新集一矿大断面硐室围岩控制技术应用研究

张友博

（中煤能源集团，北京 100120）

1 工程概况

国投新集能源股份有限公司新集一矿位于安徽省淮南市，位于淮南煤田颍凤勘探区中部，距凤台城西17km处。井田走向长6.85km，南北宽3.65km，井田面积为24.5km2。新集一矿井田范围内可采煤层为11层，其中13-1、11-2、8、6-1煤是矿井目前的主采煤层，采用单一水平开采。井底车场位于13-1#煤层，平均埋深约为280m。13-1#煤层直接顶为泥岩，厚度4.96～11.79m，平均厚度8.43m，灰黑色，致密块状；基本顶为中细砂岩、石英砂岩，坚硬，层理发育；直接低为浅棕灰色泥岩，厚度1.64～6.64m，平均厚度4.27m。水泵房硐室附近为立体巷道最密集的区域，主排水泵房设计断面如图1所示。巷道断面尺寸：宽×高=6100×7500mm，巷道断面面积达45.75m2，为井下硐室中最大的，并且由于立体硐室集中，水泵房硐室容易出现应力集中程度过高、围岩稳定性差及底鼓严重等问题。因此，以新集一矿主排水泵房的围岩支护为工程背景展开相关的研究非常重要。

图1 主排水泵房位置和断面详情

2 主排水泵房硐室围岩结构稳定性数值分析

结合该矿13-1#煤层具体的地质条件，采用FLAC3D模拟软件[1-2]，建立主排水泵房三维数值模型。如图2（a）所示，井底车场硐室简化为水泵房和内、外水仓，模型尺寸长×宽×高=100×40×60m，水泵房断面为直墙半圆拱，支护后净宽5.2m，直墙高4m，拱矢高2.6m，整个模型的岩体选用摩尔—库伦理想弹塑性模型。模型边界条件：模型前后和左右边界在水平方向为固定约束，模型底部为固支约束，上部边界等效载荷q=γh，根据13-1#煤层平均埋深模型顶部施加垂直方向的均布载荷为7.125MPa。模拟的过程为：首先进行水泵房的开挖模拟，在没有支护的条件下、锚网索+衬砌支护条件下及围岩注浆加固条件下进行内、外水仓的开挖，观察不同条件下水泵房围岩的位移情况。采用锚网索+衬砌支护时，顶板和两帮锚杆采用直径22mm、长度2400m的高强锚杆，锚杆间排距800×800mm，锚杆预紧力80kN；顶板锚索采用直径20mm、长度8000mm的钢绞线，锚索间排距1600×1600mm，两帮锚索长度5000mm，间排距同样为1600×1600mm。锚杆锚索的布置详见图2（b）。喷浆及衬砌支护厚度400mm。模拟围岩注浆加固时，现对水泵房施加锚网索+衬砌支护，再围绕水泵房硐室周围建立注浆加固壳，注浆加固壳的厚度为2～5m，注浆材料采用快硬水泥。

图2 数值模型示意图

在无支护的条件下水泵房硐室垂直位移如图3（a）所示，顶板下沉量达0.51m，底板底鼓量最大为0.25m；水平位移情况如图3（b）所示，左帮变形量最大为0.51m，右帮最大变形量为0.49m，两帮的移近量达1.0m。采用锚网索+衬砌支护条件下水泵房硐室围岩的垂直位移如图3（c）所示，顶板下沉量可达0.258m，底鼓最大为0.19m；水平位移如图3（d）所示，左帮水平位移最大为0.15m，右帮水平位移最大为0.14m，两帮移近量约为0.3m，顶底板移近量约为0.45m。与无支护条件下相比，围岩的位移量明显减小，但是由于采用衬砌支护，围岩的这些位移，会造成硐室围岩表面的片帮、破碎及浆层的开裂，支护强度仍不足。在锚网索+衬砌+注浆加固支护条件下，围岩的位移情况如图3（e）所示。当注浆范围为2m时，两帮移进量为0.22m，顶板下沉量为0.1m，底板底鼓量为0.12m，相对于锚网索+衬砌支护，围岩位移量明显减小；而当注浆加固的范围在2～5m间变化时，注浆的范围由2m增加到3m，围岩的位移量减小最为明显；注浆范围为3m时，两帮移进量为0.16m，顶板下沉量为0.07m，底板底鼓量为0.09m，围岩稳定性良好。因此确定主排水泵房硐室支护方案为锚网索+衬砌+注浆加固联合支护。

图3 不同支护条件下围岩稳定性模拟结果

3 主水泵房围岩控制技术

根据以上数值模拟和理论分析的结果，并考虑到主排水泵房的服务年限，设计锚网喷+桁架+衬砌进行围岩的支护[3-4]。顶板和两帮锚杆采用直径为22mm、长度为2400mm的硬质螺纹钢锚杆，锚杆间排距为800×800mm，采用三花布置，锚固剂为两支CK2360树脂药卷，钢筋网由直径6m光圆钢焊制。顶板和两帮的锚索直径均20mm，顶板锚索长度8000mm，两帮锚索5000mm，顶板每排三根锚索，间排距1600×1600mm，两帮每排两根锚索，间排距与顶板锚索相同，锚固剂为一根CK2360（孔底）、一根CK2360（孔口）树脂锚固剂。立体式工字钢桁架采用GB10号工字钢，夹板连接件加工材料为16mmA3钢板，连接件间采用M20×70mm螺栓连接，桁架排距为1600mm。水泵房衬砌采用水泥混凝土，喷浆及衬砌支护厚度400mm。主水泵房支护断面如图4（a）所示。

主排水泵房注浆孔的布置如图4（b）所示。注浆锚杆采用直径为20mm、长度为1000mm的冷拔无缝钢管制成，注浆孔沿锚杆底端间隔200mm呈十字交错布置，共三个注浆孔，孔径为6mm，每个注浆断面共布置9个注浆锚杆，注浆材料为525硫铝酸盐水泥，浆液水灰比为1:1，顶板注浆终孔压力1.5MPa，两帮注浆压力2.0MPa。

图4 主排水泵房硐室支护方案示意图

4 主排水泵房支护效果

为考察新集一矿一水平主排水泵房硐室采用锚网喷+桁架+衬砌支护及围岩注浆加固的效果，主水泵房施工完毕后布置4个表面位移观测站进行围岩位移观测，测站间距离为10m，整理得到两帮变形和顶底板变形曲线分别如图5所示。由图示可知，主水泵房硐室围岩发生明显位移变形为支护完成后的前两个月，在此之后围岩位移保持不变。B2测站附近两帮移近量达到最大为23mm，顶底板移近量在B4测站附近达到最大为24.5mm。围岩位移监测结果表明，所采取支护方案支护效果良好，能够保证主水泵房硐室的长期稳定。

图5 现场围岩稳定性监测结果

5 结论

新集一矿一水平主排水泵房硐室位于硐室集中区，并且硐室断面较大，支护起来较困难，通过数值模拟、理论分析等方法，确定其支护方案为锚网喷+桁架+衬砌及围岩注浆联合支护方式，确定合理的注浆范围为3m，设计了具体的支护参数。现场应用后进行了围岩位移监测，主排水泵房硐室两帮移近量最大为23mm，顶底板移近量最大为24.5mm，围岩长时稳定性良好，所采取的支护措施支护效果良好。