袁店二礦多變地質(zhì)條件巖巷合理支護參數(shù)選擇

王檀，黃鈴，吳德義

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院, 安徽 合肥230601)

摘要：淮北袁店二礦巖巷地質(zhì)條件多變，本文以袁店二礦101采區(qū)運輸石門及運輸上山為例，根據(jù)實驗室測定的圍巖典型巖性，采用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場實測，確定軟巖、硬巖條件下合理的錨桿索支護參數(shù)。不僅對于保證圍巖變形的穩(wěn)定、確保安全生產(chǎn)，且對提高掘進速度、降低工程成本有現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)條件多變；現(xiàn)場實測；數(shù)值模擬；合理錨桿索支護參數(shù)

收稿日期：2014-11-21

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51374009)

作者簡介：王檀(1988-)，男，碩士研究生，主要研究地下結(jié)構(gòu)計算理論與應(yīng)用。

中圖分類號：TD263

Analysis of Rock Reasonable Supporting Parameters

Conditions of Complicated Geological in Yuandian No.2 Mine

WANG Tan,HUANG Ling,WU De-yi

(School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University ,HeFei 230601,China)

Abstract:The geological conditions are complicated in Yuandian No.2 mine in Huaibei. Selcting the transporting up cross-hole and the mountain of 101 mining area in this mine as an example, according to the typical laboratory determination of surrounding rock lithology, the reasonable anchor supporting parameters were determined under the conditions of soft rock and hard rock by using numerical simulation based on field test. The results of the study had certain guiding significance to ensure the deformation of surrounding rock stability, ensure the safety in production, increase the driving speed, and also reduce the cost of the project.

Key words: complicated geological conditions; field test; numerical simulation; reasonable anchor supporting parameters

0引言

目前，我國煤礦巖巷的掘進速度和機械化水平普遍落后[1]?；幢钡V區(qū)采掘接替普遍緊張，掘進速度及工效普遍較低、成本相對較高，巷道掘進已成為制約煤礦高產(chǎn)高效的重要環(huán)節(jié)[2]，在保持圍巖穩(wěn)定的同時提高掘進速度至關(guān)重要。

本項目以淮北袁店二礦101采區(qū)運輸石門及運輸上山為例，采用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場實測對目前工程中常用的泥巖及硬砂巖巷道應(yīng)選擇的合理支護參數(shù)進行了分析。對淮北礦區(qū)多變地質(zhì)條件縮短支護時間提高巖巷掘進速度及生產(chǎn)效率有實際工程價值[3]。

1工程概況

袁店二礦101采區(qū)運輸上山及石門是主要用于煤礦運輸?shù)拇酉锏溃O(shè)計全長979.0m，底板標高在-532.448～-523.023m之間，埋深約530.0m。巷道位于7211采空區(qū)下方，巷道斷面為直墻半圓拱形，直墻寬×高=6.0m×1.2m,半圓拱半徑為3.0m，巷道斷面積為35.46m2，如圖1。主要采用錨網(wǎng)索噴支護，由于該地域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，直墻半圓拱形斷面采用錨桿-錨索-網(wǎng)噴的聯(lián)合支護方式，并采用C20的混凝土噴灑成巷，噴厚150mm。研究巷道的巖性參數(shù)如表1所示。

2巷道變形的數(shù)值模擬與工程實測

2.1巷道圍巖變形的數(shù)值模擬

2.1.1數(shù)值計算模型

利用數(shù)值模擬對目前支護形式下的巷道進行模擬計算，建立的計算模型如圖2、網(wǎng)格劃分如圖3。

2.1.2數(shù)值計算結(jié)果及分析

目前支護強度下，巖性為泥巖及堅硬砂巖巷道圍巖變形數(shù)值模擬結(jié)果如圖4及圖5。

計算結(jié)果表明：泥巖巷道表面最大變形約為60mm，堅硬砂巖巷道表面最大變形約為20mm。

2.2巷道圍巖變形工程實測及分析

2.2.1圍巖表面變形工程實測

采用拉線法觀測圍巖變形，具體操作為：采用十字布點法[4]，沿巷道前進方向每隔50m設(shè)1測站, 觀測巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭妥冃?。如圖6，在已掘巷道布置測點觀測巷道兩幫A、C點，底板D點及頂板B點表面變形。與此同時，采用如圖7百分表位移計觀測距掘進工作面約200m處的已掘巷道幫部表面位移量，其精度為0.01mm。

圍巖巖性為泥巖及硬質(zhì)砂巖段表面變形的典型現(xiàn)場實測結(jié)果如圖8、9。

圖8軟弱泥巖圍巖表面變形隨時間演化的工程實測

2.2.2數(shù)據(jù)分析

根據(jù)項目組已有研究和現(xiàn)場實測結(jié)果，圍巖表面變形隨時間變化較好滿足回歸

(1)

其中，A為圍巖表面最大變形，mm；B為圍巖表面變形增長速度衰減系數(shù)；t為從巷道開挖到數(shù)據(jù)采集時間間隔。

根據(jù)以上實測數(shù)據(jù)，利用最小二乘法進行回歸分析，可以得出巷道表面不同部位測點A、B、C、D變形隨時間變化回歸方程如表2。

表2　巷道表面變形隨時間變化回歸方程

從表2中可以看出：巖性為泥巖時頂板最大變形為57.3mm，底板最大變形量為62.1mm，左幫和右?guī)捅砻孀畲笞冃畏謩e為72.5mm和78.9mm；巖性為硬質(zhì)砂巖時，巷道頂部表面最大變形為24.9mm；左幫表面最大變形為 40.7mm；右?guī)捅砻孀畲笞冃螢?43.4mm；底板表面最大變形為42.3mm。根據(jù)圍巖表面變形隨時間變化曲線分析得出：當巖性為泥巖時，圍巖表面變形隨時間變化進入等速階段但最終趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時泥巖最大變形量為78.9mm，長期對淮北礦區(qū)的研究和監(jiān)測可取泥巖的圍巖容許變形值120.0mm，說明圍巖變形保持穩(wěn)定的同時自承載力基本得到發(fā)揮，未達到容許變形；當巖性為砂巖時，圍巖表面變形隨時間變化進入減速階段而趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時砂巖最大變形量為43.4mm，圍巖變形雖保持穩(wěn)定，但與淮北礦區(qū)砂巖的容許變形值100.0mm相差較大，自承載力并未充分發(fā)揮。

2.3巷道圍巖松動圈厚度測定

圍巖松動圈[5～6]是由于巷道開挖后，原巖應(yīng)力的三維應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，圍巖形成應(yīng)力集中超過圍巖自身強度而在巷道周圍形成的碎裂帶。董方庭教授等在大量現(xiàn)場和實驗研究基礎(chǔ)上，認為松動圈厚度對巷道的破壞范圍及支護方式的具有重要意義。

用鉆孔攝像儀對圍巖巖性為泥巖時巷道頂部、左幫及右?guī)途啾砻鎕=500mm，1000mm，1500mm位置圍巖松動觀測的破碎圖片如圖10-12。用鉆孔攝像儀對圍巖巖性為硬質(zhì)砂巖時距表面h=500mm，1000mm，1500mm處巷道頂部、左幫及右?guī)陀^測的圖片如圖13-15。

圖10圍巖巖性為泥巖時頂板松動圈觀測

圍巖巖性為泥巖松動圈測試結(jié)果為：距頂板表面1000mm范圍內(nèi)破碎明顯，1000-1500mm范圍內(nèi)稍有破碎，說明松動圈范圍不應(yīng)超過1500mm；右?guī)途啾砻?00mm處明顯破碎，1000-1500mm范圍內(nèi)破碎不明顯，說明松動圈范圍應(yīng)在1000mm左右；左幫距表面1000mm處破碎明顯，1500mm處無破碎出現(xiàn)，層理清晰，說明松動圈范圍在1000mm處。

圍巖巖性為硬質(zhì)砂巖的松動圈測試結(jié)果為：頂板距表面500mm范圍內(nèi)輕微破碎，而在1000-1500mm范圍內(nèi)層理清晰，完好無損，松動圈范圍應(yīng)不超過500mm；右?guī)途啾砻?00mm處明顯破碎，但距表面1000mm處破碎不明顯，松動圈范圍應(yīng)在1000mm左右；左幫距表面500mm處明顯破碎，但距表面1000mm處完好無損，松動圈范圍應(yīng)不超過1000mm。

根據(jù)拍攝的照片，可以看出：圍巖巖性為泥巖時松動圈范圍在1000-1500mm之間，圍巖巖性為硬質(zhì)砂巖時松動圈范圍在500-1000mm之間。

3圍巖支護受力分析

圍巖巖性為泥巖及硬質(zhì)砂巖時，錨桿及錨索受荷隨時間變化如圖16、17。

比較錨桿(索)受荷與錨桿(索)極限承載力大小，可以看出：圍巖巖性為硬質(zhì)砂巖時，錨桿(索)受荷遠未達到極限承載力；圍巖巖性為泥巖時，錨桿受荷接近極限承載力，錨索受荷未達到極限承載力。

頂板施加錨索和不施加錨索硬質(zhì)砂巖數(shù)值模擬結(jié)果也表明兩者作用效果基本相同，如圖18。硬質(zhì)砂巖條件下錨索作用效果不明顯，建議取消。

4合理錨桿索支護參數(shù)選擇

根據(jù)現(xiàn)場實測及數(shù)值模擬結(jié)果，合理錨桿索支護作如下選擇：

(1)圍巖巖性為泥巖時，目前支護強度偏大，錨索預(yù)緊力也偏大。但考慮將來采動影響,原錨桿(索)支護參數(shù)仍不變，但可將錨桿分二次支護，第一次支護間排距為1400×1400mm，后在每排相鄰錨桿之間補打1根錨桿，錨索可滯后工作面施工；將來采動影響如果較為明顯，需進行二次加固。

(2)圍巖巖性為砂巖時，根據(jù)以上分析，取消錨索支護?？紤]將來采動影響，錨桿間排距不變,但為提高掘進速度，可以將錨桿分2次施工，第1次施工錨桿間排距1400×1400mm。距工作面后30.0-50.0m再在相鄰錨桿中間補打錨桿，使錨桿間排距縮小到700mm。巷道一次支護及二次支護示意如圖19及圖20。

5結(jié)論

(1)當巖性為泥巖時，泥巖穩(wěn)定的最大變形量為78.9mm，淮北礦區(qū)泥巖的圍巖容許變形值為120.0mm，未達到容許變形但是圍巖的自承載力基本得到發(fā)揮；當巖性為砂巖時，砂巖穩(wěn)定的最大變形量為43.4mm，與淮北礦區(qū)砂巖的容許變形值100.0mm相差較大，自承載力并未充分發(fā)揮。

(2)根據(jù)現(xiàn)場實測，確定了泥巖的松動圈范圍在1000-1500mm之間，硬巖的松動圈范圍在500-1000mm之間，圍巖為穩(wěn)定及中等穩(wěn)定；

(3)對泥巖，原來支護參數(shù)不變，二次支護時相鄰錨桿之間補打一根，錨索滯后工作面施工；對砂巖，可取消錨索支護，一次支護錨桿間距1400×1400mm，二次支護錨桿間排距縮小到700mm。

參考文獻

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