫最大塑性區(qū)半徑有所減小,而頂?shù)装逅苄詤^(qū)并沒(méi)有變化。同時(shí)使用金屬支架,表土段表面最大位移大幅減小,頂板最大位移減小了73.4%,幫部最大位移減小了67.7%。因此在表土段使用金屬支架支護(hù),可以對(duì)圍巖提供較高的支護(hù)阻力,可以大幅減小圍巖位移,較好地控制圍巖變形。

      表2 圍巖力學(xué)參數(shù)表

      圖1 金屬支架支護(hù)下表土段圍巖塑性破壞及位移圖

      金屬支架支護(hù)下風(fēng)化基巖段圍巖塑性破壞及位移圖如圖2所示,由圖2可以看出,在風(fēng)化基巖段,與表土段相比風(fēng)化基巖段圍巖條件較好,因此使用金屬支架支護(hù)時(shí),金屬支架的高強(qiáng)支護(hù)力,減小了頂板轉(zhuǎn)移到兩幫的壓力,對(duì)圍巖的惡性破壞有所改善,因此風(fēng)化基巖段圍巖最大塑性區(qū)半徑都有所減少。同時(shí),頂板的最大位移量減小了79.7%,兩幫最大位移減小了64.4%。因此在風(fēng)化基巖段使用金屬支架支護(hù),可以減小圍巖的惡性破壞,有效減小圍巖的位移,控制圍巖效果良好。

      圖2 金屬支架支護(hù)下風(fēng)化基巖段圍巖塑性破壞及位移圖

      2.3.2 錨網(wǎng)噴支護(hù)效果分析

      錨網(wǎng)噴支護(hù)下穩(wěn)定基巖段圍巖塑性破壞及位移圖如圖3所示,由圖3可以看出,在穩(wěn)定基巖段,使用錨網(wǎng)噴支護(hù)后,由于錨桿索的協(xié)調(diào)支護(hù),圍巖塑性區(qū)分布范圍有所減少,并且塑性區(qū)呈均勻化分布。同時(shí)由于錨桿索為主動(dòng)支護(hù),頂板發(fā)生最大位移的范圍減小,盡在頂板深部0~1m范圍內(nèi),此外頂板中深部圍巖位移量較小,頂板最大位移量減小了59.6%,兩幫最大位移均發(fā)生在淺部位移,深部圍巖位移量很小,兩幫最大位移量減小了35%。因此基巖段使用錨網(wǎng)噴支護(hù)時(shí),由于錨桿索的協(xié)調(diào)主動(dòng)支護(hù),發(fā)揮中深部圍巖的承載能力,控制中深部圍巖的位移,有效減小圍巖的破壞。

      圖3 錨網(wǎng)噴支護(hù)下穩(wěn)定基巖段圍巖塑性破壞及位移圖

      綜上所述,在表土段和基巖段使用金屬支架支護(hù)時(shí),由于金屬支架的高承載力,可以有效減小頂板傳遞給兩幫的壓力,使頂板和兩幫的位移量大幅減小。而基巖段使用錨網(wǎng)噴支護(hù),錨桿索協(xié)調(diào)支護(hù)可以對(duì)圍巖提供主動(dòng)支護(hù)力,調(diào)動(dòng)深部圍巖的承載能力,控制圍巖的惡性破壞。

      3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

      為了驗(yàn)證分段支護(hù)技術(shù)的合理性,在皮里青礦主斜井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)。利用壓力拱理論并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐,確定表土段和風(fēng)化基巖段支護(hù)參數(shù)為:16#普通熱軋型鋼U型棚,排距為800mm,特別破碎段可縮小為排距500~600mm。同時(shí),根據(jù)錨桿設(shè)計(jì)理論,結(jié)合基巖段圍巖變形規(guī)律,確定基巖段支護(hù)參數(shù)為:錨索錨桿協(xié)調(diào)支護(hù)。每排7根Φ20mm×2250mm無(wú)縱筋全螺紋鋼等強(qiáng)錨桿,間排距為1050mm×800mm。每排2根Φ17.8mm×6300mm的錨索,間排距為2100mm×2100mm。

      為了檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果,分別在表土段、風(fēng)化基巖段進(jìn)行了深基點(diǎn)位移監(jiān)測(cè),主斜井不同段圍巖頂板深基點(diǎn)位移曲線如圖4所示。

      圖4 主斜井不同段圍巖頂板深基點(diǎn)位移曲線

      通過(guò)圖4可以看出,表土段和風(fēng)化基巖段在使用16#普通熱軋型鋼U型棚下,在掘進(jìn)后3~4d圍巖基本趨于穩(wěn)定,位移量保持在3cm;而風(fēng)化基巖段在掘進(jìn)后0~6d基本趨于穩(wěn)定,位移量保持在1.1cm,同時(shí)位移主要發(fā)生在0~4m范圍內(nèi)的巖層中,而4m以上的深部位移量很小。主斜井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際掘進(jìn)施工過(guò)程中,累計(jì)節(jié)約支護(hù)成本約434萬(wàn)元,掘進(jìn)速度為原來(lái)的1.6倍,井筒穩(wěn)定性較好,達(dá)到了使用要求。

      4 結(jié) 論

      1)利用修正的BQ圍巖分類法對(duì)皮里青礦斜井井筒進(jìn)行了圍巖分級(jí),分級(jí)結(jié)果顯示:V級(jí)圍巖包括表土段和風(fēng)化基巖段,占斜井長(zhǎng)度的40.99%;IV級(jí)圍巖包括穩(wěn)定基巖段和煤層段,占斜井長(zhǎng)度的59.01%。

      2)揭示了皮里青礦厚回填土下斜井穿厚松散層圍巖變形破壞規(guī)律為:井筒拱頂圍巖承載能力弱,在回填土荷載作用下,井筒頂拱的壓力向兩幫轉(zhuǎn)移,幫部出現(xiàn)了應(yīng)力集中,尤其是幫腳位置應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯,加之兩幫圍巖自身強(qiáng)度較低,導(dǎo)致幫部圍巖發(fā)生大范圍的塑性破壞,致使井筒實(shí)際跨度增大,使幫部承受的頂拱壓力不斷增大,如此反復(fù),頂拱兩端的支撐點(diǎn)向兩幫深部不斷轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致井筒圍巖進(jìn)入惡性循環(huán)破壞。

      3)針對(duì)井筒圍巖變形規(guī)律,并結(jié)合工程實(shí)踐,提出了厚回填土下斜井穿厚松散層圍巖分段支護(hù)技術(shù):表土層和風(fēng)化基巖段支護(hù)采用“承載力高的16#普通熱軋型鋼U型棚配合鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土”支護(hù);穩(wěn)定基巖段采用錨桿索協(xié)調(diào)支護(hù),提高頂部圍巖自穩(wěn)能力,降低支護(hù)成本,提高掘進(jìn)速度。

      4)在皮里青礦主斜井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明:在使用厚回填土下斜井穿厚松散層圍巖分段支護(hù)技術(shù)后,井筒圍巖變形均在工程允許范圍內(nèi),符合井筒使用要求,累計(jì)節(jié)約支護(hù)成本約434萬(wàn)元,掘進(jìn)速度提高為原來(lái)的1.6倍。

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