井底密集硐室群變形破壞分析與控制技術(shù)

吳建星

(1.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采研究分院，北京 100013；3.煤炭科學(xué)研究總院 煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

井底車(chē)場(chǎng)硐室群作為煤礦井下重要的永久性工程，承擔(dān)運(yùn)料、行人、排水、供電等為全礦井服務(wù)的基本功能，硐室布置復(fù)雜、斷面尺寸大、工程質(zhì)量要求高是其突出特點(diǎn)[1，2]，導(dǎo)致支護(hù)難度大、維護(hù)困難。因此，井底車(chē)場(chǎng)硐室群的支護(hù)一直是煤礦面臨的重大技術(shù)難題。

井底車(chē)場(chǎng)硐室群支護(hù)方式多樣，主要有錨桿索噴支護(hù)、部分配合型鋼和混凝土襯砌聯(lián)合支護(hù)等[3-7]，基本上能夠解決大部分支護(hù)難題。但是，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較為復(fù)雜時(shí)，以上支護(hù)形式往往效果不佳，極易發(fā)生變形破壞，甚至失穩(wěn)，導(dǎo)致多次維修。針對(duì)復(fù)雜困難條件下井底硐室群圍巖控制難題，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)的研究?？导t普等[8]針對(duì)山西潞安屯留礦井底車(chē)場(chǎng)松軟破碎硐室群，提出了在高壓注漿后進(jìn)行高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿與錨索支護(hù)的控制方案。盧興利等[9]分析了潘二礦東二采區(qū)井底車(chē)場(chǎng)巷道群圍巖失穩(wěn)機(jī)理，提出了“預(yù)應(yīng)力組合錨桿(索)+U型鋼支架+分步注漿控制巷道幫頂、幫角(底角)錨桿+底板預(yù)應(yīng)力錨索控制底板”的控制對(duì)策，取得了良好的應(yīng)用效果。付航等[10]針對(duì)陳四樓深部硐室群，提出采用 “錨網(wǎng)索注漿加固組合控制技術(shù)” 進(jìn)行巷道頂?shù)装鍑鷰r加固。郭志飚等[11]為解決興安礦軟巖井底車(chē)場(chǎng)巷道變形嚴(yán)重、馬頭門(mén)多次返修等問(wèn)題，提出了錨網(wǎng)索-桁架耦合支護(hù)方案，有效控制了井底車(chē)場(chǎng)圍巖變形破壞。劉智[12]在對(duì)20個(gè)副井井筒與井底連接處破壞實(shí)例調(diào)查的基礎(chǔ)上，從地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、施工方面探討了副井井筒與井底車(chē)場(chǎng)連接處破壞的原因；認(rèn)為大多數(shù)副井井筒與井底連接處的破壞是可以預(yù)防和避免的。

綜上分析，現(xiàn)有關(guān)于井底車(chē)場(chǎng)硐室群的支護(hù)方式多樣，并無(wú)通用方法，必須根據(jù)具體情況進(jìn)行分析，并且現(xiàn)有的井底車(chē)場(chǎng)硐室群變形破壞數(shù)值模擬研究很少能夠全面、嚴(yán)格反映井底車(chē)場(chǎng)硐室群的復(fù)雜空間關(guān)系[13-18]。本文以漳村煤礦井底車(chē)場(chǎng)復(fù)雜硐室群為研究背景，開(kāi)展井底車(chē)場(chǎng)硐室群變形破壞情況調(diào)研，嚴(yán)格按照工程布置開(kāi)展井底車(chē)場(chǎng)硐室群變形破壞的數(shù)值模擬，分析井底車(chē)場(chǎng)硐室群的變形破壞機(jī)理，提出井底車(chē)場(chǎng)硐室群的巷修方案，并進(jìn)行大范圍的工程應(yīng)用。

1 工程概況

1.1 井底車(chē)場(chǎng)硐室群

漳村煤礦主采山西組3#煤層，在井田西部布置+480m水平延伸采區(qū)。在西擴(kuò)區(qū)工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)布置進(jìn)風(fēng)立井和回風(fēng)立井。進(jìn)風(fēng)立井井筒直徑8m，設(shè)計(jì)垂深498.3m，在3#煤層落底，然后分別向東西兩側(cè)開(kāi)拓馬頭門(mén)、井底車(chē)場(chǎng)、等候室、水倉(cāng)、泵房、變電所等硐室。在井底車(chē)場(chǎng)南部依次布置輔運(yùn)大巷、膠帶大巷、進(jìn)風(fēng)行人大巷、2#回風(fēng)大巷與1#回風(fēng)大巷，并且有梯子間通道和等候室通道與井底車(chē)場(chǎng)相連。在井底車(chē)場(chǎng)西部布置有單軌吊配電、檢修及充電硐室。井底車(chē)場(chǎng)、大巷以及與之配套的其他功能硐室共同組成了井底車(chē)場(chǎng)硐室群，井底車(chē)場(chǎng)硐室群布置如圖1所示，可以看出，硐室布置密集，空間層位關(guān)系復(fù)雜。3#煤層平均厚度為6m，頂板均為砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖的復(fù)合巖層，以砂質(zhì)泥巖為主，直接底為5m厚的細(xì)粒砂巖，老底為13m厚的砂質(zhì)泥巖。大巷位于3#煤層上方。井底車(chē)場(chǎng)附近地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果顯示：最大水平主應(yīng)力為11.6MPa，最小水平主應(yīng)力為6.6MPa，垂直應(yīng)力為11.25MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹51.9°E。

圖1 井底車(chē)場(chǎng)硐室群布置

井底車(chē)場(chǎng)硐室群主要采用光面爆破法施工，采用錨網(wǎng)索噴加鋼筋混凝土襯砌支護(hù)。錨桿規(guī)格為?22mm×2.4m，間距800mm×800mm；錨索規(guī)格為?22mm×8.3m，間距1600mm×1600mm；噴射混凝土強(qiáng)度C25，厚度50mm。混凝土襯砌：拱部、墻部為C30鋼筋混凝土，厚度450mm；底板混凝土厚度300mm，螺紋鋼筋直徑18mm。

1.2 變形破壞情況

井底車(chē)場(chǎng)硐室群施工時(shí)間為2015—2017年。在施工期間與施工完成后，馬頭門(mén)、井底車(chē)場(chǎng)、等候室、梯子間連接通路、井底水倉(cāng)、主排水泵房、主變電所和單軌吊硐室等相繼出現(xiàn)了不同程度的變形破壞，幫部變形以馬頭門(mén)和等候室最為嚴(yán)重，個(gè)別部位接近1.4m；底鼓在整個(gè)井底車(chē)場(chǎng)硐室群普遍存在，以主排水泵房和井底水倉(cāng)最為嚴(yán)重，個(gè)別部位高達(dá)0.8m，并且變形仍在快速發(fā)展。井底車(chē)場(chǎng)硐室群的變形破壞表現(xiàn)為范圍廣、變形大，嚴(yán)重影響了西擴(kuò)區(qū)的投產(chǎn)進(jìn)程。

2 變形破壞機(jī)理分析

2.1 數(shù)值模型建立

由于硐室布置密集、層位關(guān)系復(fù)雜，適合采用數(shù)值模擬方法分析井底車(chē)場(chǎng)硐室群的變形破壞機(jī)理。首先借助三維建模軟件Rhino構(gòu)建井底車(chē)場(chǎng)硐室群三維模型，然后采用Griddle軟件完成網(wǎng)格劃分，最后導(dǎo)入至FLAC3D5.0，井底車(chē)場(chǎng)硐室群數(shù)值模型如圖2所示。巷道斷面形狀、尺寸、走向和層位與實(shí)際嚴(yán)格相符，能夠精細(xì)還原井底車(chē)場(chǎng)硐室群實(shí)際布置。模型尺寸長(zhǎng)×寬×高為440m×251m×55m。網(wǎng)格為四面體，外緣網(wǎng)格尺寸較大，隨靠近硐室網(wǎng)格逐漸加密，共劃分網(wǎng)格60萬(wàn)個(gè)。由于頂板互層嚴(yán)重，分層多、層厚小，并且模型較為復(fù)雜，地層劃分太細(xì)導(dǎo)致分組較多，本模擬將頂板等效為一種地層，因此，模型共劃分為4層，上層為31m厚的頂板，中間層為6m厚的3#煤層，下層依次為5m厚的細(xì)粒砂巖與13m厚的砂質(zhì)泥巖。參數(shù)確定采用試錯(cuò)法，通過(guò)對(duì)等效地層賦予不同的力學(xué)參數(shù)，計(jì)算模型的變形破壞特征，不斷調(diào)整參數(shù)直至觀察部位與實(shí)際變形情況相符合。模型側(cè)面及底面固定相應(yīng)方向位移，模型頂面按照埋深施加11.25MPa的上覆巖層壓力。邊界應(yīng)力嚴(yán)格按照地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果施加。

圖2 井底車(chē)場(chǎng)硐室群數(shù)值模型

2.2 變形破壞分析

井底車(chē)場(chǎng)硐室群巷道工程量大并且布置復(fù)雜，加之支護(hù)手段多樣，考慮支護(hù)模擬將難以開(kāi)展。因此，本模擬僅研究非支護(hù)條件下井底車(chē)場(chǎng)硐室群圍巖應(yīng)力分布、變形特征與塑性區(qū)發(fā)育情況，分析井底車(chē)場(chǎng)硐室群變形破壞的主控因素與機(jī)理。

2.2.1 應(yīng)力分布特征

切片1—2、3—7的豎向應(yīng)力分布如圖3所示?？梢钥闯?，巷道周邊由于圍巖破壞形成低值應(yīng)力區(qū)。當(dāng)巷道距離較遠(yuǎn)時(shí)，低值應(yīng)力區(qū)彼此獨(dú)立；而當(dāng)巷道存在交叉或距離較近時(shí)，低值應(yīng)力區(qū)互相疊加。特別當(dāng)巷道存在上下層位關(guān)系且距離較近時(shí)，低值應(yīng)力區(qū)連成一片，表明巷道之間的破壞區(qū)相互連通。在進(jìn)風(fēng)立井與馬頭門(mén)交叉區(qū)域、進(jìn)風(fēng)立井與管子道交叉區(qū)域、主排水泵房、單軌吊硐室等部位均出現(xiàn)了較大范圍的低值應(yīng)力區(qū)，圍巖破壞范圍較大。

圖3 豎向應(yīng)力分布

2.2.2 變形特征

井底車(chē)場(chǎng)區(qū)域水平位移分布如圖4所示。水平位移主要集中在馬頭門(mén)與等候室處，最大變形量達(dá)到1.4m。馬頭門(mén)與等候室變形效果如圖4(a)中的框選區(qū)域，可以看出，巷道兩幫內(nèi)擠嚴(yán)重，并伴隨底鼓，傾斜幫部與底板之間形成了明顯的夾角。由于距離等候室較近，輔助運(yùn)輸大巷也受變形波及，靠近等候室段巷幫變形量約為0.65m。馬頭門(mén)至管子道范圍變形也較為嚴(yán)重，變形量約為1.0m。主排水泵房和主變電所也出現(xiàn)了較大變形，但變形量不及馬頭門(mén)、等候室與井筒，最大變形量介于0.4～0.55m之間。梯子間通道和等候室通道的局部位置變形較為嚴(yán)重，變形量約為0.6～0.75m。單軌吊硐室變形相對(duì)較小，最大變形量約為0.3m，如圖5所示。

圖4 井底車(chē)場(chǎng)區(qū)域水平位移分布

圖5 單軌吊硐室水平位移分布

2.2.3 塑性區(qū)發(fā)育

引理 1.2[11] 設(shè){Xn,n≥1}是NSD隨機(jī)序列, 滿(mǎn)足EXj=0, 對(duì)某個(gè)p≥2, 有E|Xn|p<∞，則存在只依賴(lài)于p的正數(shù)Cp, 使得對(duì)所有n, 都有

塑性區(qū)分布如圖6所示?？梢钥闯觯苄詤^(qū)沿著巷道展布，巷道布置稀疏處，各巷道塑性區(qū)獨(dú)立可分；在巷道密集處，塑性區(qū)連接成片，甚至進(jìn)一步發(fā)展成體。塑性區(qū)成片區(qū)集中在單軌吊硐室區(qū)域，在水平方向連接成片。塑性區(qū)成體區(qū)以進(jìn)風(fēng)立井為中心，在水平方向和豎直方向均呈大范圍展布，向南擴(kuò)展至輔助運(yùn)輸大巷，向北延伸至主排水泵房與主變電所，向下擴(kuò)展至井筒底部，向上遠(yuǎn)超管子道。井底車(chē)場(chǎng)硐室群開(kāi)挖后形成塑性區(qū)的體積約為136萬(wàn)m3，占全部圍巖的22.3%。

圖6 塑性區(qū)分布

2.2.4 變形破壞原因分析

該模擬較準(zhǔn)確還原了井底車(chē)場(chǎng)硐室群不同區(qū)域的變形情況，可從定性角度分析井底車(chē)場(chǎng)硐室群的變形破壞原因。從應(yīng)力分布、變形特征和塑性區(qū)發(fā)育來(lái)看，井底車(chē)場(chǎng)硐室群變形破壞的主控因素有2個(gè)：巖性軟弱和巷間影響。井底車(chē)場(chǎng)硐室群主要布置在3#煤與軟弱互層頂板中，巖性較差，并且在進(jìn)風(fēng)立井周邊與單軌吊硐室區(qū)域硐室布置密集且層位關(guān)系復(fù)雜，巷間影響明顯。巷道掘進(jìn)后，在巷道周邊形成應(yīng)力集中，由于巖性軟弱，巷道周邊圍巖破壞形成塑性區(qū)，從模擬中可以看出，巷道周邊均形成了塑性區(qū)，單巷塑性區(qū)尺寸約為巷道跨度的1.5～2倍。若巷道間距較小，尤其空間關(guān)系復(fù)雜時(shí)，巷間影響顯著，塑性區(qū)彼此連接形成較大范圍的塑性區(qū)，巷道變形更為劇烈。此外，井底車(chē)場(chǎng)硐室群的變形破壞也表現(xiàn)出了顯著的流變特點(diǎn)，在無(wú)采掘影響的情況下，大部分硐室的變形仍在持續(xù)增加。

3 井底車(chē)場(chǎng)硐室群圍巖控制技術(shù)

井底車(chē)場(chǎng)硐室群開(kāi)挖后，在巷道周邊形成了較大范圍的塑性區(qū)，必須通過(guò)提高塑性區(qū)的強(qiáng)度來(lái)提高圍巖強(qiáng)度、減小圍巖變形，據(jù)此提出了以“低壓淺孔、高壓深孔全斷面注漿”為核心的井底車(chē)場(chǎng)硐室群圍巖控制技術(shù)。

3.1 低壓淺孔、高壓深孔全斷面注漿

硐室開(kāi)挖后，塑性區(qū)沿硐室全斷面展布，因此，必須進(jìn)行深淺孔相結(jié)合的全斷面注漿以提高塑性區(qū)的承載能力。淺孔注漿采用注漿管，注漿孔深度宜在2m左右，注漿壓力不宜太高，宜在1.5MPa左右，防止出現(xiàn)大范圍的跑漿、漏漿，通過(guò)低壓淺孔注漿在硐室圍巖淺部形成淺孔注漿圈層。待淺孔注漿圈層穩(wěn)定后，采用全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力注漿錨索進(jìn)行深孔注漿，注漿深度宜在2～8m之間，借助淺孔注漿圈層的防護(hù)，深孔注漿時(shí)盡量提高注漿壓力，宜在6MPa左右，以提高漿液擴(kuò)散范圍，增強(qiáng)注漿效果，從而形成高壓深孔注漿圈層。通過(guò)在破碎硐室全斷面實(shí)施低壓淺孔配合高壓深孔注漿，使硐室圍巖大范圍塑性區(qū)得以改性強(qiáng)化。低壓淺孔、高壓深孔全斷面注漿原理如圖7所示。

圖7 低壓淺孔、高壓深孔全斷面注漿原理

3.2 全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力注漿錨索

端部錨固方便預(yù)緊力施加，對(duì)淺部圍巖約束能力強(qiáng)；全長(zhǎng)錨固增阻快、對(duì)變形敏感[19]，而全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固則兼具二者的優(yōu)點(diǎn)。為克服傳統(tǒng)中空注漿錨索強(qiáng)度不足[20]的缺點(diǎn)，引入了全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力注漿錨索。全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力注漿錨索通過(guò)安裝錨固劑實(shí)現(xiàn)端錨及預(yù)緊力施加，然后通過(guò)自由段注漿實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)錨固，兼具全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度錨固與注漿功能。全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力注漿錨索由索體、止?jié){塞、止退管、托盤(pán)、球墊、鎖具組成。

3.3 巷修方案

由于井底車(chē)場(chǎng)硐室群發(fā)生了大范圍的變形破壞，個(gè)別部位斷面收縮嚴(yán)重，影響了巷道的正常使用，并且變形破壞有進(jìn)一步增大的趨勢(shì)，必須開(kāi)展巷修工作。根據(jù)調(diào)研的各硐室的變形破壞情況，提出了低壓淺孔、高壓深孔全斷面注漿加固技術(shù)方案，并設(shè)計(jì)出具體巷修加固施工工藝流程。

以等候室為例進(jìn)行詳細(xì)加固工藝流程、加固參數(shù)及效果說(shuō)明。等候硐室長(zhǎng)度69m，巷道設(shè)計(jì)凈寬為4.0m，高度3.2m，初始支護(hù)為錨網(wǎng)索支護(hù)，尚未進(jìn)行噴漿，兩幫移近達(dá)到800～1000mm，個(gè)別錨桿被擠出，金屬網(wǎng)成兜狀。由于等候硐室斷面收縮嚴(yán)重，已經(jīng)不能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，其具體工藝流程如下。

2)錨桿配合鋼筋網(wǎng)初次支護(hù)：刷巷后巷道支護(hù)，錨桿采用直徑22mm，長(zhǎng)度2400mm的HRB500錨桿，間排距800mm×800mm。

3)混凝土噴漿支護(hù)：噴漿封閉圍巖，噴漿厚度200mm，強(qiáng)度C30。

4)全斷面深淺孔注漿：淺孔注漿采用注漿管注漿，深孔注漿采用全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力注漿錨索注漿，淺孔注漿深度2000mm，每排10個(gè)注漿孔，排距2000mm，具體布置如圖8所示，注漿壓力在1.5 MPa左右。注漿管由外徑20mm、壁厚1.8mm的冷拔無(wú)縫鋼管制成，沿鋼管底端1600mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)開(kāi)孔四組，孔徑8mm，孔距200mm，呈“十”字交錯(cuò)布置。采用棉紗和水泥封孔，封孔深度不小于300mm。深孔注漿深度8000mm，全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力注漿錨索規(guī)格為?22mm×8.3m，注漿錨索在噴漿完成后安裝并預(yù)緊，但深孔注漿需滯后淺孔注漿三天，注漿壓力在6MPa左右。錨索沿巷道斷面成排布置，排距2000mm，每排11根錨索，錨索間距1470mm和1000mm，起錨高度370mm。具體布置如圖9所示。深淺孔注漿液均為水泥漿，采用425#普通硅酸鹽水泥，水灰比0.6∶1～0.8∶1。

圖8 淺孔注漿孔布置(mm)

圖9 深孔注漿錨索布置(mm)

5)底板深淺孔注漿完成后實(shí)施進(jìn)行底板硬化，硬化厚度300mm。

3.4 巷修效果分析

為評(píng)價(jià)巷修效果，在等候室內(nèi)自東向西共設(shè)置了5組位移測(cè)站，分別為1、2、3、4、5測(cè)站，進(jìn)行了為期90d的監(jiān)測(cè)，由監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出巷修后，巷道變形量和變形速度明顯降低，90d內(nèi)頂?shù)装遄畲笠平?1mm，兩幫最大移近量28mm，并且變形趨于穩(wěn)定。除等候室外，馬頭門(mén)、梯子間連接通道、井底車(chē)場(chǎng)、變電所、水泵房、井底水倉(cāng)、單軌吊硐室等硐室均進(jìn)行了巷道修復(fù)，截至目前，整個(gè)井底車(chē)場(chǎng)硐室群尚未發(fā)生嚴(yán)重變形破壞，斷面維持良好，表明巷修方案合理。

4 結(jié) 論

1)調(diào)研發(fā)現(xiàn)漳村煤礦井底車(chē)場(chǎng)硐室群發(fā)生了大范圍的變形破壞，馬頭門(mén)變形最為嚴(yán)重，最大變形量達(dá)到1.4m，等候室、井底車(chē)場(chǎng)、梯子間連接通路、排水泵房和主變電所變形也較大，并且變形破壞仍在持續(xù)增大。

2)井底車(chē)場(chǎng)硐室群變形破壞的主控因素為巖性軟弱和巷間影響。由于巖性軟弱，在硐室周邊形成了1.5～2倍巷道跨度的塑性區(qū)，在巷間影響下，塑性區(qū)相互連接，大范圍的塑性破壞區(qū)是井底車(chē)場(chǎng)硐室群變形破壞的根源。

3)為提高硐室圍巖塑性區(qū)強(qiáng)度，提出了以“低壓淺孔、高壓深孔全斷面注漿”為核心的巷修方案，高壓深孔注漿通過(guò)全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力注漿錨索實(shí)現(xiàn)，兼具高強(qiáng)度支護(hù)和注漿功能，現(xiàn)場(chǎng)取得了良好的應(yīng)用效果。