大断面硐室围岩变形特征及控制研究张大中

大断面硐室围岩变形特征及控制研究张大中
发布时间：2021-12-29T06:40:43.923Z 来源：基层建设2021年第28期作者：张大中[导读] 随着矿井开采规模的扩大、开采机械化程度的不断提高，煤矿井下采掘设备亦呈现出大型化发展趋势，为使大型采掘设备的检修和吊装等工作井下进行，减少大型采掘设备检修、淮北矿业集团朱庄煤矿安徽省淮北市 235047
摘要：随着矿井开采规模的扩大、开采机械化程度的不断提高，煤矿井下采掘设备亦呈现出大型化发展趋势，为使大型采掘设备的检修和吊装等工作井下进行，减少大型采掘设备检修、吊装等过程需要运至地面的工作量，需要在井下挖掘大断面吊装硐室。

井下大断面硐室对围岩控制要求较高，普遍认为，硐室围岩岩性、施工方法、断面形状、支护形式等是决定大断面硐室围岩控制是否成功的重要因素，高应力作用下的断面开挖形式、不稳定强流变岩层、支架受力不均等因素是大断面硐室围岩失稳的主因，大断面硐室采用锚网索喷耦合支护技术可以有效减小塑性破坏区范围、防止围岩严重变形或大块冒落。

关键词：大断面；硐室围岩；变形特征；控制措施
引言
硐室断面面积增大，使得围岩应力集中和变形破坏程度明显增大，控制难度成倍增加。

且煤矿井下很多超大断面硐室成群分布，距离较近时围岩应力相互叠加，致使破裂范围加大，一旦某条硐室出现较大片帮或冒顶，极易引发大范围硐室群连锁失稳事故。

特别是在深部开采过程中，爆破、冲击地压、大面积厚硬顶板断裂垮落、大型机械设备运转等产生的动载扰动频率、烈度明显增加，煤岩体破裂演化为复杂，超大断面硐室群围岩破裂失稳问题已成为我国很多矿区安全高效开采的主要瓶颈之一。

针对地下硐室近距离成群分布产生相互影响导致围岩失稳事故频发这一现实问题，目前研究重点主要集中在硐室群围岩变形破坏特征、围岩稳定性影响因素和控制技术等方面。

1、深部硐室施工现状
全断面一次掘进法常用于围岩比较稳定、断面不是特别大的硐室。

其和普通巷道施工法基本相同。

在常规设备条件下，全断面一次掘进硐室的高度，以不超过 5m 为宜。

根据导硐所在位置的不同，导硐施工法有中央下导硐施工法、顶部导硐施工法、两侧导硐施工法之分。

对 50m2 以上的硐室多采用两侧导硐施工。

中央下导硐施工法，导硐位于硐室中部靠近底板，导硐断面可按单轨巷道考虑以满足机械装岩要求。

当导硐掘到预定位置后，再进行刷帮、挑顶，并完成永久支护工作；在松软、不稳定岩层中，为了保证硐室施工的安全，在两侧墙部的位置沿硐室底板开掘两条小导硐，其断面不宜过大，一般宽度为 1.8～2.0m，高度为 2.0m，以控制顶板。

掘一层导硐后随即砌墙，再掘上一分层的导硐，硐石放在下层导硐里一部分，代替脚手架，再接砌边墙到拱基线位置。

墙部完成后挑顶砌拱。

拱部完后拆除中间所留的岩柱。

如果采用两侧导硐施工法，安全得到了保证，特别是上部硐室的施工，全靠人工出渣，不能满足机械化装岩的需要，施工进度难以保障。

2、合理断面形状相似模拟实验研究
2.1 模型建立与参数选择
综合考虑边界效应与数值计算效率的影响，三维数值计算模型宽为 100m，高为 79m，应力波周期为 0.1s，频率为 10Hz。

另外，通过现场监测发现，应力波 PPV 能够大于 3.3m/s，而应力波 PPV 仅为长 160m。

数值建模过程中，大断面煤矸分离硐室墙高 4.8m，三心拱高 2m，宽 5.8m。

参考相关数值计算经验，采用摩尔－库仑模型，其力学参数通过室内岩石力学试验获得。

2.2 围岩变形特征
由相似模拟结果论证分析可知，大断面硐室采用直墙半圆拱形断面稳定性较好。

硐室开挖后围岩变形量随着时间的推移逐步增加，在开挖 30 天后围岩变形基本趋于稳定，顶板最大下沉量（1#测线） 113mm、左右两帮最大下沉量 126mm、底板最大底鼓量 36mm、最大水平位移量 264mm，围岩变形呈现两帮水平位移量＞两帮垂直变形量＞顶板下沉量＞底鼓量的特征。

由此可知，控制大断面硐室围岩变形的重点为两帮的水平变形和垂直下沉，应当把控制两帮变形当成控顶的先决条件。

2.3 深部大断面硐室“帮－顶”联动失稳控制
1）深部消波吸能弱结构体。

动载应力波是深部动载大断面硐室帮顶联动失稳的重大诱因，但因高强度采掘活动的连续性，几乎很难从源头消除顶板断裂垮落、断层滑移等活动产生震源。

深部弱结构体是指通过大直径钻孔、爆破与定向水力割缝等手段，在硐室围岩深处形成一定厚度的松散煤岩体，主要具有消波吸能的作用。

2）浅部全断面锚固均撑支护壳体。

预应力长锚索+浅部注浆形成的浅部围岩全断面承载壳体，通过注浆加固全断面充填浅部破裂围岩节理和裂缝，使浅部破碎围岩形成壳体承载结构，要求注浆锚杆有效长度至少为破裂区宽度；通过预应力长锚索将浅部壳体承载结构与深部围岩串联成整体，加大支护承载结构的范围，分散局部高应力，使断面均衡受力，共同承载外部动荷载。

锚索高预应力，通过壳体承载结构给硐室极限平衡区岩体提供了可靠的径向约束力，可使极限平衡区处于高约束三向应力，不易再形成“板裂结构”，最终实现“强帮固顶”，使岩体的承载能力显著强化。

要求高预紧力注浆锚索长度不应小于极限平衡区深度。

3、煤仓
1）煤仓施工采取反井钻机法施工，将反井钻机安装在煤仓上部水平，由上而下先钻进 2 个导向孔至反井下部水平，再由下而上扩大至反井全断面。

用反井钻机扩完Φ1.6m 的反井全深，即可按设计的规格由上而下刷大煤仓，煤仓中心导孔施工完成后，立即进行仓身刷大施工的准备工作，安装风水管路、提升绞车等。

2）仓身采用钻爆法刷大，刷大初期要浅打眼、分次弱爆破的方式施工，防止崩坏锁口盘，以中心导孔为中心从里向外布置眼，爆破后的矸石从中心孔向下溜放至下部煤机硐室装运。

放炮后煤仓边缘不能直接溜放的矸石，使用挖掘机配合人工耙到导孔中。

每次放完炮出矸前，清底人员佩戴保险带处理导孔周边的浮矸，待煤仓工作面矸石全部清理完，浮矸处理到实底后，用钢筋焊制的网盘封严导孔，防止人员坠入导孔内，仓壁随掘随砌。

爆破后，矸石通过钻孔自溜至装载硐室联络巷，用耙矸机装入矿车运输出井。

3）煤仓浇筑时，先把煤仓上锁口掘进完毕（4m）、再将仓体向下掘进 1.5m 后，停止掘进，留设 1.5m 厚矸石，对仓体上锁口进行扎筋、立模、浇注，底部预留接茬筋。

混凝土凝固后拆除上锁口模板，敷设钢梁、钢板，上锁口预溜煤口及风筒、风水管路、爬梯等通道，再进行仓体掘进。

4）仓体采用自上而下掘砌施工，“两掘一砌”循环作业方式，段高 1.2m，爆破后及时进行一次支护，掘够砌筑段高 2.2m 后平整底板，铺设黄砂、绑扎钢筋，下放模板、立模，放置环形浇筑口，校模，浇注混凝土施工。

4、围岩支护建议
由相似模拟实验结果可知，大断面硐室两帮的水平位移和垂直位移应为围岩控制的重点，根据“控顶先控帮原理”的围岩变形控制工程经验，对大断面硐室两帮进行注浆加固处理，注浆深度不低于 1.5m。

注浆加固之后，采用锚杆、锚索、喷射混泥土等方式进行支护，形成注浆+锚杆+锚索 +混泥土喷射层的围岩支护条件，全面提高支护体的强度和刚度。

借鉴现有硐室断面支护方式，锚杆采用Φ22×2800mm 无纵肋锚杆、间排距 800× 800mm，锚索采用高强度预应力锚索，拱部锚索Φ17.8×9500mm、帮部锚索Φ17.8×6300mm、间排距均为 1600×1600mm，混泥土喷射厚度为 100mm、强度等级为 C20。

结束语
大断面硐室群围岩受到叠加应力与动载荷的共同影响，其变形和破裂发育范围大，且破裂演化与硐室间距、动载强度密切相关。

随着硐室间距减小，围岩变形破坏程度逐渐增大并最终发生整体破坏失稳。

参考文献：
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