高应力超大断面硐室围岩控制对策研究.pdf

第52卷第8期 煤炭工程 COAL ENGINEERING Vol.52, No. 8 doi 10.11799/ce202008014 高应力超大断面硐室围岩控制对策研究 孟宪志U2，刘阳军3, 王业征3 1.中煤科工开采研究院有限公司，北 京 100013;1.中煤科工开采研究院有限公司，北 京 100013; 2 . 天地科技股份有限公司开采设计事业部，北 京 100013;2 . 天地科技股份有限公司开采设计事业部，北 京 100013; 3 . 内蒙古伊泰广联煤化有限责任公司，内 蒙 古 鄂 尔 多 斯 0170003 . 内蒙古伊泰广联煤化有限责任公司，内 蒙 古 鄂 尔 多 斯 017000 摘 要 针对深部高应力超大断面硐室围岩易失稳的问题，以红庆河煤矿设备换装硐室为工程 背景，采用FLAC3D数值模拟软件分析了在低扰动掘进条件下超大断面硐室的围岩应力分布特征及 变形规律，结果表明高应力条件下，超大断面硐室塑性区范围明显变大，硐室帮部及底板相对于 顶板更容易发生失稳，并提出强力一次全断面支护对策，底板锚索采用水泥灌浆实现全长预应力锚 固。现场实践表明，硐室围岩稳定，变形量控制在30mm以内。 关键词高应力；超大断面硐室；高预紧力；一次支护；围岩穗定 中图分类号TD325 文献标识码 A 文章编号167卜0959202008-0064-04 Surrounding rock control measures of high stress super-large section chamber MENG Xian-zhi12, LIU Yang-jun3, WANG Ye-zheng3 1. Coal Mining Research Institute Co. , Ltd. , China Coal Technology and Engineering Group, Beijing 100013, China； 2. Coal Mining and Designing Department, Tiandi Science and Technology Co. , Ltd. , Beijing 100013, China； 3. Inner Mongolia Yitai Guanglian Coal Chemicals Co. , Ltd. , Ordos 017000, China Abstract Based on the problem that the surrounding rock of deep high stress and super large section chamber is unstable, taking the equipment replacement chamber of Hongqinghe Coal Mine as the engineering background, with the numerical simulation , the stress distribution characteristics and deation law of the surrounding rock of the super-large cross- section chamber under low-disturbance driving conditions is analyzed. Under high stress conditions, the plastic zone of the super- large cross - section chamber becomes significantly larger； the wall and floor of the chamber are more prone to instability. Based on this， high pre-tensioned stress and intensive bolting system is proposed to control the surrounding rock of the high-stress ultra-large section chamber. The floor anchor cable is cement grouted to achieve full-length pre - stressed anchoring. Field practice showed that the chamber was very stable and the deation was controlled within 30mm. Keywords high stress； super-large section chamber； high pre-tensioned stress ； first support； surrounding rock stability 鄂尔多斯地区作为我国重要的煤炭生产基地，随 着开采强度的增大，此地区煤矿埋深逐步延伸到 600m以上。矿井也向大型化、智能化迈进[|’2]，越来 越多的大型设备应用于井下，对硐室的断面尺寸要求 越来越大，稳定性要求越来越高，服务年限要求越来 越长。这类高应力超大断面硐室围岩往往不易稳定， 变形十分严重，需要二次甚至多次返修，且需要对破 碎围岩进行注浆加固，控制难度很大[ 3 _9]。 针对高应力大断面硐室围岩稳定性问题，许多 专家学者进行了研究和实践。谭云亮等[ 1 最大主应力云图 （b 塑性区 图 2模拟结果图 2模拟结果 为了保证硐室围岩稳定，避免底板发生底鼓, 影响硐室正常使用，对其进行全断面支护。 3围岩控制对策及效果 3 . 1 现场试验 根据数值模拟结果可知，设备换装硐室围岩塑 性区分布范围较大，容易出现失稳现象，且易出现 破碎的部位主要集中在超高帮中部及硐室底板。为 了保证硐室变形在要求范围内，采用锚网喷全断面 强力一次支护[〜5]顶 板 及 两 帮 采 用 “ 锚杆索喷 浆”联合支护；底 板 采 用 “ 锚 索 混凝土” 进行 65 施工技术煤炭工程2020年 第 8 期 底板锚索 I N I 钢筋网 w型钢护板 280 x4x450 锚索托板 300 x300 x 14 a断面支护 10- 2 3 140 120 11-12 12-02 12-22 01-11 01-31 H期 ⑷硐室拱部锚杆受力 ■*-帮 部 左 上 帮 部 左 中 帮部左下 --帮部右上帮部右中 帮部右下 -拱 部 左 上 硐室拱部锚索受力 帮 部 左 上帮 部 左 中 帮部左下 帮 部 右 上帮部右屮--帮部右下 11-30 12-10 12-20 12-30 01-09 01-19 H期 b硐室帮部锚杆受力 图 4锚杆受力监测曲线图 4锚杆受力监测曲线 分稳定。由图4b可知，设备换装硐室帮部锚杆预 紧力为50114kN时，锚杆受力较为稳定，没有出 现较大幅度的增长。其中一根锚杆受力出现大幅下 降，原因为锚杆螺母与杆体螺纹联接处失效，导致 受力急剧下降。 综上所述，设备换装硐室帮部锚杆受力相对于 拱部锚杆受力较小，且帮部锚杆稳定时间较快；硐 室拱部锚杆临界预紧力为80kN，帮部锚杆临界预紧 力为40kN。因此，通过及时安装锚杆，能够保证硐 室浅部围岩的稳定。 由图5a可知，设备换装硐室拱部锚索预紧力 为 120 200kN时，后期锚索受力比较稳定，没有出现 拱部左上拱部左下拱部右上一-拱部右下 250「 b顶 帮 支 护IW 图 3全断面支护图（图 3全断面支护图（mm 为了控制硐室的前期变形，保证硐室稳定，对 描杆索施加较高的预紧力，从而提高整体支护刚度, 描杆预紧力50kN以上，锚索预紧力200kN左右。 3 . 2 围岩控制效果分析 为了监测硐室稳定的全过程，硐室开挖后立即 安装监测仪器，监测时间达到3 个月以上。锚杆索 受力及硐室变形监测数据，如图4一图6 所示。 由图4a可知，设备换装硐室拱部锚杆预紧力 为 60kN时，锚杆受力逐渐增加，最终稳定在80 lOOkN之间；初始预紧力为llOkN时，锚杆受力十 66 11-22 12-02 12-12 12-22 01-01 01-11 01-21 01-31 曰期 b硐室帮部锚索受力 图 5锚索受力监测曲线图 5锚索受力监测曲线 〇〇〇一〇〇〇I m N l o o o o o 0 8 6 4 20 0 0 0 0 0 0 4 2 0 8 6 4 2 Npt/ -R 制 3 2 0- o o o o o o 5 0 5 0 5 2 2 11 i -R 制辆理 o o o o 0 5 0 5 2 11 较大的变化。其中一根锚索受力出现下降现象，原因 为锚索发生了失锚现象。由图5b可知，设备换装 硐室帮部锚索预紧力为160180kN时，前期锚索受力 出现一定程度的增加，增加幅度为60kN左右，后期 受力十分稳定，最终锚索受力稳定在180 240kN。 综上所述，设备换装硐室拱部锚索受力稳定在 130190kN; 帮部锚索受力稳定在180 240kN。相 比于拱部，帮部锚索受力更大，既有效控制硐室围 岩初期变形与破坏的预紧力临界值更高[17]。 25 [浅部位移 _ _ *_*_* 2〇 . 深部位移 10-26 10-28 10-30 11-01 11-03 11-05 日 期 a部变形监测 b帮部变形监测 图 6硐室位移监测曲线图 6硐室位移监测曲线 由图6a可知，设备换装硐室拱部变形主要集 中在浅部，总变形量为24mm, 深部变形量基本为 Ornrn。结合硐室拱部锚杆索受力特征可知，由于拱 形承载能力及自稳性能较好，此处支护的关键在于 保证浅部围岩的完整性。 由图6b可知，通过施加高预紧力，对围岩进 行强力一次支护，可以很好的控制帮部的变形，两 帮移近量仅为12mm，完全满足硐室变形量要求。通 过底板锚索支护，底板变形量也得到了很好的控制, 未监测到底板变形。 5结 论 1 高应力下超大断面硐室塑性区明显增大，且 支护的核心为超高帮及底板位置。 2 锚网索支护体系中，通过前期施加较高的预 紧力，不仅仅可以控制围岩变形，更有利于后期锚 杆索受力的稳定。 3 强力一次全断面支护可以很好的控制硐室的 变形，且硐室不同位置需要的预紧力临界值也不相 同。拱部主要是保证浅部围岩的完整性，锚杆受力 较大，锚索受力相对较小；帮部主要是控制围岩的 整体位移，锚杆受力较小，锚索受力相对较大。 4 通过高预紧力全断面强力一次支护体系，红 庆河煤矿设备换装硐室两帮移近量控制在12mm, 顶 底板已经量控制在24mm，完全满足生产需求。 参考文献参考文献 [1] 王国法.综采自动化智能化无人化成套技术与装备发展方向 [ J ] .煤炭科学技术，2014, 429 30-34. 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