兴安矿深部软岩巷道交叉点支护技术.pdf

第 2 4卷 第 2期 2 0 0 7年 O 6月 采 矿 与安 全工 程学 报 J o u r n a l o f Mi n i n g S a f e t y En g i n e e r i n g Vo1 ．2 4 NO ． 2 J u n e 2 0 0 7 文 章 编 号 1 6 7 3 3 3 6 3 2 0 0 7 0 2 0 1 2 7 0 5 兴安矿深部软岩巷道交叉点支护技术 何满潮 ，李 国峰，刘 哲 ，蔡 健 中国矿业大学 力学与建筑 工程 学院 ， 北 京1 0 0 0 8 3 摘要 随着矿井开采深度的增加，地质环境趋 于复杂， 受围岩 岩性和“ 三 高一扰 动” 即高地应 力、 高地 温 、 高岩 溶水 压和 强烈 的 开采扰 动 的影 响 ， 使 得 深 部 软 岩巷 道 支护 十 分 困难 ， 巷 道 立体 交叉部位的难度尤为突 出． 为 了更好地解决交叉点难支护的问题 ， 结合鹤 岗矿务局兴安矿四水平 单 机 车线与 水仓 十 字交 叉点 的工 程 实例 ， 提 出 了柔层 桁 架 支护 的 原 理 ， 基 于 F L AC 。 。 软 件 ， 模 拟 了柔层桁架技 术在深部 中生代软岩巷道交叉点支护中的可适用性． 工程应用效果表 明， 柔层桁架 支护技术能有效地控制深部软岩巷道交叉点的变形 问题 ， 是一种有效控制深部软岩巷道交叉点 变形 的支护 形 式． 关 键词 深部 ；软岩 巷道 ；交叉 点 ； 数 值模 拟 ；柔层 桁 架 中图分 类号 TD 3 5 3 文献标 识 码 A Co u nt e r me a s u r e s Ai mi n g a t t he Su p po r t f o r Cr o s s i n g Ro a d wa y o f De e p l y Bur i e d S o f t Ro c ks i n Xi ng’ a n Co a l M i n e H E M a n c ha o，LI Gu o - f e n g， S c h o o l o f Me c h a n i c s Ci v i l En g i n e e r i n g．Ch i n a Un i v e r s i t y LI U Z h e 。CAI J i a n o f Mi n i n g Te c h n o l o g y，Be ij i n g 1 0 0 0 8 3，Ch i n a Ab s t r a c t W i t h t he i nc r e a s e o f m i ni ng de pt h，t he ge o l o gi c a l c ond i t i on s be c ome mo r e a nd mor e c o m p l i c a t e d． Und e r t he i nf l ue nc e of t he S O c a l l“ Thr e e h i gh a nd o ne di s t ur b a nc e ”，n a me l y t he hi g h gr o un d s t r e s s，hi g h g r ou nd t e m p e r a t ur e，hi g h k a r s t hy dr a ul i c pr e s s ur e，a n d i nt e ns e mi n i ng d i s t ur ba nc e，t he s upp or t o f de e p s o f t r o c k r o a dwa y， e s p e c i a l l y a t t he c r o s s p o i nt o f t wo r o a d wa y s，b e c o m e s v e r y di f f i c ul t ．I n or d e r t o s o l ve t hi s pr o bl e m ，ba s e d on t he e ng i ne e r i ng c a s e a t t h e s o l i d c r o s s e d i n t e r s e c t i o n o f s i n g l e e n g i n e r o a d wa y a n d wa t e r s u mp o n t h e 4 t h h o r i z o n o f Xi ng’ a n Coa l M i ne，H e g a ng Co a l M i ne Gr ou p Co r p o r a t i o n，t he p r i nc i pl e o f f l e x i bl e l a ye r t r u s s s up po r t wa s i nt r o du c e d ．Th e FLAC如 s of t wa r e i s us e d t o nu m e r i c a l l y s i mul a t e d t he pr a c t i c a b i l i t y o f f l e x i b l e l a y e r t r u s s t e c h n i q u e u s e d a t t h e d e e p M e s o z o i c s o f t r o c k r o a d wa y i n t e r s e c t i o n ． The e ng i ne e r i ng a pp l i c a t i o n i nd i c a t e s t ha t t he f l e xi bl e l a y e r t r us s t e c hn i qu e， a s a n e f f e c t i v e me t h od，c a n be us e d t o c o nt r o l t he d i s t or t i o n o f s ur r ou nd i ng r o c k a t t he i nt e r s e c t i o n． Ke y wo r d sde e p；s o f t r oc k r o a dwa y；i nt e r s e c t i o n；n um e r i c a l s i m ul a t i o n；f l e x i bl e l a y e r t r u s s 近几十年来 ， 随着煤矿开采深度不断增 加， 工 程灾害 日趋增多， 尤其是深部巷道交叉点处的围岩 大变形 、 流变、 地温升高等 ， 对深部资源的安全高效 开采造成了巨大威胁 ． 而国外一些 主要 产煤 国 家从上世纪 6 O年代就开始进入深井开采． 因此 ， 深 部巷道交叉点 围岩稳定性控制是一个 国内外都研 究的焦点问题 ， 并且是 国内外岩土工程界的难题之 一 [ 4 _ ．兴安矿四水平水仓 新开巷 道 与单机车线 已开巷道 形成空间立体“ 十字” 型交叉点 ， 由于两 条巷道的断面面积都 比较大 ， 所以给水仓巷道支护 收稿 日期 2 0 0 6 0 82 7 基金项 目国家 自然科学基金重大项 目 5 0 4 9 0 2 7 0 ； 教育部科学技术研究重 大项 目 1 0 4 0 5 作者 简介 何满潮 1 9 5 6 一 ， 男 ， 河南 省灵宝市人 ， 教授 ， 博士生导师 ， 博士 ， 从事软岩 、 边坡及工程地质 、 地热工 程等方 面的研究 E - ma i l h e ma n c h a o 1 6 3 ． c o rn T e l 0 1 0 - 6 2 3 3 1 2 9 4 维普资讯 1 2 8 采矿与安全工程 学报 第 2 4卷 带来 了很大困难． 对 于常规采用一般支护形式的软 岩巷道交叉点等咽喉部位 ， 由于断面较大 ， 同时受 应力集 中的影响 ， 造成交叉点部位支 护条件恶劣 ， 失稳翻修屡屡出现 ， 不仅耗 资巨大 ， 而且危及矿井 安全生产． 柔层桁架支护技术就是针对 目前这些问 题而设计的一种更佳的支护手段【 2 ] ． 1 工程概况 兴安 矿位 于黑 龙 江省鹤 岗矿 区西南 部 ， 距 鹤 岗 市区约 1 0 k m， 与峻德矿和富力矿相毗邻 ， 生产 能 力为 3 6 0万 t ／ a ． 其四水平延伸工程井底 车场埋深 为 7 5 0 m， 属深部 中生代软岩矿井． 单机车线开挖 毛断 面尺寸 为 5 5 6 0 mm5 1 7 4 mm， 水 仓开 挖 毛 断面尺寸为 5 1 6 0 mm4 8 4 0 mm， 单机车线在上 为 已开 巷道 ， 水仓 在下 为新 开巷道 ， 其 间厚 度为 2 1 9 mm， 在 空间上形成了一个立体十字交叉巷道 图 1 ， 由于其两条巷道 中间的岩层厚度只有 2 1 9 mm， 围岩岩性为泥质砂岩且 层理发育 ， 施工 时又 相 互影 响 ， 更 加 剧 了支 护 的难度 ． 图 1 巷道交 叉点相对位置 Fi g ．1 Re l a t i v e p os i t i o n o f r oa dwa y i nt e r s e c t i on 2软岩巷道变形 力学机 制分析 通过对兴安矿四水平软岩工程地质特征以及 室内物化力学试验分析 见表 1 ， 取样位置为 四水 平单机车线帮部 ， 可以确定兴安矿 四水平软岩 的 变形力学机制 ， 并据此制定相应 的支护力学对策． 表 1矿物 x ． 射线衍射分析报告 日期 2 0 0 5 - 0 8 - 0 4 T a b l e 1 X - r a y d i f f r a c t i o n o f t h e mi n e r a l Da t e 2 0 0 5 - 0 8 - 0 4 注 S为 蒙 脱 石 ； I 为 伊 利 石 ； K 为 钾 长 石． 通过表 1 试验结果可以看 出， 膨胀性黏土矿物 伊／ 蒙混层的平均含量高达 7 3 ， 最高为 8 9 ， 使 围岩具有较高的膨胀性 、 吸水性． 由此可见 ， 兴安矿 四水平软岩的变形力学机制并不是单一型的变形 力学机制 ， 而是高应力强膨胀复合 型软岩 ， 这也正 是软岩巷道难支护的关键所在． 经研究 ， 兴安矿 四水平水仓与单机车线交叉部 位 的变 形 力 学 机 制 为 I A B Ⅱ 。 Ⅲc Ⅲ 型 ， 即具 有 分子膨胀、 胶体膨胀的膨胀机制 、 重力高应力和巷 道交叉相互影响 的工程偏应 力共 同作用 的应力扩 容 型 以及水仓 巷 道顺 层开 拓 、 切层 开拓 所 引起 的结 构变形型的高应力强膨胀复合型软岩巷道． 对 I Ⅱ 。 Ⅲ Ⅲc c 复合型软岩巷道交叉点关 键部位 ， 首先经过初期变形释放部分非线性膨胀能 和塑性能 ， 使其转化为 比较简单的 Ⅱ 。 Ⅲc Ⅲc c 型， 再采用锚杆三维优化技术 ， 有效控制结构变形 ， 使 其转化为 ⅡB D 型， 再采用柔层桁架支护结构设计 ， 使交叉点的任何部位应力集 中点迅速扩散到邻近 支护构件上 ， 使应力均匀化． 这是该大断 面巷道交 叉工程部位一次支护成功并达永久稳定的关键． 具体的转化及支护力学对策如下 I 。 Ⅲ c A Ⅲ c Ⅱ B D Ⅲ c A Ⅲ Ⅱ 墼 3 巷道支 护设计及对策 3 ． 1支 护对 策 兴安矿 四水平单机 车线与水仓立体交叉点 的 埋深 7 5 0 m 及断 面较 大， 开挖后 应力 集 中程度 高 ， 围岩岩性较差且强度较低 ， 根据 以上对巷道变 形力学机制及转换对策的分析 ， 对其交叉点采取 了 锚网索喷底角锚杆柔层桁架支护技术[ 2 ] ． 3 ． 2柔层 桁架支 护 的定 义及 其 力学 原理 从力学概念上讲 ， 柔层桁架支护是在支护体 内 设置刚性层和柔性层 ， 之 间预 留一定量的间隙 ， 使 其能够大幅度地吸收高应力 软岩的大变形 ， 利用 钢 架材料所具有的优势特性 ， 通过力学杆件将其劣势 特性转化 ， 从而提高支护的整体稳定性[ 2 ] ． 这样就 形成了所谓的柔层桁架 ， 它具有充分 的间隙适应软 岩的大变形 ， 同时又在一定的时刻具有充分的刚度 限制 围岩的有害变形 ， 从而使之成为高应力转化最 多、 围岩强度保护最好的一种支护技术． 一 般钢架支护在大型硐室或交叉点支护时所 产生的破坏 ， 主要是弯曲变形和扭 曲变形等刚度破 坏， 以及剪坏和拉 坏等强度破坏． 这主要是 由于钢 架本身结构刚度低 ， 所具有 的抗弯 、 抗扭 能力 差等 劣势造成的． 而钢架所具有的优势是材料强度高 ， 维普资讯 第 2 期 何满潮 等 兴安矿深部软岩巷道 交叉点支护技 术 抗拉、 抗压以及抗 剪能力强． 利用连接件将单层 的 工 字钢 支架 连接 成 双 层 的 支 架 ， 在 横 向上 ， 利 用 连 接杆将单个的支架连接成立体桁架 ， 使之成为一个 整体， 从而把钢架 的抗弯 、 抗扭 的部位通过结构设 计转化为抗拉 、 抗压或抗剪 的性能． 同时， 在柔性喷 层和钢架之间预留一定量的空隙， 在 刚隙柔层的控 制 下 ， 围岩有 限制 的充 分变 形 ， 释放 变形 能 量 ， 从 而 形成 比较均匀的外部 塑性工作状态 区和 内部弹性 工作状态 区， 以达到把高应力能量转化为变形或把 高应力转移到围岩 内部的 目的， 待柔性喷层与钢架 接触 时 ， 再 喷混 凝 土永 久支 护． 3 ． 3 支 护参数 设 计 水仓新开巷道断面为直墙半圆拱型 ， 支护设计 见图 2 ． 一 軎 竺 一 一鼯 单轨线地坪 I 1 0 5 6 0 } _ 0 0 锚 杆 上一’ 。 二二 _ 一 l L 5 0 0 0 锚索 图 2 交叉 点柔层桁架支护设计 图 mm Fi g ． 2 De s i g n f o r f l e x i b l e l a y e r t r u s s s u p p o r ti n g o f i n t e r s e c t i o n 1 锚 杆 采 用 4 , 2 o mm 左 旋 无 纵 筋 等 强 螺 纹 钢 锚 杆 ， 长 度 2 2 0 0 mm， 间 排 距 8 0 0 mm 8 0 0 mm， 三花布 置 ， 预 紧力 不小 于 8 0 k N． 2 锚索 锚索采用 1 8 ． 4 mm钢绞线锚 索， 长 度 8 0 0 0 mm， 间排距 1 6 0 0 mm1 6 0 0 mm． 帮部 锚索长度 5 0 0 0 mm， 锚索紧跟迎头安装时预紧力 为 1 0 0 k N， 滞后迎头安装时预紧力为 1 2 0 k N． 3 底角锚杆 采用 2 5 mm 左旋无纵筋等强 螺纹钢 锚杆 ， 长 度 2 5 0 0 mm， 每侧 一根 ， 排距 为 7 0 0 mm． 4 金属网 采用 6 ． 0 mm 钢筋焊接 而成 ， 网 片尺 寸 为 9 0 0 mm9 0 0 mm， 网格 尺 寸 8 0 mm 8 0 mm ． 5 混 凝 土 初 喷厚度 6 0 mm， 预 留 1 0 0 mm 空 隙 ， 复喷至与桁架接触 ， 1 ～2个月后实施永久支护 即浇筑混凝 土至桁架外 8 0 mm． 喷射混凝 土强度 等级 C 2 o ， 浇筑混凝 土等级 C 4 o ， 混凝 土 中加入适 量早 强剂 、 防水 剂． 6 金属桁架材 料为 l 1 矿用 工字钢 ， 支 架间 距 8 0 0 mm． 墙 部 支架 与 底 拱 部 支 架之 间利 用 平衡 消力 接 口联 结 板 及 M2 0 mm7 0 mm 螺 栓 连 接 ． 支架之间通过等边 9 角钢连接杆及焊接 A3钢连 接件联结． 3 ． 4施 工顺 序 施 工 顺序 为 断 面成形 一 移前 探梁 一 铺顶 网一 超前支护一 出渣一联顶 网及挂 网一铺联帮 网及挂 网一预喷浆一初次支护一初 喷混凝 土一打底角锚 杆一下一个锚网喷支护循环一 清底一架设工字钢 桁架一浇筑底板混凝土一复喷混凝土一永久喷射 混凝 土 ． 4 数值模 拟分析 为了验证柔层桁架支护技术 能有效控制交叉 点围岩变形 ， 应用有 限差 分程序 F L AC ∞， 构建如 下 3种支护形式的三维计算模型 图 3 ． 计算范围 长宽高 一3 0 m3 0 m3 0 m， 共划分 1 3 9 6 0 个单元 ， 1 5 9 9 0个 节 点． 该模 型侧 面 限制水 平移 动 ， 底 部 固定 ， 模 型上 表 面为应 力 边界 ， 施加 的荷 载 为 1 5 MP a ， 模拟上覆岩体的 自重边界． 材料破坏符 合 Mo h r ～ C o u l o mb强度准则． 工程岩体 的物理力学 计算参数见表 2 ． 水平方向的侧应力系数为 0 ． 3 ， 载 荷大小为 6 MP a ． 图 3 计 算模型剖 面图 F i g ． 3 S e c t i o n o f c a l c u l a t i n g mo d e l 表 2工程岩体物 理力学参数 Phy s i c a l - me c ha n i c a l pa r a m e t e r s of e n g i n e e r i n g r o c k ma s s 序号 1 2 3 4 岩性名称 容重／ k g m 体积模量／ GP a 剪切模量／ GP a 抗拉强度／ MP a 黏结力／ MP a 内摩擦角／ 。 中砂泥岩 砂岩泥岩 煤混泥岩 泥砂岩层 水仓新开巷道 3种支护形式分别是 1 锚 网 锚索 柔层桁架． 其计算模型如图 4 ． 喷锚索； 2 锚 网喷 锚索 单桁架 ； 3 锚 网喷 维普资讯 1 3 O 采矿与安全 工程 学报 第 2 4 卷 算 算 上 d 垂直应力分布 下行巷道为单桁架支护 e 位移变化 下行巷道为柔层桁架支护 D 垂直应力分布 下行巷道为柔层桁架支护 图 6 上行巷道 锚 网喷 围岩位移及应力分 布 F i g ． 6 Di s p l a c e me n t a n d s t r e s s d i s t r i b u t i o n o f a b o v e r o a d wa y s u p p o r t e d b y b o l t me s h a n d g r o u t i n g 岩 分 维普资讯 第 2 期 何满潮等 兴安矿深部 软岩巷道交叉点支 护技 术 从 这 3种不 同支 护 形式 下 的上 行 和 下 行 巷 道 的位移和应力变化 图可以看 出， 第 1 种支护形式巷 道 位移 变 化 最 严 重 ， 变化 最 大 量 为 2 0 2 mm， 应 力 集 中现象严重 ， 对上行巷道影响也非常严重， 由于 两帮收缩导致上行巷道帮部 、 肩部应力非 常集 中． 第 2种支护形式位移量和应力分布相对于第 1种 形式有所 改善 ， 新 开 巷道 最 大 位移 变 化量 为 7 0 ml T l ， 应力集 中程度也有所改 善， 对上行巷 道影 响 也有所减小 ， 但是应力分布仍然集 中． 第 3种 支护 形式即本次使用的支护方式效果最好 ， 位移变化量 最大只有 2 5 mm， 由于柔层 的作用 ， 围岩能充分 释 放变形能 ， 所以应力分布均匀 ， 受力 良好 ， 并且对上 行巷道变形收敛有积极 作用 ， 上行巷道变 形只有 1 0 mm左右． 因此， 选用柔层桁架来支护兴安 矿四 水平单机车线与水仓交叉点巷道是合理可靠的． 5 实施效果 兴安矿 四水平单机车线与水仓交叉点关键部 位采用了柔层桁架支护技术 ， 巷道变形得到了有效 控制 ， 巷道造型 良好． 为了检验支护效果 ， 在交叉点 上下两 条巷 道分 别 各设 一 组 测 站 设 点 时 间为 2 0 0 6年 5月 1 2 日 ， 分别 监 测 巷 道 围岩 的 两 帮 收 缩 、 顶板下沉和底鼓 ， 经过 4 0 d的监测 ， 结果表明， 上 行巷 道 围岩 最 大 变 形 为 1 3 mm； 下 行 巷 道 围 岩 最大变形为 2 0 mm， 现在都已经趋 于稳定 ， 见图 7 ． 图 7 位移变化 曲线 Fi g．7 Di s p l ac e me nt v a r i a t i o n c ur v e 6 结 论 1 计算机数值模拟结果表 明， 在兴安矿 四水 平单机车线与水仓交叉点的支护中， 深部软岩巷道 交叉点开挖后应 力非常集 中， 围岩变形很 大， 在锚 网喷支护技术下巷 道变形最 严重 ， 最大位移量 为 2 0 2 mm， 应力集中严重 ； 单桁架支护巷道变形虽有 所改善但应力分布不均匀 ， 巷道两肩部应力集 中严 重 ； 柔层桁架支护效果最好 ， 巷道位移变形 只有 2 5 h i m， 应力 分 布均 匀 ， 对上 行巷 道影 响最小 ． 2 工程实践表明 ， 针对兴安矿深部 中生代高 应力膨胀性软岩巷道立体交叉点关键部位 ， 采取柔 层桁架支护方式是可靠的 ， 该支护技术不仅有效地 控制 了深部软岩巷道交叉点的变形问题 ， 而且节省 了钢架和混凝土的用量 ， 具有较高的经济效益和实 用价值 ， 值得在类似兴安矿中生代软岩的矿区推广 应 用． 参考文献 [ 1 ] 何满潮 ， 谢和平．深部 开采 岩体力学研究 [ J ] ．岩石力 学与工程学报 ， 2 0 0 5 ， 2 4 1 6 2 8 0 3 2 8 1 3 ． HE M a n - c ha o，XI E He - pi ng ． St udy on me c ha ni c s i n d e e p mi n i n g e n g i n e e r i n g [ J ] ．C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k M e c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g，2 0 0 5 ，2 4 1 6 2 8 0 3 2 81 3． E 2 ] 何 满潮 ， 孙 晓明．中国煤矿 软岩 巷道工程 支护设计 与 施 工指南[ M] ．北京 科学 出版社 ， 2 0 0 4 1 0 5 1 0 9 ． [ 3 - 1 何 满 潮 ， 袁 和 生．中 国煤 矿 锚 杆 支 护理 论 与 实 践 [ M] ．北京 科学 出版社 ， 2 0 0 4 1 2 1 5 ． E 4 1 何满潮 ， 景海 河 ， 孙 晓明．软岩 工程力 学[ M] ．北京 科 学出版社 ， 2 0 0 2 2 6 0 2 6 8 ． E 5 - 1 HE Ma n - c h a o ，D UA N Qi n g we i ，S UN Xi a o mi n g ． Comp ut e r n ume r i c a l s i mul a t i on o f s o f t r o c k i n Chi na ． Comp ut e r a ppl i c a t i o ns i n t he mi ne r a l s i nd us t r i e s [ C] ／ ／ X I E，WAN G，J I A NG． Mi n i n g S c i e n c e a n d Te c h no l o gy ． Rot t e r da m A A Bal ke ma，2 001 ． 维普资讯