打平煤矿深部软岩硐室支护优化技术.pdf

第 2 9卷第 2期 2 0 0 8年 4月 建 井 技 术 M I NE C0NSTRUCT1 0N TECHNOI OGY VoI I 29 No ．2 Apr ． 20 0 8 大平煤矿深部软岩硐室支护优化技术 杨福辉 铁法煤业集 团大强煤矿 ， 辽宁 铁法 ， 1 1 2 7 0 0 摘 要 介绍了铁法煤业集 团大平煤矿主排水泵房软岩硐室支护优化设 计情况。根据对 该 硐 室 围岩 变形 力 学机 制 的分析 ， 确定 了合理 的支 护形 式 ． 取得 了 良好 的效果 。 关键 词 软岩 硐 室； 变形 力 学机 制 ； 优 化设 计 ； 三维优 化 中图分类号 T D3 5 4 文献标识码 B 文章 编号 1 0 0 2 6 0 2 9 2 0 0 8 0 2 0 0 2 5 0 3 1工程概 况 2支护 对 策 铁法 煤业集 团大平煤 矿 原三 台子 二井 井 田 位于辽 宁省康平县三 台子煤 田西翼， 南北 长8 ． 7 k m， 东西 宽 3 ． 6 k m， 面积 2 8 ． 6 l k m 。矿 井 地 质储 量 2 6 8 ． 4 Mt ， 可采储量 1 8 6 ． 8 Mr ， 采用立井单水平 上下 山开拓 方式 ， 设计 生产 能力 2 ． 4 Mt ／ a ， 服务 年 限 5 9 ． 9 a ， 于 1 9 9 1年 开始建 井 ， 2 0 0 4年 1 O月 正 式 投产 。 矿井主排水泵房位于一5 3 5 m井底车场 地面 绝 对 标 高 8 7 ． 9 m ， 设 计 长 度 2 5 m， 直 墙 半 圆 拱 形断面 ， 净宽 4 ． 4 m， 净高 4 ． 5 m， 现浇钢筋混凝土 支 护 ， 壁 厚 4 0 0 mm， 掘 进 断 面 2 5 m 。泵 房 内设 有 水 泵抽 水壁 龛 3个 、 净 直 径 1 ． 5 m 的吸 水 井 3个 和 连接 吸水井 及通 向水仓 的配水巷 1 条 。该 硐 室 处 于 中生 代侏 罗 系 地层 中 ， 由泥 岩 、 砂 岩 、 砾 岩组 成 ， 泥质胶结， 易风化 ， 并具有遇水泥化、 膨胀 、 崩 解 的特征 。硐 室变形 特点 是顶底 板 变形 量大 于两 帮 ， 底 鼓严 重 。 主排水 泵房 工程 于 1 9 9 3年 7 月 开始施 工 ， 先 行掘进 了硐 室主 体部分 ， 并 施作 了锚 喷临 时支 护 ， 以封 闭 围岩 和让 压 。使 用 5 0 mm1 8 0 0 mm 缝 管 式锚 杆 ， 间排距 均 为 7 0 0 mm， 五花 形布 置 ； 喷射 混凝 土厚 1 0 0 mm， 强度 等级 C1 5 。6个月 后 ， 混凝 土 喷层全 部 开裂 ， 冒顶 、 片 帮不 时 发 生 ， 底 鼓 0 ． 8 ～ 1 ． 2 m， 变 形破 坏十 分严 重 。 该硐室的实际变形破坏情况显示 ， 原设计支 护形式和断面形状 已很难保证 水泵房 的安全 使 用 。为此， 铁法煤业集团公司和中国矿业大学合 作 ， 共同组成软岩支护课题组 ， 对主排水泵房支护 问题 进行 了研 究 ， 确 定 了最佳 支护 对策 。 收稿 日期 2 0 0 8 0 3 0 5 2 ． 1 硐 室变形破 坏 力 学机 制 从工程地质人手 ， 以现代工程地质理论和现 代力 学理 论 为基 础 ， 对 硐 室 围 岩工 程 地 质 特 性 和 变形 破坏 力学 机 制进 行 了研 究 ， 找 出 了影 响硐 室 变形破坏的主要因素和力学机制， 然后进行优化 设计 ， 并改进施工工艺， 从而达到有效支护， 降低 工 程造 价 的 目的 。 我们首先在试验室对围岩成分进行 了分析 ， 重点弄清岩石中是否有蒙脱石矿物的存在 ； 其次 是 确定 软岩 膨胀 的力 学 机 制 ； 最 后 找 出解 决 问题 的对策 ， 确定 主 排水 泵房 支 护 优 化 设计 方 案 和 最 佳施 工工 艺 。 通过研究 ， 我们认为 ， 高应力强膨胀软岩硐室 变形 破坏 的根 本原 因在 于 1 巷道布置过于密集 ， 造成了应力叠加 ； 2 硐 室 断面 形状不 利 于抵抗 围岩 压力 ， 且 直 角相交 处 易于应 力 集 中 ； 3 硐室支护结构不足以抵抗强大的地压 。 针 对硐 室变 形 破 坏 原 因 ， 我 们 首先 对 围岩 进 行 了地质力学和软岩变形力学机制分析 ； 然后从 设计人手 ， 对不适应软岩特性的原设计 内容进行 了修 改 。 围岩 的扫 描 电 子显 微 镜 观 测 结果 显 示 ， 岩石 中含有伊／ 蒙混层矿物， 含 量最多达 7 O ， 混层 比 为 7 5 。根据变形力学机制， 软岩巷道可分为三 大类型 ， 即物化膨胀型 I型 、 应力扩容型 I I 型 和结构变形型 I I I 型 ； 各类型又根据变形严重程 度 ， 分为 A， B， C， D四个等级。经研究 ， 主排水泵 房工 程 的变 形 力学 机制 为 I Ⅱ 。 Ⅲ。 Ⅲ。 复合 建井技术 2 0 0 8年第 2 9卷 型 I 型 分 子 吸水 膨 胀 十 胶 体 膨 胀 机 制 ， 其 性 质取决于混层 比； 混层 比越高， 越倾 向于分子吸水 膨 胀 型 。 Ⅱ 。 型 自重应 力和 工程 开挖 扰动 机 制 。 Ⅲ 型 层理走 向型 ， 硐 向与 层 理走 向夹 角为 0 ～ 3 O 。 。 Ⅲ 、 型 层 理 倾 向型 ， 硐 向与 层 理 走 向夹 角 为 6 0 ～ 9 0 。 。 研 究表 明 ， 大 平煤 矿 巷 道是 围岩 具有 分 子 膨 胀 和胶 体膨 胀 的膨胀 机 制 ， 在 白重高 应 力 和 巷道 相互 影响 的工程偏 应力 共同作 用下 的应力 扩容 型 复合 型软岩 巷道 ； 其 典 型 特性 是 大深 度 引 起 的 高 应力和伊／ 蒙混层矿物的强膨胀复合型变形力学 机 制u 。 2 ． 2硐 室 支护 对策 分析 不 同类 型 的变形 力学机 制对应 不 同的支护 技 术 对策 ， 支护 的关键 技 术 对 策是 把 复 杂 的复 合 型 变 形力学 机制有 效地转 化为 比较简 单 的单 一型 变 形 力学机 制 ， 然 后采取 相应对 策加 以解决 。 变形 力学 机 制 为 I ⅡH DⅢ。 ． 、 Ⅲ 、 复 合 型 的 主排水泵 房硐 室 ， 已经产生 了大量 的先 期变形 如 底鼓 0 ． 8 ～1 ． 2 m ， 释放了大量的非线性膨胀能和 塑性能 。其 变形力学 机制转 化方 法如 下 1 通过 翻修 释放变彤 能 ， 使 其变 形力学 机制 由 I Ⅱ Ⅲ Ⅲ 。 复 合 型 转 化 为 Ⅱm ， Ⅲ 、 Ⅲ 。 型 。 2 对锚 杆 布置进行 三维 优化 ， 有 效地控 制结 构变 形 ， 使 其转化 为 ⅡH D 型 。 3 优 化巷 道 布置 ， 减 少 应力 叠 加 ； 优 化 硐 室 断面形状 ， 使其 产生应力集 中； 使用 2 9 U 型钢 支架 ， 对 支护结 构进行 优化 。通过这 3 项 措施 ， 使 其转化 为 Ⅱ 型 ， 即 自重应 力型 。 通 过 以上 转化 ， 使 硐 室变 形 力 学机 制 由复 杂 的 I Ⅱ 。Ⅲ 、 Ⅱ l 【 复合型转化为单一 的 Ⅱ 型 自重应 力型 ， 能够 实 现 有效 支 护 。变 形 力学 机 制转 化途径 见 图 1 。 翻修释放变形能 ㈨川 “型 “ ⋯ 膨胀影响，去掉 I 参 嚣 j 巷道布置优化，硐室断面形状优化，支护 结构优化，减少应力叠加和应力集中 一 消除工程偏应力影响 ，去掉 。 l I 箍 器 口 } { iⅡ 淄 齑 3硐室 优化设计 3 ． 1 巷 道布 置优化 1 将原设计 中 尚未 施 工 的 3个 吸水 井 合 并 为 1 个 组 合式 吸 水井 。组 合式 吸水井 净 直 径 5 ． 5 I n， 壁厚 4 0 0 mm， 沿 轴 线 方 向 等分 为 3个 独 立 的 扇 形吸水 小井 ； 各小 井 问相 互连通 ， 并设 有 闸阀 。 2 由于合并 了吸水井 ， 泵房 壁龛也 由原来 的 3 个 减少 为 1 个 。 3 取 消了 尚未施工 的配水 巷 。 通 过巷 道布 置优 化 设计 ， 避免 了巷道 交 错 造 成的应力叠加， 减小了作用于支护体的压力 ， 提高 了 围岩 自撑 能力 。 3 ． 2硐 室 断 面 形 状 优 化 在保证 高度 和 宽度 满 足使 用 要 求 的前 提 下 ， 硐室 断面 由原 设 计 的 直 墙 半 圆拱 形 变 更 为 椭 圆 形 ， 使 之受 力状态 良好 ， 无应 力集 中点 。 3 ． 3 支护形 式优 化 硐室 永久支 护 由 原设 计 的 4 0 0 ram 厚 钢 筋混 凝 土变 更 为 2 9 U 型 钢 支 架 作 骨 架 ， 浇 筑 4 0 0 ram 厚 的7 昆凝 土 ， 底 拱 砌 筑 3 0 0 mm 厚 混凝 土 预 制块 的复合支 护 结构 。和 原 设计 相 比 ， 设 计变 更 后 的 永 久支护 结构 ， 承载 能力得 到 了提 高 。 3 ． 4锚 杆 布置三 维优化 为 防止产 生岩 层 离 层现 象 ， 对 锚 杆布 置 进 行 了三维 优化 锚杆 类 型 及 规格 不 变 ， 同原 设 计 ， 即 仍使用 5 0 mm 1 8 0 0 ram缝管式锚杆 。根据优 化 结 果 ， 确 定硐室顶 部及 两帮 上部锚 杆 向上 ， 下部 锚杆 向下斜 打 。同时 ， 在 有 明显 层理 的岩层 中 ， 锚 杆要 尽量 与岩层 成 大 角度 交 叉 ， 并 尽量 穿 过 弱层 面 ， 以增强 匍岩 的强度 和刚度 ， 控制 弱层 的变形 和 破 坏 ， 提高 硐室 的稳定 性 。 硐室 优化设 计 前后 的硐 室 布 置 、 硐 室 断 面形 状 及支护 形式 对 比见 图 2 。 ． 4支 护效果 I l 【 【 型 ⋯⋯⋯ 篓 莉 璐 立 窨 Ⅲ 型 图 1 主排水泵房刷事变肜力学机制 的转化 采用优 化设计 方 案 ， 主排 水 泵 房硐 室 于 1 9 9 4 年 6月 完 成 了全 部工 程 的施 工 。到 目前 为止 ， 经 过 l 0多年的考验 ， 该硐室未出现任何破坏迹象 ， 完好 如初 。这 说 明优 化 设计 取 得 了 预期 效果 ， 达 到了使巷道布置最合理， 支护体受力最小 ， 抵抗力 最 大 的 目的。 5 结 语 1 软 岩 巷 道 之 所 以具 有大 变形 、 大地压 、 难 第 2期 杨福辉 大平煤矿深部软岩硐室 支护优化技术 a 原设计 h 优化 设 计 后 图 2优化 设计 前后 的硐室布置 、 硐 室断面形 状及支护形式对 比 支护 的特点 ， 是 因 为软 岩 并 不 是 单一 的变 形 力 学 确 定 。第 四 ， 在保 证 正常 使用 的前 提下 ， 应尽 量减 机制 ， 而是同时具有多种变形力学机制， 即复合型 小软岩巷道断面尺寸。因为断面尺寸越小 ， 巷道 变形力 学机 制 。 因此 ， 要 想 对 软 岩巷 道 进 行 有 效 越 稳定 。从 施工 角度 看 ， 对 于 软岩巷 道 ， 一味地 强 支护 ， 必须 采 取 综 合措 施 ， 单 一 方 法 是 难 以 奏 效 调 放压 是不 行 的 ； 放 压到 一定 程度后 ， 必 须施作 足 的。实践表明， 对于软岩巷道， 根据对其变形力学 够强度的支护 ， 以实现有效支护。否则 ， 放压时间 机 制 的分析 ， 有针 对性 地采 取技术 措施 ， 将其 变 形 过 长 ， 会 造 成 围岩松 动圈 的扩 大 ， 给 巷道 支护造 成 力学机制由复合型转化为单一型 ， 然后合理选择 更大的困难 ， 结果会一发而不可收拾 。 支 护结 构 ， 是 完全 可 以取 得最 佳支 护效 果 的 。 2 解 决 软 岩 巷道 ， 尤 其 是 大 断 面硐 室 的支 [ 参考文献] 护 问题 ， 必须从 理论 研究 和设 计上 人手 ， 从源 头抓 [ 1 ] 何满潮． 中国 煤矿软岩巷道支护理论与实践[ M] ． 徐州． 中 国 起 ， 而不 能首 先从施 工上 着手 。 矿 业大学出版社， 1 9 9 6 ． 从设计角度看 ， 首先 ， 大型硐室要尽量布置在 作 者 简 介 稳定岩层 中。其次 ， 对于软岩巷道 ， 应尽量避免密 集交 错布 置 ， 以减少 或消 除应力 叠加 ， 否则 会 给巷 杨福辉 1 9 6 4 ⋯ ， 男， 辽宁阜新人， 高级工程师。1 9 8 8 年 7 道支 护造成 困难 。第 三 ， 软岩巷 道 断面形 状 、 支护 月 毕业于 阜新矿业学院 采矿系矿井建设专业， 现从事矿井建设工 结构 ， 应根 据 围岩 岩性 及 围岩 应 力 大小 等 因素 来 程技术及管理工作， 已 发表论文多篇。