鸡西荣华立井西运输巷软岩支护技术研究.pdf

2 0 1 6年第 1 2期 总第 1 3 5期 缸 潦 占 钍 E N E R G Y A N D E N E R G Y C O N S E R V A T I O N 2 0 1 6年 l 2 月 鸡西荣华立井西运输巷软岩支护技术研究 李佳臻 大同煤炭职业技术学院，山西 大同 0 3 7 0 0 0 摘要 以龙煤矿业集团鸡西分公司荣华立井煤矿西主运输维修大巷为研究对象，根据西主运输大巷围岩物理力学试 验及钻孔窥视仪和地质探测仪松动圈测定结果，确立巷道支护结构和支护参数。利用C O M S O L 有限元数值模拟软件进行 数值模拟计算，论证 了 “ 锚网索喷 u 型钢可伸缩性支架”联合支护技术对于深部软岩巷道稳定性控制具有良好的效果。 关键词 深部开采 ；软岩巷道 ；联合 支护；数值模拟 中图分类号 T D 3 5 5 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 0 8 0 2 一 2 0 1 6 1 2 0 1 6 4 0 3 S t ud y o n t h e S o f t Ro c k S up po r t Te c hn o l o g y Us e d i n W e s t Tr a n s po r t a t i o n Ro a dwa y i n Ro n g hu a Ve r t i c a l S h a f t i n J i x i Co a l Mi n e L I J i a z h e n D a t o n g V o c a t i o n a l a n d T e c h n ic a l C o l l e g e o f Co a l ， D a t o n g 0 3 7 0 0 0 ， S h a n x i ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ， t h e t r a n s p o r t a t i o n r o a d w a y o f Ro n g h u a s h a f t c o a ]mi n e o f J i x i B r a n c h Co mp a n y i n L o n g me i Mi n i n g Gr o u p i s t h e e n g i n e e ri n g i n s t a n c e ． Ac c o r d i n g t o t h e p h y s i c a l me c h a n i c s t e s t o f s u r r o u n d i n g r o c k a n d t h e d e t e r mi n a t i o n o f l o o s e c i r c l e o f t h e we s t ma i n h a u l a g e r o a d wa y ，t h e r o a d wa y s u p p o rt s t r u c t u r e a n d s u p p o p a r a me t e r s i s e s t a b l i s h e d ． T h e s i mu l a t i o n s o f t w a r e o f COMS OL i s u s e d f o r t h e n u me ric a l s i mu l a t i o n ， t h u s i t i s d e mo n s t r a t e d t h a t t h e c o mb i n e d s u p p o t e c h n o l o g y o f” c a b l e a n c h o r a n d s h o t c r e t e U t y p e s t e e l b r a c k e t”i s t h e e ffe c t i v e me t h o d t o c o n t r o l t h e s t a b i l i t y o f d e e p s o ft r o c k r o a d w a y ． Ke y wo r d s d e e p mi n i n g ； s o f t r o c k r o a d wa y ； c o mb i n e d s u p p o r t ； n u me ri c a l s i mu l a t i o n 0 引言 随着煤矿开采规模不断扩大 ，开采纵 向由浅部 向 深部逐步延伸 ，深井巷道支护越加 困难 ，深部软岩巷 道 围岩的稳定性控制问题 日益突出，直接影响着矿井 安全高效生产【 】 - 2 ] 。本文 以龙煤矿业集团鸡西分公 司荣 华立井煤矿西主运输大巷为工程实例 ，通过对西 主运 输大巷地质特征研究分析 ，提出解决深部软岩巷道支 护的联合技术方案。 1 立井概况 龙煤矿业集团鸡西分公 司荣华立井位于鸡西煤 田 南部条 带东缘 ，采用立井 开拓方式 ，设计 生产能力 2 1 0 x 1 0 t ／ a ，开采水平一 6 5 0 m，深度达到8 2 8 m嘲 。西 主运输大巷位于一 6 5 0 1T I 井底车场 的西南部 ，方位7 O 。 ， 起 于副井 空车线 ，向西南方 向延伸 ，巷道设 计长度 1 8 0 0 I n ，坡度 0 ． 4 ％，现 已施工1 9 0 In。西主运输大 巷建设初期采用锚喷支护 ，但由于巷道地质特性 ，巷 道变形严重 ，维修过程采用锚杆 、锚索 、金属网、w钢 带、喷浆联合支护， 对于巷道稳定性控制效果不理想。 2 地质特征 2 ． 1 巷道 围岩物理力学测定及其矿物成分分析 为了准确掌握荣华立井西主运输大巷 围岩物理力 收稿 日期 2 0 1 6 1 0 1 7 基金项目国家 自 然基金项 目 5 1 0 7 4 0 6 8 ；黑龙江省教 育厅基金重 点项 目 1 1 5 5 1 z 0 1 3 作者简介 李佳臻，1 9 8 7 年生，男，黑龙江七 台河人，2 0 1 4 年毕业 于黑龙江科技大学采矿工程专业，硕士 ，助教。 l 6 4 学性质及矿物成分含量，对西主运输大巷围岩7 慑 进行 采样 ，对岩样进行实验室物理力学测试 ，部分试样试 验图，如图1 所示 。结果表明西主运输大巷 围岩单轴 抗压强度最大接近5 0 MP a ，岩样在干燥状态下 ，其单 轴抗压强度并不是很低。根据黑龙江省鸡西矿业集 团 鸡西荣华立井深部高应 力软岩巷道复合支护技术研 究矿物成分和微观结构分析报告，测试 结果表 明，围岩体内矿物非晶质及粘 土矿物含量较高 ，遇水 易软化膨胀 ，属于膨胀性软岩 。 2 ． 2 围岩微观裂隙观测 使用钻孑 L 窥视仪测试荣华立井西主运输大巷围岩 裂隙分布情况，如图2 、图3 所示。实际操作中发现 ，巷 道在湿式凿岩钻孔 中，孔壁围岩受水侵蚀 、软化强烈 ， 单轴压缩试验 文件名叫遮 出 量 划 四 1 1 2 t 5 2 4 I 40．0 I 直径 [j亟] 一 手 高 [玉团 一 要弧 0 最大应力 L _]M 弹性模量 [五耍] C P a 2 O 0 变形模量 [ 要] C P a 1 O ． O 泊松比[ 豆] 帝 骤L L _ J M 一 控制 些 墼 波 形L卫 挂 J 0 ．0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 o o 4 0 0 0 5 O ．o o 速率L业 _ J 横向应变【E 一 3 ] 终点L虻 三 一 J 一 图 1 部分试件单轴压缩试验图 李佳臻 鸡两荣华立井两运输巷软 支护技术研究 节理 、裂隙发育，孑 L 壁泥化严重 ，钻孔深部塌孑 L ，甚至 堵孑 L ，以至于窥视仪探头伸不进去 ，无法观测钻孑 L 内 部情况。这也直接证 明荣华立井软岩受水易软化膨胀 的性质 图 2 干打钻孔探测图 图 3 湿式钻 子 L 探 测 图 2 ． 3 围岩 松动 圈探 测 根据K D Z 1 l l 4 3 便携式矿外地质探测仪探测，从网 4 可以看 { ，从第l 0 组波开始 ，波的性质发生变化。第 1 l 组波段 以后的波形性质大致相同。由于推进步距为 2 0 I 1 ／ 1 ，因此可以断定松动圈大概范围在2 ． 0 1 1 1 ～2 ． 2 m 之间。结果表明西主运输巷道 同岩松 动圈大概范嗣在 2 ． 0 I 1 1 ～2 ． 2 I 1 1 之间 、 0 ． a 0 2 3 ． 0 0 2 6 ． 8 0 2 9 ． O O 2 1 2 图4围岩松动圈探测波形结果 时 间， s 3 支护对策 a 荣华立井开拓 1 3 7 6 队施T西主运输大巷 ，巷 道设计长度1 8 0 0 I I 1 ，现已施 T1 9 0 I I 1 。由于西主运输 大巷是维修巷道 ，原始巷道 南于支护失效，巷道变形 严重．甚至断面全部封堵 j根据巷道变形规律监测结 果推测 ，巷道两帮 力大于顶板压 力，底板压 力大于 两帮 力。巷道维修施丁方案采厢Z WY l 8 0 ／ 5 5 I 履 带挖 掘式装载机掘进巷道 掘进后巷道局部 采用锚 忏 、锚 索进行简单支护 简单支护的主要作用 是对同岩进行 加固，尽量控制和减少围岩变形破坏 ． ． 根据西 主运输 大巷变形规律监测结果 ，在巷道变形稳定之前进行二 次支护 ，时问确定为7 d 左右。二次支护的主要作川是 进一步促进巷道同岩的稳定 ，是在巷道 同岩已产生一 定变形和塑性能得到一定释放后进行的J J l l 强支护 ．以 保证巷道同岩强度不会显著降低甚至变形破坏； I 二次支护巷道断面为马蹄形 心拱断面 ，如N5 所示 。巷道宽度5 ． 2 r r l ，巷道高度4 ． 1 n l ，锚杆长度2 ． 6 11 1 ，问排距0 ． 8 m；锚索长度7 II 1 ，排距 1 ． 6 l n 在采取 锚杆 、锚索 、锚网 、喷射混凝土联合支护的同时．采用 U 2 9 钢架支护 、钢架间距0 ． 5 m～ 0 ． 8 m。具体支护参数 包括 a 基本支护方式为锚杆 喷射混凝土 ； 1 补强支 护方式为钢绞线锚索；㈤永久支护方式为L 型钢可缩性 支架 ； d 表 面封闭方式 为喷射混凝土 ，喷射厚度 1 0 0 m m； e 锚杆材料为2 5 M n S i 左旋螺纹钢 ，顶板锚杆 2 2 I1 1 I l l X 2 6 0 0 1 1 1 1 1 1 ，帮锚杆q b 2 2 I l l I I 1 X 2 5 0 0 n l i i 1 ；锚杆问 a 1断 面支护 方式 8 0 l f 0 0 - ● _ ● - ● ● I ● l t ● t I ● I - ● - - - ● _ ● ● l l ● I ● ● ● ● t ● - ● - - ● - - - ● I l I ● I ● ● ● ● h 1断面 支护 布置方式 图 5 二次支护巷道断面及布置方式示意图 l 6 5 2 0 1 6 第1 2 期 缸； { 【 与 钍 排距 为8 0 0 h i m，锚杆均沿垂直巷道轮廓线方向打设 ， ，L } I 两支Z 2 3 6 0 锚 固齐 lJ ；采用厚度为1 0 mm的钢板穹形多 功能锚 索托盘 ，规格 为1 5 0 m mx I 5 0 m m1 0 m mf 0 锚索材料为7 股钢绞线 ，q b 2 1 ． 6 ra m 7 0 0 0 h i m；锚索布 置方式为每排5 根 ，排距 1 6 0 0 m m；锚 同剂为K 2 3 6 0 和 Z 2 3 6 0 各一支。采 厚度为2 0 m m 钢板穹形多功能锚索 托盘 ，规格为3 0 0 min x 3 0 0 m m x 2 0 m m． ． 4 模拟研究 利川 0 Ms 0 1 有限元数值模拟软件 ，对荣华立井煤 矿西 主运输大巷支护方案进行数值模拟 ，对围岩应 力 和应变分 布特征进行分析 。根据荣华立计煤矿西 主运 输大巷埋藏深度_币 I I 地质情况及巷道分布 、断面大小计‘ 算得 ⋯模 4 寸为 长 宽 高 1 0 0 m 3 6 m6 0 m 在模 的上部采川载荷来代替上部岩层的重量。 两主运输 大巷挖深度6 5 0 -n ，单元总数为4 8 4 2 6 个 岩层倾角2 0 。 ，巷道全长 1 0 0 m，共穿过不同地层5 层 ，各层物理力学性质参数 下表 l ，锚杆和混凝土支 护参 数 下表 2 所示 ， 表 1 岩 层的 物理 力学 参数 厚 度 弹性 模量 粘 聚力 C 内摩擦 角0 密度 P 序号 岩性 泊松 比 “ I n GP a MP a k g h n 1 粉 砂 暑 9 0 2 8 0 ． 2 3 1 l _ l l 3 5 2 5 2 0 ， 凝 灰 z 4 “ 岩 0 ． 4 6 ．0 4 7 0 ． 2 5 2 1 ．O 2 4 2 2 5 0 0 一 3 细 粉 砂 暑 l ． 7 5．5 2 4 0 ． 2 3 3 1 ． 1 3 3 6 2 5 2 0 4 粗 砂 岩 6 ． 5 427 4 0 ． 2 2 4 1 ．0I 3 4 2 】 0 O 5 中细砂岩 5 ．8 I 6 0 ． 2 9 3 2 ． 1 2 3 8 2 5 2 0 表 2 锚杆、 混凝土支护参数 弹性模量 直径 项 目 泊松 比 “ P a n l ll l 锚 轩 2 0 0 2 2 O．3 锚 京 9 8 ． 6 2 l 6 O - 3 C 2 混凝 土 2 0 1 0 0 Ol2 2 采川马蹄形 心拱断面巷道 ，在 “ 锚喷 u 型钢支 架”联合支护条件下 ，应力主要分布在顶底板和两帮 ， 【 Jj j 帮啦力较大，最大应力值2 MP a ，顶底板应力较小 ， 最小应力值0 ． 3 8 6 M P a ，两帮应变大于顶底板 ，如下冈6 所示 ；喷 浆层 最 大应 力 值3 5 ． 8 MP a ，最 小应 力 3 ． 3 7 M P a ，两帮应变大于顶板和底板 ；锚杆、锚索主要受托 应力，最大应力值9 ． 9 M P a ，U 型钢支架主要受压应力， 3 7 ． 6 M P a ，如图7 所示 。 5 结语 以龙煤矿业集 鸡西分 公司荣华立 外煤矿西主运 输维修 久巷为研究对象，实验室测试 了巷道围岩物理 1 6 6 图6马蹄形三心拱形巷道“ 锚喷 U型钢” 联合支护应力分布图 图 7 马 蹄形 三心 拱形巷 道锚 杆 、 锚 索 、 U型 钢水 平应 力分 布图 力学性质 ，利川钻孔窥视仪和地质探测仪探测围 松 动圈 ，结合西主运输大巷实际情况 ，提f I I 了应对深部 软岩巷道的 “ 锚网索喷 【 ] 型钢 叮伸缩性 支架”联合支 护技术 ，并运用C O M S O L 有限元数值模拟软件对其进行 模拟验证 ，确立最优支护方案。 参考文献 [ 1 ] 杨峰． 高应力软岩巷道变形破坏特征及让压支护机理研 究 [ D] ． 北京 中国矿业大学， 2 0 0 9 ． [ 2 ] 李冲． 软岩巷道让压壳一网壳耦合 支护机理与技 术研 究[ 1 1 ． 北京 中国矿业大学， 2 0 1 2 ． [ 3 ] 秦玉明 ， 郝福坤． 荣华立井软岩复合 支护技 术『 C] ／ ／ 秦玉明． 中 国软岩工程与深部 灾害控制研究进展 第四届深部 岩体 力学与工程 灾害控制学术研讨会 暨中国矿 业大学北京 北京1 百年校庆学术会议论文集． 北京 中国矿业大学， 2 0 0 9 ． [ 4 ] 何满潮． 苏永华． 地下软岩工程可靠度研 究『 J ] ． 岩土工程 学报 ， 2 0 0 3 ， 2 5 f 1 5 5 5 7 ． [ 5 ] 何满潮， 邹正盛， 邹友峰． 软岩巷道工程概论[ M ． 北京 中国矿 业大学出版社， 1 9 9 3 ． 责任编辑 季鑫