張友博

（中煤能源集團(tuán)，北京 100120）

1 工程概況

國投新集能源股份有限公司新集一礦位于安徽省淮南市，位于淮南煤田潁鳳勘探區(qū)中部，距鳳臺(tái)城西17km處。井田走向長6.85km，南北寬3.65km，井田面積為24.5km2。新集一礦井田范圍內(nèi)可采煤層為11層，其中13-1、11-2、8、6-1煤是礦井目前的主采煤層，采用單一水平開采。井底車場位于13-1#煤層，平均埋深約為280m。13-1#煤層直接頂為泥巖，厚度4.96～11.79m，平均厚度8.43m，灰黑色，致密塊狀；基本頂為中細(xì)砂巖、石英砂巖，堅(jiān)硬，層理發(fā)育；直接低為淺棕灰色泥巖，厚度1.64～6.64m，平均厚度4.27m。水泵房硐室附近為立體巷道最密集的區(qū)域，主排水泵房設(shè)計(jì)斷面如圖1所示。巷道斷面尺寸：寬×高=6100×7500mm，巷道斷面面積達(dá)45.75m2，為井下硐室中最大的，并且由于立體硐室集中，水泵房硐室容易出現(xiàn)應(yīng)力集中程度過高、圍巖穩(wěn)定性差及底鼓嚴(yán)重等問題。因此，以新集一礦主排水泵房的圍巖支護(hù)為工程背景展開相關(guān)的研究非常重要。

圖1 主排水泵房位置和斷面詳情

2 主排水泵房硐室圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性數(shù)值分析

結(jié)合該礦13-1#煤層具體的地質(zhì)條件，采用FLAC3D模擬軟件[1-2]，建立主排水泵房三維數(shù)值模型。如圖2（a）所示，井底車場硐室簡化為水泵房和內(nèi)、外水倉，模型尺寸長×寬×高=100×40×60m，水泵房斷面為直墻半圓拱，支護(hù)后凈寬5.2m，直墻高4m，拱矢高2.6m，整個(gè)模型的巖體選用摩爾—庫倫理想彈塑性模型。模型邊界條件：模型前后和左右邊界在水平方向?yàn)楣潭s束，模型底部為固支約束，上部邊界等效載荷q=γh，根據(jù)13-1#煤層平均埋深模型頂部施加垂直方向的均布載荷為7.125MPa。模擬的過程為：首先進(jìn)行水泵房的開挖模擬，在沒有支護(hù)的條件下、錨網(wǎng)索+襯砌支護(hù)條件下及圍巖注漿加固條件下進(jìn)行內(nèi)、外水倉的開挖，觀察不同條件下水泵房圍巖的位移情況。采用錨網(wǎng)索+襯砌支護(hù)時(shí)，頂板和兩幫錨桿采用直徑22mm、長度2400m的高強(qiáng)錨桿，錨桿間排距800×800mm，錨桿預(yù)緊力80kN；頂板錨索采用直徑20mm、長度8000mm的鋼絞線，錨索間排距1600×1600mm，兩幫錨索長度5000mm，間排距同樣為1600×1600mm。錨桿錨索的布置詳見圖2（b）。噴漿及襯砌支護(hù)厚度400mm。模擬圍巖注漿加固時(shí)，現(xiàn)對水泵房施加錨網(wǎng)索+襯砌支護(hù)，再圍繞水泵房硐室周圍建立注漿加固殼，注漿加固殼的厚度為2～5m，注漿材料采用快硬水泥。

圖2 數(shù)值模型示意圖

在無支護(hù)的條件下水泵房硐室垂直位移如圖3（a）所示，頂板下沉量達(dá)0.51m，底板底鼓量最大為0.25m；水平位移情況如圖3（b）所示，左幫變形量最大為0.51m，右?guī)妥畲笞冃瘟繛?.49m，兩幫的移近量達(dá)1.0m。采用錨網(wǎng)索+襯砌支護(hù)條件下水泵房硐室圍巖的垂直位移如圖3（c）所示，頂板下沉量可達(dá)0.258m，底鼓最大為0.19m；水平位移如圖3（d）所示，左幫水平位移最大為0.15m，右?guī)退轿灰谱畲鬄?.14m，兩幫移近量約為0.3m，頂?shù)装逡平考s為0.45m。與無支護(hù)條件下相比，圍巖的位移量明顯減小，但是由于采用襯砌支護(hù)，圍巖的這些位移，會(huì)造成硐室圍巖表面的片幫、破碎及漿層的開裂，支護(hù)強(qiáng)度仍不足。在錨網(wǎng)索+襯砌+注漿加固支護(hù)條件下，圍巖的位移情況如圖3（e）所示。當(dāng)注漿范圍為2m時(shí)，兩幫移進(jìn)量為0.22m，頂板下沉量為0.1m，底板底鼓量為0.12m，相對于錨網(wǎng)索+襯砌支護(hù)，圍巖位移量明顯減小；而當(dāng)注漿加固的范圍在2～5m間變化時(shí)，注漿的范圍由2m增加到3m，圍巖的位移量減小最為明顯；注漿范圍為3m時(shí)，兩幫移進(jìn)量為0.16m，頂板下沉量為0.07m，底板底鼓量為0.09m，圍巖穩(wěn)定性良好。因此確定主排水泵房硐室支護(hù)方案為錨網(wǎng)索+襯砌+注漿加固聯(lián)合支護(hù)。

圖3 不同支護(hù)條件下圍巖穩(wěn)定性模擬結(jié)果

3 主水泵房圍巖控制技術(shù)

根據(jù)以上數(shù)值模擬和理論分析的結(jié)果，并考慮到主排水泵房的服務(wù)年限，設(shè)計(jì)錨網(wǎng)噴+桁架+襯砌進(jìn)行圍巖的支護(hù)[3-4]。頂板和兩幫錨桿采用直徑為22mm、長度為2400mm的硬質(zhì)螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800×800mm，采用三花布置，錨固劑為兩支CK2360樹脂藥卷，鋼筋網(wǎng)由直徑6m光圓鋼焊制。頂板和兩幫的錨索直徑均20mm，頂板錨索長度8000mm，兩幫錨索5000mm，頂板每排三根錨索，間排距1600×1600mm，兩幫每排兩根錨索，間排距與頂板錨索相同，錨固劑為一根CK2360（孔底）、一根CK2360（孔口）樹脂錨固劑。立體式工字鋼桁架采用GB10號工字鋼，夾板連接件加工材料為16mmA3鋼板，連接件間采用M20×70mm螺栓連接，桁架排距為1600mm。水泵房襯砌采用水泥混凝土，噴漿及襯砌支護(hù)厚度400mm。主水泵房支護(hù)斷面如圖4（a）所示。

主排水泵房注漿孔的布置如圖4（b）所示。注漿錨桿采用直徑為20mm、長度為1000mm的冷拔無縫鋼管制成，注漿孔沿錨桿底端間隔200mm呈十字交錯(cuò)布置，共三個(gè)注漿孔，孔徑為6mm，每個(gè)注漿斷面共布置9個(gè)注漿錨桿，注漿材料為525硫鋁酸鹽水泥，漿液水灰比為1:1，頂板注漿終孔壓力1.5MPa，兩幫注漿壓力2.0MPa。

圖4 主排水泵房硐室支護(hù)方案示意圖

4 主排水泵房支護(hù)效果

為考察新集一礦一水平主排水泵房硐室采用錨網(wǎng)噴+桁架+襯砌支護(hù)及圍巖注漿加固的效果，主水泵房施工完畢后布置4個(gè)表面位移觀測站進(jìn)行圍巖位移觀測，測站間距離為10m，整理得到兩幫變形和頂?shù)装遄冃吻€分別如圖5所示。由圖示可知，主水泵房硐室圍巖發(fā)生明顯位移變形為支護(hù)完成后的前兩個(gè)月，在此之后圍巖位移保持不變。B2測站附近兩幫移近量達(dá)到最大為23mm，頂?shù)装逡平吭贐4測站附近達(dá)到最大為24.5mm。圍巖位移監(jiān)測結(jié)果表明，所采取支護(hù)方案支護(hù)效果良好，能夠保證主水泵房硐室的長期穩(wěn)定。

圖5 現(xiàn)場圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)論

新集一礦一水平主排水泵房硐室位于硐室集中區(qū)，并且硐室斷面較大，支護(hù)起來較困難，通過數(shù)值模擬、理論分析等方法，確定其支護(hù)方案為錨網(wǎng)噴+桁架+襯砌及圍巖注漿聯(lián)合支護(hù)方式，確定合理的注漿范圍為3m，設(shè)計(jì)了具體的支護(hù)參數(shù)?，F(xiàn)場應(yīng)用后進(jìn)行了圍巖位移監(jiān)測，主排水泵房硐室兩幫移近量最大為23mm，頂?shù)装逡平孔畲鬄?4.5mm，圍巖長時(shí)穩(wěn)定性良好，所采取的支護(hù)措施支護(hù)效果良好。