袁店二矿多变地质条件岩巷合理支护参数选择

袁店二矿多变地质条件岩巷合理支护参数选择

王檀，黄铃，吴德义

(安徽建筑大学 土木工程学院, 安徽 合肥230601)

摘要：淮北袁店二矿岩巷地质条件多变，本文以袁店二矿101采区运输石门及运输上山为例，根据实验室测定的围岩典型岩性，采用数值模拟结合现场实测，确定软岩、硬岩条件下合理的锚杆索支护参数。不仅对于保证围岩变形的稳定、确保安全生产，且对提高掘进速度、降低工程成本有现实意义。

关键词：地质条件多变；现场实测；数值模拟；合理锚杆索支护参数

收稿日期：2014-11-21

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51374009)

作者简介：王檀(1988-)，男，硕士研究生，主要研究地下结构计算理论与应用。

中图分类号：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，我国煤矿岩巷的掘进速度和机械化水平普遍落后[1]。淮北矿区采掘接替普遍紧张，掘进速度及工效普遍较低、成本相对较高，巷道掘进已成为制约煤矿高产高效的重要环节[2]，在保持围岩稳定的同时提高掘进速度至关重要。

本项目以淮北袁店二矿101采区运输石门及运输上山为例，采用数值模拟结合现场实测对目前工程中常用的泥岩及硬砂岩巷道应选择的合理支护参数进行了分析。对淮北矿区多变地质条件缩短支护时间提高岩巷掘进速度及生产效率有实际工程价值[3]。

1工程概况

袁店二矿101采区运输上山及石门是主要用于煤矿运输的穿层巷道，设计全长979.0m，底板标高在-532.448～-523.023m之间，埋深约530.0m。巷道位于7211采空区下方，巷道断面为直墙半圆拱形，直墙宽×高=6.0m×1.2m,半圆拱半径为3.0m，巷道断面积为35.46m2，如图1。主要采用锚网索喷支护，由于该地域地质构造复杂，直墙半圆拱形断面采用锚杆-锚索-网喷的联合支护方式，并采用C20的混凝土喷洒成巷，喷厚150mm。研究巷道的岩性参数如表1所示。

2巷道变形的数值模拟与工程实测

2.1巷道围岩变形的数值模拟

2.1.1数值计算模型

利用数值模拟对目前支护形式下的巷道进行模拟计算，建立的计算模型如图2、网格划分如图3。

2.1.2数值计算结果及分析

目前支护强度下，岩性为泥岩及坚硬砂岩巷道围岩变形数值模拟结果如图4及图5。

计算结果表明：泥岩巷道表面最大变形约为60mm，坚硬砂岩巷道表面最大变形约为20mm。

2.2巷道围岩变形工程实测及分析

2.2.1围岩表面变形工程实测

采用拉线法观测围岩变形，具体操作为：采用十字布点法[4]，沿巷道前进方向每隔50m设1测站, 观测巷道顶底板移近量和两帮变形。如图6，在已掘巷道布置测点观测巷道两帮A、C点，底板D点及顶板B点表面变形。与此同时，采用如图7百分表位移计观测距掘进工作面约200m处的已掘巷道帮部表面位移量，其精度为0.01mm。

围岩岩性为泥岩及硬质砂岩段表面变形的典型现场实测结果如图8、9。

图8软弱泥岩围岩表面变形随时间演化的工程实测

2.2.2数据分析

根据项目组已有研究和现场实测结果，围岩表面变形随时间变化较好满足回归

(1)

其中，A为围岩表面最大变形，mm；B为围岩表面变形增长速度衰减系数；t为从巷道开挖到数据采集时间间隔。

根据以上实测数据，利用最小二乘法进行回归分析，可以得出巷道表面不同部位测点A、B、C、D变形随时间变化回归方程如表2。

表2　巷道表面变形随时间变化回归方程

从表2中可以看出：岩性为泥岩时顶板最大变形为57.3mm，底板最大变形量为62.1mm，左帮和右帮表面最大变形分别为72.5mm和78.9mm；岩性为硬质砂岩时，巷道顶部表面最大变形为24.9mm；左帮表面最大变形为 40.7mm；右帮表面最大变形为 43.4mm；底板表面最大变形为42.3mm。根据围岩表面变形随时间变化曲线分析得出：当岩性为泥岩时，围岩表面变形随时间变化进入等速阶段但最终趋于稳定，稳定时泥岩最大变形量为78.9mm，长期对淮北矿区的研究和监测可取泥岩的围岩容许变形值120.0mm，说明围岩变形保持稳定的同时自承载力基本得到发挥，未达到容许变形；当岩性为砂岩时，围岩表面变形随时间变化进入减速阶段而趋于稳定，稳定时砂岩最大变形量为43.4mm，围岩变形虽保持稳定，但与淮北矿区砂岩的容许变形值100.0mm相差较大，自承载力并未充分发挥。

2.3巷道围岩松动圈厚度测定

围岩松动圈[5～6]是由于巷道开挖后，原岩应力的三维应力平衡状态被打破，围岩形成应力集中超过围岩自身强度而在巷道周围形成的碎裂带。董方庭教授等在大量现场和实验研究基础上，认为松动圈厚度对巷道的破坏范围及支护方式的具有重要意义。

用钻孔摄像仪对围岩岩性为泥岩时巷道顶部、左帮及右帮距表面h=500mm，1000mm，1500mm位置围岩松动观测的破碎图片如图10-12。用钻孔摄像仪对围岩岩性为硬质砂岩时距表面h=500mm，1000mm，1500mm处巷道顶部、左帮及右帮观测的图片如图13-15。

图10围岩岩性为泥岩时顶板松动圈观测

围岩岩性为泥岩松动圈测试结果为：距顶板表面1000mm范围内破碎明显，1000-1500mm范围内稍有破碎，说明松动圈范围不应超过1500mm；右帮距表面500mm处明显破碎，1000-1500mm范围内破碎不明显，说明松动圈范围应在1000mm左右；左帮距表面1000mm处破碎明显，1500mm处无破碎出现，层理清晰，说明松动圈范围在1000mm处。

围岩岩性为硬质砂岩的松动圈测试结果为：顶板距表面500mm范围内轻微破碎，而在1000-1500mm范围内层理清晰，完好无损，松动圈范围应不超过500mm；右帮距表面500mm处明显破碎，但距表面1000mm处破碎不明显，松动圈范围应在1000mm左右；左帮距表面500mm处明显破碎，但距表面1000mm处完好无损，松动圈范围应不超过1000mm。

根据拍摄的照片，可以看出：围岩岩性为泥岩时松动圈范围在1000-1500mm之间，围岩岩性为硬质砂岩时松动圈范围在500-1000mm之间。

3围岩支护受力分析

围岩岩性为泥岩及硬质砂岩时，锚杆及锚索受荷随时间变化如图16、17。

比较锚杆(索)受荷与锚杆(索)极限承载力大小，可以看出：围岩岩性为硬质砂岩时，锚杆(索)受荷远未达到极限承载力；围岩岩性为泥岩时，锚杆受荷接近极限承载力，锚索受荷未达到极限承载力。

顶板施加锚索和不施加锚索硬质砂岩数值模拟结果也表明两者作用效果基本相同，如图18。硬质砂岩条件下锚索作用效果不明显，建议取消。

4合理锚杆索支护参数选择

根据现场实测及数值模拟结果，合理锚杆索支护作如下选择：

(1)围岩岩性为泥岩时，目前支护强度偏大，锚索预紧力也偏大。但考虑将来采动影响,原锚杆(索)支护参数仍不变，但可将锚杆分二次支护，第一次支护间排距为1400×1400mm，后在每排相邻锚杆之间补打1根锚杆，锚索可滞后工作面施工；将来采动影响如果较为明显，需进行二次加固。

(2)围岩岩性为砂岩时，根据以上分析，取消锚索支护。考虑将来采动影响，锚杆间排距不变,但为提高掘进速度，可以将锚杆分2次施工，第1次施工锚杆间排距1400×1400mm。距工作面后30.0-50.0m再在相邻锚杆中间补打锚杆，使锚杆间排距缩小到700mm。巷道一次支护及二次支护示意如图19及图20。

5结论

(1)当岩性为泥岩时，泥岩稳定的最大变形量为78.9mm，淮北矿区泥岩的围岩容许变形值为120.0mm，未达到容许变形但是围岩的自承载力基本得到发挥；当岩性为砂岩时，砂岩稳定的最大变形量为43.4mm，与淮北矿区砂岩的容许变形值100.0mm相差较大，自承载力并未充分发挥。

(2)根据现场实测，确定了泥岩的松动圈范围在1000-1500mm之间，硬岩的松动圈范围在500-1000mm之间，围岩为稳定及中等稳定；

(3)对泥岩，原来支护参数不变，二次支护时相邻锚杆之间补打一根，锚索滞后工作面施工；对砂岩，可取消锚索支护，一次支护锚杆间距1400×1400mm，二次支护锚杆间排距缩小到700mm。

参考文献

1崔增祁,李树青.岩巷施工技术的回顾与展望[J].建井技术,1996(5):3-5.

2张新华.浅谈如何提高煤巷综掘速度[J].煤矿天地,2009(7):224-225.

3薛润根,阴永生.优化巷道支护参数 提高巷道掘进速度[J].山西焦煤科技,2011(7):4-8.

4赵颖,詹召伟,沈建波.软岩巷道矿压系统监测方法研究[J].山东煤炭科技,2011(4):236-238.

5董方庭.巷道围岩松动圈支护理论及应用技术徐州[M].徐州;中国矿业大学出版社,2001.

6董方庭,宋宏伟,郭志宏,等.巷道围岩松动圈支护理论[J].煤炭学报,1999(1):21-32.