复杂构造区穿层巷道支护参数设计_曾伟伟.pdf

doi:10.13301/ki.ct.2023.02.025第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.20230引言复杂地质条件的巷道安全掘进是矿业安全生产的重点与基础，对掘进巷道支护一直是采矿行业的行业性难题。随着工程实践和理论研究的发展，大量学者在巷道支护方面进行了探索，使围岩控制理论也获得了极大进步。但是关于软岩巷道的变形机理、破坏机理尚缺乏研究，支护的方法和技术手段尚不理想，因此软岩巷道的支护关键技术问题依旧是亟待解决的问题。巷道开挖后，一般总要引起周边围岩发生收敛变形位移，当围岩位移超过自身承载能力时，巷道就难以维持其原有形状从而发生顶板冒落，底板鼓起等现象。围岩控制的目的就是通过人为技术手段去改善围岩条件，限制巷道形变，从而使巷道能以原有断面形状和围岩达到新的应力平衡，为矿井现代化作业安全生产提供保障。根据松动圈理论，提出以松动圈范围为参考为巷道支护提供理论解释和支护参数设计。本文针对安徽某矿进行现场监测和结果分析，根据松动圈结果提出科学支护参数。1工程背景七采区回风大巷位于淮北某矿地面五采区深部，四周均为未开拓区域。设计全长1 290 m，该掘进工作面底板标高-625.6-628.7 m。该巷道为穿层施工，穿过的岩层有粉砂岩、细砂、中砂、泥岩、煤层等。岩层产状为018512，受3条断层影响。针对该地质条件多样性，巷道支护参数的选择需要考虑多方面因素，通过工程类比和经验参数很难满足实际工程需要，因此针对已开挖的水平巷道做松动圈探测和分析，为巷道支护提供更为科学经济的支护设计方案。2松动圈探测与支护参数设计2.1松动圈探测地质雷达探测法是一种广谱电磁技术，通常用于确定地下介质分布的。地质雷达探测原理图如图1所示。图1地质雷达探测原理图通过发射和接收高频电磁脉冲波对探测物体进行检测，利用电磁波在不同介质中传播属性与反射强度的不同，在波形图上通过不同波形显示不同介质的空间状态，不同反射强度判断不同介质属性。通过发射点发射电磁波经介质反射后由接收器复杂构造区穿层巷道支护参数设计曾伟伟（安徽理工大学 矿业工程学院，安徽 淮南232001)摘要：针对复杂穿层巷道的难以支护问题，以七采区回风大巷为工程背景，通过现场实测和地质雷达对该回风大巷的围岩松动圈进行监测，根据悬吊理论、松动圈理论设计支护方案，提出了锚网+钢带+喷浆+锚索+注浆联合支护方案，通过FLAC3D对支护方案进行模拟和分析，最后结合现场实际情况进行分析，验证支护方案合理性。关键词：复杂构造区；地质雷达；松动圈理论；数值模拟中图分类号：TD353文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 107 05Support Parameter Design of Roadway in Complex Structure AreaZENG Weiwei（School of Mining Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China）Abstract:In view of the difficult support problem of complex cross-layer roadway,with the return airroadway in No.7 mining area as the engineering background,the loose circle of surrounding rock of thereturn air roadway was monitored by field measurement and geological radar.According to thesuspension theory and loose circle theory,the support scheme was designed,and the combined supportscheme of anchor net+steel belt+shotcrete+anchor cable+grouting was proposed.FLAC3Dwasused to simulate and analyze the support scheme,and finally,the rationality of the support scheme wasverified by analyzing the actual situation on siteKey words:complex structure area;geological radar;loose zone theory;numerical simulation接收点发射点介质XC107接收，主机记录。介质埋深h=t2v2-x22（1）其中，电磁波传播速度v=c（2）式中t电磁波传播时间;x发射点与接收点的距离;c电磁波在真空传播速度;介电常数。在测量监测中，发射点与接收点间距x是已知的，传播时间t可由地质雷达记录，电磁波在真空传播速度c等于光速已知，介电常数已知。因此通过地质雷达在巷道中连续扫描记录，可以形成围岩内部的地质雷达剖面，在雷达地质剖面上各介质都转化成不同波形被记录着，通过式（1）、式（2）转换可以得到各介质的深度情况和状态，从而达到监测目的。巷道布置4个测站，单个测站雷达探测线沿巷道轴向布置，侧线位置分别位于巷道左右两帮需沿测点轴向连续探测1020 m，如图2所示。图2雷达侧线布置断面图其中测站1、测站2、测站3、测站4分别距迎头12、55、115、140 m。布设测站采用地质雷达扫描进行观测，获取围岩内部破坏深度，雷达监测结果图如图3所示。由图3可以得出：顶板松动范围1.51.9 m，底板松动范围1.51.8 m，左帮松动范围1.51.9 m，局部破坏发生在2.1 m处，右帮松动范围1.52.1 m，根据松动圈理论，属于第类大松动圈，支护方式应采用锚杆组合拱理论喷层，钢筋网局部支护。2.2支护参数设计采用锚杆+锚网+钢带+喷浆+锚索+注浆联合支护方案。根据悬吊理论可知：锚杆总长度LKL1+L2+L3=3 000 mm（3）间排距AQ1.8KL1（4）式中K安全系数，取K=1.2；L1松动圈范围，L1=2 100 mm；L2稳定岩层锚固长度，L2=380 mm；L3露头长度，L3=100 mm；Q锚杆锚固力，Q=44 kN；上覆岩层重度，=24 kN/m3。锚索长度l=P2r（5）式中P锚索锚固力，P=550 kN；r锚索孔半径，r=14 mm；药卷与钻孔壁黏结强度，=1 MPa。经计算锚索长度6 255 mm，考虑实际施工存在露头，因此锚索长度取6 300 mm。其余参数具体如表1所示。（a）顶板（b）底板（c）左帮（d）右帮图3雷达监测结果图底板测线左帮测线右帮测线顶板测线1.2 m第42卷第02期复杂构造区穿层巷道支护参数设计曾伟伟Vol.42 No.02051015202530时间/ns0.00.51.01.52.02.53.03.54.0深度/m20.020.521.021.522.022.5距离/m0.00.51.01.52.02.53.03.54.0深度/m051015202530时间/ns20.020.521.021.522.022.5距离/m051015202530时间/ns0.00.51.01.52.02.53.03.54.0深度/m20.020.521.021.522.022.5距离/m0.00.51.01.52.02.53.03.54.0深度/m051015202530时间/ns20.020.521.021.522.022.5距离/m1083数值模拟通过FLAC3D对该支护方案进行模拟计算，并根据研究需要建立相应的模型，根据实验得出不同地层的力学参数进行模拟计算。相关围岩的力学参数如表2所示。表2围岩力学参数表结合七采区实际地质条件，所建模型如图4所示，模型的长度为60 m,宽度为10 m，模型的总高度为60 m。模拟的巷道高5.4 m，巷道宽5.4 m。巷道掘进方向沿轴向掘进。在模型下边界固定x，y，z这3个方向的移动，在模型前后左右各边界固定水平方向的移动，采用Mohr-Couloml本构模型为本次模拟的本构关系。模拟结果如图5图7所示。（a）模型（b）支护布置图4模型图（a）无支护（b）支护后图5塑性区图（a）无支护（b）已支护图6Z向位移（单位：m）表1支护材料及参数表1支护材料及参数类型锚杆钢带锚网喷射砼锚索注浆锚杆设计参数22 mm3 000 mm高强螺纹钢锚杆，锚杆托盘型号为10 mm200 mm200 mm锚杆间排距600 mm600 mm钢带总长2 025 mm，宽度180 mm，钢带眼孔长80 mm，宽40 mm，钢带眼（中-中）间距600 mm金属网规格：6 mm2 500 mm900 mm，方格网规格：100 mm100 mm水泥选用PO.42.5黄砂粒径为大于0.35 mm，石子粒径为510 mm，速凝剂采用J85型。喷砼强度为C20，喷浆厚度100 mm锚索：选用21.6 mm6 300 mm预应力锚索，间排距1 200 mm1 800 mm，每排布置7根，锚索托盘规格10 mm400 mm400 mm型或16 mm300 mm300 mm型帮、顶注浆锚杆采用规格为25 mm2 400 mm的中空注浆锚杆，间排距1 800 mm1 800 mm，每排6根；底板注浆锚杆采用规格为25 mm2 000 mm的中空注浆锚杆，布置4根，间排距1 500 mm1 800 mm泥质砂岩砂质泥岩泥岩泊松比0.300.330.35体积模量/GPa1.501.471.44剪切模量G/GPa0.560.450.38黏结力c/MPa2.00.450.38ZoneColorby:UnlformZoneCableColorby:UnlformUnlformZoneColorby:State-AverageNoneshear-n shear-p tension-pshear-nshear-n shear-pshear-pZoneColorby:State-AverageNoneshear-n shear-pshear-pContour of Z-Displacement8.277 9E-018.000 0E-017.000 0E-016.000 0E-015.000 0E-014.000 0E-013.000 0E-012.000 0E-011.000 0E-010.000 0E+00-1.000 0E-01-2.000 0E-01-3.000 0E-01-4.000 0E-01-5.000 0E-01-5.949 3E-01Contour of Z-Displacement6.541 4E-026.000 0E-025.000 0E-024.000 0E-023.000 0E-022.000 0E-021.000 0E-020.000 0E+00-1.000 0E-02-2.000 0E-02-3.000 0E-02-4.000 0E-02-5.000 0E-02-5.784 6E-02第42卷第02期Vol.42 No.02复杂构造区穿层巷道支护参数设计曾伟伟109（a）无支护（b）已支护图7X向位移（单位：m）由图5可得，支护前后塑性区范围由2.5 m降为1 m，减小了60%。由图6、图7可知，未支护的情况下，在巷道顶板表面处测得的最大位移量590 mm，在巷道底板表面处测得的最大位移量803 mm；测得左帮巷道表面的最大位移量554 mm，右帮巷道表面的最大位移量553 mm，支护后，在巷道顶板表面处测得的最大位移量57 mm，在巷道底板表面处测得的最大位移量65 mm；测得左帮巷道表面的最大位移量12 mm，右帮巷道表面的最大位移量12 mm，数据表明模拟的支护