張友博
(中煤能源集團(tuán),北京 100120)
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
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
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
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
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。