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软岩巷道修复支护设计优化与实践

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  【摘要】 查干淖尔一号井煤矿地质条件复杂,属于典型的软岩巷道,围岩破碎,两帮变形和底鼓现象十分严重,局部巷道甚至引发顶板冒落,严重影响了施工进度,同时给矿方造成很大的成本支出。通过现场变形监测和数据分析,提出有针对性的措施,合理进行支护设计优化,并加大辅助支护的措施,通过现场变形监测数据分析了优化后的支护效果,可以得知有效控制围岩变形,实现巷道稳定。
中国论文网 http://www.xzbu.com/8/view-4649649.htm
  【关键词】 软岩巷道围岩变形支护设计变形监测
  
  Repair of soft rock tunnel excavation supporting
  design optimization and the practice
  
  LI Shao-hua1MAO Yong-jiang1
  (China Coal 3rd Construction Company·No.30 Engineering Division·Cha-gan-naoer Project Department, 026000, China)
  
  【Abstract】 Chagan well one coal geological condition is complex, belongs to the typical soft rock roadways, surrounding rock broken, two deformation and floor heave phenomenon is very serious, even partial roadway caused by roof caving, the serious influence the construction progress, at the same time to the ore party did a lot of cost. Through the deformation monitoring and data analysis, proposed targeted measures, reasonable supporting design optimization, and the auxiliary supporting measures, through the deformation monitoring data analysis, the supporting effect of the optimized to effectively control the deformation of the surrounding rock, realize the roadway stability.
  【Key words】 Soft rock roadwayThe deformation of surrounding rockSupport design Deformation monitoring
  1 工程概况
  查干淖尔一号井煤矿设计8.0 Mt/年,风井井口标高+1037m,风井落底标高+837.5m。主要巷道和硐室设计在2煤中,2煤是本井田主要可采煤层,可采煤层厚度3.10~41.95m,平均22.32m,该煤层白垩系下统巴彦花组煤系地层。
  组成2煤回风大巷煤层顶、底板的岩石主要以泥岩、砂质泥岩为主,其次为各类砂岩。各种岩石的力学强度低,多为软岩类岩石,而泥岩又遇水膨胀、软化、崩解,流变、蠕变现象严重,围岩多为泥质胶结,呈层状结构,块状构造,岩体各向异性。因此组成煤层顶、底板岩石的强度很低,稳定性差。
  2 变形特征
  2煤回风大巷2011年7月底开工,截止2011年底已施工至116m,由于0~57m段巷道变形严重,被迫停止施工。巷道表现为四周普遍受压,并且全断面收缩,同时底鼓现象十分严重,局部巷道甚至引发顶板冒落和两帮破坏,巷道先后采取12#矿用工字钢单、对棚+锚网+锁腿锚杆+喷砼联合支护方式,几个月后巷道变形达到1m~2m,其中开口处垮塌。耗费了大量的人力、物力和财力,严重影响了工程进度和工程质量,给整个矿井的整体建设带来严重影响。巷道收敛变形如图1所示。
  3 软岩巷道支护修复技术指导思想
  3.1 软岩巷道大变形围岩稳定控制的理念
  在高应力环境下,巷道围岩体自稳定性差,剪胀效应使局部岩体流变发展,导致该部位切向应力降低,进而径向应力减少,围岩体状态恶化;同时局部岩体流变也会导致巷道轴线方向应力减小,破坏巷道平面应变的条件。支护方式为:一次支护让压,实现深部、浅部围岩体的共同承载;大刚度、高强度二次支护,补偿由于流变产生围岩体切向应力降低的部分。
  一次让压支护使围岩体达到较低变形速率下的力学平衡,充分发挥围岩承载力;二次大刚度、高强度支护避免巷道周边围岩体处于瞬时强度高承载位置的应力状态下及围岩体的再次应变软化与蠕变导致的状态恶化、岩体承载力降低,减少巷道围岩体偏应力,促进围岩应力向长期强度和稳定的流变停止应力状态转化。
  大刚度、高强度二次支护工作阻力为被动平衡力,随围岩流变的发生、发展而增加。它补偿了围岩体流变产生的应力降低部分,保证了围岩体基本不产生新的位移条件下,围岩体应力向稳定应力状态转化,岩体流变变形趋势逐渐减弱。
  当二次支护体强度较大,二次支护工作阻力最大值低于支护体强度时,粘弹性区岩体应力调整至流变停止状态;粘塑性区围岩体应力将最终降至相应的岩体长期强度,巷道处于稳定的围岩体应力平衡状态。因此,二次支护的大刚度、一定的高强度是保证围岩应力状态向长时强度和粘弹性流变停止转变的2个条件。
  原岩应力和巷道断面一定的条件下,对于大刚度、高强度二次支护,一次支护中在保证顶板安全和断面收敛率要求的前提下形成的塑性区,有利于围岩的最后稳定。因此,通过巷道一次支护期间的让压变形,可达到以较小的二次支护工作阻力控制围岩的流变。
  3.2 二次支护时间确定
  巷道开挖后岩体原有应力状态被破坏,围岩中应力重新分布,切向应力增大的同时,径向应力减小。由于岩体应力平衡的打破,围岩体向巷空方向移动。巷道开挖后初期,围岩体受力的不平衡导致巷道初始变形速度大。
  岩体加载速度是影响岩体强度的一个因素,伴随着初始的大变形速度岩体强度相对较高;围岩塑性区逐步形成,岩体自承载力增大;同时一次支护工作阻力增加,围岩体达到新的力学平衡状态。随着新的平衡形成,巷道变形速度逐步降低,并过渡到一个稳定时期。
  实测软岩巷道变形速度表明,巷道开挖后变形速度可划分3个阶段,即减速变形阶段、近似性的恒速变形阶段和加速变形阶段。当进入加速变形阶段时,岩体本身结构改变,产生裂纹,强度明显降低。因此,一次支护后巷道变形进入恒速变形阶段是相对于一次支护条件下,塑性区发展及围岩体力学性质发挥到最大能力时的状态,也是二次支护的最佳时间。实际工程问题中,二次支护时间可根据变形速度实测确定。
  4 支护设计的优化
  4.1 支护方式
  巷道净断面为5000×4300mm,掘进断面为5822×5650mm,采用网喷+U36支架+锚索+φ20@300mm钢筋网喷联合支护。
  (1)外层金属网采用直径Φ6.5mm的盘圆焊接而成,网孔100×100mm,内层挂双层钢筋网,一层为Φ6.5mm的盘圆的金属网,另一层为Φ20@300mm钢筋网,喷砼厚度为350mm,喷砼为C25。

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