兴安矿深部泵房吸水井硐室群支护研究与应用.pdf

煤炭 工 程 2 0 1 0年第 1 O期 兴 安矿深部泵房吸水井硐室群支护研 究与应 用 景海河，申 元 黑龙江科技学院，黑龙江 哈尔滨1 5 0 0 2 7 摘要随着矿 井开采深度的增加 ，深部软岩硐 室群稳定性控制 已成为困扰 国内 t x - 程界的 难题。为 了更好地控制大断面硐 室群破坏问题 ，结合鹤 岗矿务局兴安矿四水平泵房吸水井大断面 硐 室群工程 实例 ，通过现场调查和理论分析，提 出了兴安矿四水平泵房吸水井大断面硐 室群锚网 喷 锚 索 底角锚杆耦合支护技术 ，并在工程 中得到 了验证。 关键词 深部 开采；大断面；耦合支护 中图分类号 T D 3 5 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 0 1 0 - 0 0 2 0 -03 Re s e a r c h a nd a pp l i c a t i o n o f g r o u p s up po r t t o wa t e r pu m pi ng we l l c h a mbe r o f pu mp i n g r o o m i n d e e p mi ne o f Xi ngt m M i ne J I NG Ha l h e ，S HE N Yu a n H e i l o n g j i a n g I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，H a r b i n 1 5 0 0 2 7，C h i n a Ab s t r a c t W i t h t h e mi n i n g d e p t h i n c r e a s e d， t h e s t a b i l i t y c o n t r o l o f t h e d e e p s o f t r o c k c h a mb e r g r o u p b e c a me a d i f fi c u l t p r o b l e m i n t h e e n g i n e e r i n g i n d u s t r y a t h o me a n d a b r o a d ． I n o r d e r t o w e l l c o n t r o l t h e f a i l u r e p r o b l e m o f t h e l a r g e c r o s s s e c t i o n c h a mb e r g r o u p，i n c o mb i n a t i o n wi t h t h e e n g i n e e r i n g c a s e o f t h e wa t e r p u mp i n g we l l l a r g e c r o s s s e c t i o n c h a mb e r g r o u p f o r t h e No ． 4 l e v e l p u mp i n g r o o m i n Xi n g h n Mi n e o f He g a n g C o a l Mi n i n g Ad mi n i s t r a t i o n，wi t h t h e s i t e i n v e s t i g a t i o n a n d t he o r e t i c a l a na l y s i s ， a b o l t ／s t e e l me s h ／s h o t c r e t i n g a n c ho r flo o r c o m e r b o l t c o u p l i n g s u p po r t t e c hn o l o g y wa s p r o v i d e d f o r t h e wa t e r p u mp i n g w e l l l a r g e c r o s s s e c t i o n c h a mb e r g r o u p a t No ． 4 l e v e l p u mp i n g r o o m o f Xi n g n Mi n e a n d the c o u pl i n g t e c hn o l o g y wa s c o n fir me d i n t he e ng i n e e r i ng ． Ke ywo r ds d e e p mi n i n g； l a r g e c r o s s s e c t i o n；c o u pl i ng s up p o r t 随着煤炭工业 的发展 ，我 国基建矿井 和生 产矿井 的井 巷施工深度不 断加大 ，深 部 围岩处 于软岩状 态 ，地质 环境 趋于复杂 ，软岩 问题 愈趋严 重 ，巷 道及硐 室支 护 的难 度和 破坏程度不断增加。尤其是常规设计泵房硐室、吸水井、 配水井 、配水巷 系统复 杂 ，各种 因素交 织在 一起 ，造 成硐 室、巷道支护条件恶劣⋯。深部软岩硐室群稳定性控制已 成为困扰国 内外工 程界 的难题 ，把 原有 的浅部 工程 的控制 原则应用到深部软岩工程 中，造成 “ 前掘 后修 ” 、 “ 边掘边 修” 、“ 多次返修”等被动局面，并且最终没有使深部工程 达到稳定，经济损失巨大，并且形成一定的安全隐患 。 因此 ，寻求 真正 适 合于 深部 软 岩工 程稳 定 性控 制 的原 则 ， 已势在必行。本 文结合 兴安煤 矿 四水 平泵 房 吸水 井大 断 面 硐室群的支护问题进行探讨。 1 0 k m。其四水平延 深工程井底 车场埋 深 7 5 0 m，所处 地层为 中生代侏罗纪地层。与其他成煤时期 古生代和新生代 不 同，其膨胀性矿物含量较高，支护难度大。从巷道初期掘进 揭露岩性来看 ，巷道围岩主要分为三个工程岩组 砂 岩岩组 包括 中砂岩和细砂 岩 、泥岩岩组 包括 泥岩 和砂 质泥岩 和煤体岩组。巷道围岩以泥岩岩组为主，局部为煤和砂岩。 泵房巷道 围岩均有 劣质煤 层穿 过 ，上下 为砂质 泥岩 和 粉砂岩。根据巷道实测地质剖面图，巷道在开挖过程中三 次穿越劣质煤层 ，揭露岩性 主要 为砂质 泥岩 、泥岩和砂岩 。 四水平井巷穿越的岩层综合柱状如图 1 所示。 2 深部泵房吸水井大断面硐室群破坏主要原因 2 ． 1 自重应 力 的增 大与岩 性较 差 1 工程概 况 深部高应力是深部硐室群破坏的主要原因 。兴 安矿 四 兴安矿位于黑龙江省鹤岗矿区西南部，距鹤 岗市 区约 水平延深工程井底车场埋深达 7 5 0 m，其围岩 自重应力约 2 0 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 0 1 基金项目国家科技部重大研究计划9 7 3项 目 2 0 0 5 C B 5 2 3 0 0 0 ；国家 自然科学基金重大项 目 “ 深部岩体力学基础研究 与应 用” 5 0 4 9 0 2 7 0 作者简介景海河 1 9 6 3一 ，男，吉林伊通人，教授、博士，主要从事软岩支护、岩土工程等方面的研究。 2 0 1 0年第 1 0期 煤炭 工程 层底标 平均厚 岩石描述 尚， m 度， m 柱状图 粉细 互层局部 ．4 9 1 ． 5 6 7 ． 9 夹 中砂岩 、 ／ ． 4 9 5 1 0 3 ． 5 粉砂岩 ； 较破碎 ／ ＼ 一4 9 6 4 2 l 3 粉细互层 、 一5 Ol l O 粉砂岩层理 节理发育 一5 O 1 ． 4 0 0 ． 3 l | 凝灰质泥岩 四 水半 ＼ ／ ．5 0 2 ． O O O ． 6 劣煤， 灰褐色 ， 一5 0 2 2 O 0 ．2 ／ ＼ 局部含水 ’ 凝灰质泥岩 一 5 0 3 ． 9 8 1 ． 8 凝灰质粉砂岩 ．5 0 6 ． O 8 ， 粉砂岩 灰色 2 ． 1 ， ＼ 层理发育 一5 0 8 ． 5 8 2 ．5 粉细 互层 粗 中砾岩 ； 一 5 } 5 ．6 O 7 ．O 2 白色 、硬 图 1 兴安矿 四水平岩层柱状 图 1 5 MP a 。受断层构造影响，层理裂隙发育 ，围岩强度较低。 由于高应力引起硐室群 开挖后所 承受 的工程荷载大大加强 ， 围岩较低的强度使得硐室群产生顶沉、帮缩、底鼓等非线 性 大变形力学现象 。 2 ． 2应力集中程度 高 由于水泵房的规格 尺 寸是根 据水 泵房 内排 水设 备的类 型和数量确 定 ，因此 排水 量 越 大 ，水 泵房 规 格 尺 寸越 大 。 而吸水小井及配水巷的布置使水泵房成为立体巷道最密集 的区域 ，容易造成巷道围岩应力集 中，使水泵房硐室容易 产生破坏。通过对其所处位置及岩性进行模拟得其应力分 布 如图 2所 示。 受 水泵房硐室 空间 限制 ，吸 水小井 之 间岩柱 尺寸 不 能 过大 ，使得各吸水小井之间围岩产生应力集中，同时，吸 水小井井壁 一般 采用 砌碹 支护 ，支 护强 度低 ，容 易造成 吸 水小井破坏 ，进 而影响水泵房硐室 的稳定性 。 2 ． 3支护理 论依 据 不 当 由于原支护仍然沿用传统的浅部线性设计理论 ，对支 护材料的耦合支护机理认识不足，致使原支护形式不合理、 支护强度低。巷道在 围岩较破碎的条件下，支护形式采用 单一 的锚喷 支护 ，顶 部没 有足 够 的锚索 ，造 成局 部顶板 离 层，下沉量大。帮部和底部处于无支护状态 ，围岩变形得 不到有效 的控制 。 图 2原设计 吸水 井应力分布 图 3深部泵房吸水井大断面硐室群稳定性控制技术 3 ． 1 改变支护方案，提 高支护强度 随着巷道埋深的增加，原有巷道的支护形式 锚网喷支 护与锚网喷 锚索支护 只适用于埋深较浅的巷道 ，其支护 参 数达 不到现埋 深要 求。鉴于兴安矿 四水平 7 5 0 m埋深 对支 护参数的要求，本文提出了锚网喷 锚索 底角锚杆耦合 支护形式。巷道断面支护设计如图 3所示。 3 ． 2 利 用锚 网与锚 索加 固巷道 两帮与顶 板 兴安矿为高应力膨胀性软岩矿井，在开巷后二次应力 的作用下，围岩塑性区首先产生在强度最低的两帮和应力 集中程度最高的角部，随着帮、角塑性区的发展 ，其他部 位的塑性区也逐渐发展，但最终仍 以帮、角的塑性区为最 大 。为 了控制巷 道变 形 ，开 巷后应 尽早 加 同强度 较低 的帮 和角部部位，其作用提高巷道两帮与底角围岩的白承能力 ， 减少两帮 的塑性 变形 ；通过 加 固巷道帮 、角 ，减少 由于两 帮破裂围岩压缩下沉所造成的底鼓变形量、体积膨胀量、 顶板 的破裂和离层 ，从 而减少 巷道底鼓和顶板下沉量 。 软岩巷道底板的变形多是因为顶板上覆岩层的压力通 过两帮传递到底板而引起 的。利用锚索支护，将上覆不稳 定岩层悬吊到深部稳定岩层 ，减小传递到底板的上覆岩层 压力 ，从而避免或减轻巷道变形的发生l 4 J 。 3 ． 3锚 杆加 固底 角 锚杆对底角进行加固可以提高底板稳定性，防治底鼓， 是简单、可行的方法。巷道两底角布置 4 5 。 底角锚杆，尽量 加长；底角锚杆加同了底板，减轻两帮压力对底板的影响； 21 煤炭工程 2 0 1 0年第 1 O期 有的软岩巷道利用底角锚杆减缓底鼓 。 图 3 泵房 断面支护设计 图 4 工 程应 用分 析 4 ． 1 耦 合 支护 原理 所谓深部 工程耦 合 支护技术 是指 针对 深部工 程岩体 的 非线性力学 特征 ，遵 循深部 工程 稳定性 控制 原则 ，采用 深 部工程 大变形力 学设 计方法 ，在工程 地质 力学评 估 的基础 上 ，通过优化围岩结构，提高围岩强度，通过支护体与围 岩在强度上、刚度上以及结构上的耦合，实现荷载均匀化， 从而保证深部巷道工程的整体稳定性。 4 ． 2 数值 分 析 根据对兴安矿四水平泵房吸水井所处地质环境，断面 较大，开挖后应力集中程度高，围岩岩性较差 ，结合深部 软岩巷道耦合特征 ，初步确定锚网喷 锚索 底角锚杆耦 合支护形 式 ，并 将 与 巷道 原 有 支护 形 式进 行 F L A C 模 拟 对 比。 为 了确定泵房 吸水 井支 护方 案 ，针对兴 安矿 四水平 泵 房吸水井的实际工程地质条件，构建如下三种支护形式的 三维计算模型①锚网喷支护形式 巷道原支护形式 ；② 锚网喷 锚索支护形式 巷道原支护形式 ；③锚 网喷 锚 索 底角锚杆支 护形 式。 图4和图5分别为三种不同支护方案水平方向的位移 场云图。从图4和网5三种不同支护方案水平方向的位移 云图可以看出，第三种方案的位移量相对于其它两种工况 要 明显小 的多 ，因此 选用锚 网喷 锚 索 底角锚 杆 的支护 形式是合理可靠的。 4 ． 3 实施 效果 四水平泵房吸水井硐室群采用了锚网喷 锚索 底角 锚杆支护技术，有效的控制 了巷道的变形，达到 了预期 的 目标。为了检验支护效果，在巷道施工中设一组测站分别 监测巷道围岩的两帮收缩、顶板下沉和底鼓 ，经过 6 0 d的 22 图 4 两种原始支护形式巷道水 平方 向 位 移场 云图 图 5 锚 网喷 锚索 底角锚杆耦合 支护水 平方向位移场 云图 监测结果表 明，巷道 围岩最大变形为 1 3 m m。 5结论 1 通过现场工程调查 、岩石机理模拟实验和理论分 析 ，确定 了兴 安矿 四水 平 泵房 吸水 井 硐室 群 的破 坏原 因 。 提出了以底角锚杆控制巷道底鼓、锚网索耦合支护控制围 岩变形的深部巷道控制力学对策。 2 利用 F L A C 模拟 及工 程实 践表 明 ，开 巷后及 时 加 固巷道 ，可 以有 效的 控制帮 、角 围岩 塑性 区的破 坏 。锚 网 喷 锚索 底角锚杆耦合支护技术能显著地控制巷道底鼓， 也能控制巷道两帮 围岩收缩 。 参考文献 [ 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 o 2 ． [ 2 ] 谢和平 ，彭苏萍 ，何满潮．深 部开采 基础理论 与工 程实践 [ M] ．北京 科学出版社 ，2 0 0 6 ． [ 3 ] 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 L4 ． [ 4 ] 何满潮，李国峰，王炯，等．兴安矿深部软岩巷道大面积高 冒落支护设计研究[ J ] ．岩石 力学 与工 程学 报 ，2 o 0 7，2 6 5 9 0 39 0 8 ． [ 5 ] 李 国峰 ，蔡建 ，郭志彪．深部软岩巷道锚 注支护技术研究与 应用 [ J ] ．煤炭科 学技术 ，2 0 0 7 ， 4 4 4 4 7 ． 责任编辑郭继圣