梁冠军（中煤科工南京设计研究院，江苏南京２１００３１） 矿井深部大断面硐室围岩破坏与支护机理研究 摘要：依据红庆河煤矿副井马头门大断面硐室工程地质实际条件，采用ＦＬＡＣ３Ｄ数值模拟软件研究手段，针对不同支护条件下 副井马头门大断面硐室围岩力学特征进行了深入的研究，主要对钢筋混凝土支护、锚网索支护、锚网索注支护进行了数值模拟，分析 比较了三种支护条件下的应力、位移和塑性区范围，从而得出了通过围岩注浆的方式可以增加硐室有效承载结构的范围和整体性。 关键词：大断面硐室；马头门；围岩破坏；支护机理 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８—０１５５．２０１３．０４．０７８ 中图分类号：１７４０７．２１；ＴＤ２６４ ．５ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００８—０１５５（２０１３）０４—０１２８—０３ 随着开采深度逐渐加大，大断面硐室的支护问题 日渐突出，主要是由于开采深度加大，地应力急剧增 加，岩体力学特性更为复杂，在高地应力和反复采动影 响下，工程软岩特性明显，围岩极易膨胀、破碎、流变， 同时可供借鉴的工程实例较少¨Ｉ４ ，因此，研究如何解 决矿井深部大断面硐室围岩变形破坏与支护机理难题 对指导矿井设计和安全高效生产具有重要的理论和现 实意义。 １工程概况 红庆河矿井位于国家大型煤炭基地一神东煤炭基 地内的东胜煤田新街矿区。矿井设计生产能力１５００ 万ｔ／ａ，采用立井开拓，初期布置３个井筒，井口标高 ＋１３６０ｍ，一水平标高＋６６５ｍ。副井井筒净直径 １０．５ｍ，副井马头门净宽７．Ｏｍ，净高７．５ｍ，围岩主要为 砂质泥岩，抗压强度３０ＮＩＰａ左右。 马头门与井筒连接平段处巷道净宽７ｍ，净高 ７．５ｍ，净断面４７．２ｍ ，掘进断面７４．６ｍ ，支护形式为复 合支护，混凝土等级为ＣＦ５０，支护厚度１．３ｍ；马头门落 平段巷道净宽７ｍ，净高５．６ｍ，净断面３３．９ｍ ，掘进断 面４９ｍ ，支护形式为复合支护，混凝土等级为ＣＦ５０，支 护厚度０．８ｍ。 ：． 以红庆河矿井副井马头门地质和开采技术条件为背 景，建立ＦＬＡＣ３Ｄ三维计算模型进行数值模拟。模型 沿长１４４ｍ，宽１２０ｍ，高度１２０ｍ。模型中包括井筒、马 头门及其顶底板岩层三维模型共划分有２３４６２４个三 维单元，共２４６５２６个结点，三维计算模型网格图如图２ 所示。模型侧面水平移动，模型底面垂直移 动，模型上部施加垂直载荷模拟上覆岩层的重量。 根据现场地质调查和相关研究提供的岩石力学试 验结果，考虑到岩石的尺度效应，模拟计算采用的岩体 力学参数见表１。 表１岩体力学参数 容重ｄ 岩石名称 （ｋｇ／ｍ ） ２４６０ ２４６１ 弹性模量 Ｅ（ＭＰａ） １．９５￣１０４ ０．８７５ｘｌ０４ 泊松 内聚力 摩擦角 抗拉强度 比ｕ ０．２ ０．２６ Ｃ （ＭＰａ） 。） ３８ ３Ｏ ｏＴ（ＭＰａ） １．８４ ０．６０５ 粉砂岩 顶 泥岩 ２．７５ ｌＩ２ 板 粉砂岩 砂质泥岩 ２４６０ ２５ｌ０ １３８０ ２４６０ ２４６１ １．９５ｘ１４０ ０．２ ２．７５ ２．１６ １．２５ ２．７５ １．２ ３８ ３６ ３２ ３８ ３０ １．８４ Ｏ．７５ ０．１５ １．８４ ０．６０５ ０．５４２５ｘｌ ｏ４ ０．Ｉ４７ ０．５３ｘｌ０４ １．９５￣ｌ０４ ０．８７５ｘｌ０４ ０＿３２ Ｏ．２ ０．２６ 煤 底 板 ３－１煤 粉砂岩 泥岩 砂质泥岩 钢筋混凝土 注浆体 ２５３０ ２５００ ２４５０ １．０８５￣１０４ ０．１４７ ３．７×ｌ ｏ４ ３×ｌ０４ ０．４ ０．２ ２４５ ０．２３ ０．２ｌ ４０ ４４．５ ４５ ２，０ｌ ２．９９ ２ ３４ ｊ ； ｌ 兰 凌｝ 一罩 一一一＝一一 ｔ／ １ ｌ１ 钢筋混凝土支护厚度１ｍ，采用壳单元，锚杆间排 距０．８ｍ，锚杆长度２．４ｍ，使用杆单元模拟，注浆采用改 变围岩属性的方式模拟，扩散半径１ Ｉｎ。 ３数值模拟结果分析 ３．２不同支护方式数值模拟研究 ＼＼ 一｛ ｌ 日 一地 王 。＝ ‘。 图１副井马头门剖面图 ２数值模型的建立 为了全面、系统地反映深井硐室群围岩力学特征， 深部大断面硐室的突出特点就是断面较大、承受 采动支承压力，围岩破碎，变形量大。现有的巷道支护 方式主要有砌碹、锚梁网、注浆等等，不同开采条件适 应不同形式的支护方式。不同的支护方式对巷道的影 响也大不相同。 ３．２．１不同支护方式大断面硐室应力分析 图２为不同支护形式硐室围岩最大主应力分布。 收稿日期：２０１３－０２—２０ 作者简介：梁冠军（１９７７一），男，江苏南京人，毕业于安徽理工大学矿山建设专业，工程师，现在中煤科工集团南京设计研究院工作。 ・１２８・ 布范围逐渐减少，围岩塑性区沿硐室边角方向进行延 伸，与矩形巷道破坏方向一致，说明半圆拱形硐室或巷 道存在边角局部效应，不同支护方式的围岩塑性区范 围不一致，其中锚网索支护硐室围岩塑性区范围和边 角影响深度最大。当采用注浆加固以后，硐室的顶部 塑性区减少，完整的区域扩大，说明注浆起到了固帮护 顶的作用。 ４小结 聚丙烯酰胺常用ＰＡＭ表示，其特点是无色、无嗅、 能溶于水，腐蚀性小的非离子型聚合物。聚丙烯酰胺 在氢氧化钠的作用下起水解反应，可以得到聚丙烯酰 胺的水解体，用ＰＨＰ表示。水解时，聚丙烯酰胺分子中 的酰胺基转化为羧基（ＣＯ０一一）的百分数，成为水解 依据红庆河在建矿井副井马头门具体地质和开采 技术条件，采用数值模拟手段，对井下大断面硐室围岩 应力、位移和破坏等力学特征进行全面系统的研究，得 度。由于ＰＨＰ相同条件下溶解快且澄清速度更快，所 以实际生产用的多为ＰＨＰ。ＰＨＰ中的ＣＯ０一不但影 响分子的形状，而且影响絮凝剂与带负电煤粒之间的 作用，因此，ＰＨＰ的絮凝效果与水解度有关。 ａ．水解度小于３０％：此时水解度不足以使大分子 展开，ＣＯＯ一基团较少，分子链卷曲度大，虽然负电性 到了一些规律性的结论。 （１）在副井井底连接处产生应力集中，在支护设计 中要着重加强连接处的支护强度。 （２）随着支护强度的增大，硐室围岩应力集中程 度、位移量和破坏范围都随之减小，同时采用硐室围岩 注浆能起到固帮护顶的作用，显著减少顶部破坏区范 围。 （３）深井特大型硐室的受力变形特征主要为开挖 扰动之后产生偏载，动载现象明显，变形量大，同时由 于其断面较大，松动圈范围较之小断面硐室要大，支护 构件很难形成有效的承载结构，单一支护形式效果差， 所以在支护设计的过程中要通过硐室围岩注浆的方式 增加其有效承载结构的范围和整体性。 参考文献： ［１］车发家，谢士文．深井大断面硐室围岩稳定的数值模拟研究 ［Ｊ］．煤炭技术，２００８，２７（１０）． ［２］马念杰，侯朝炯．采准巷道矿压理论及应用［Ｍ］．北京：煤炭 工业出版社，１９９５． ［３］卢士涛．软岩硐室裂隙岩层锚注加固的围岩稳定性分析 ［Ｄ］．青岛：山东科技大学，２００８． ［４］张连福，谢文兵．深井大断面软岩硐室高强稳定型支护技术 研究［Ｊ］．山东科技大学学报：自然科学版，２０１０，５（２９）． （责任编辑：班雨春） （上接第１２７页ｌ 加药地点决定了接触时间，一般是加在设备人料点前 若干米处，并进行调节。针对济宁二号煤矿煤泥水的 情况，选煤厂在６０２浓缩机入料水槽内加药，加药点选 择在了离入料点十五米的位置，并在加药点前设置挡 板，让絮凝剂水溶液与煤泥水进行充分的混合，以达到 良好的效果。加药点还可以根据煤泥水情况进行调 节，煤泥水情况好时可以适当前移，不好时可以适当后 移。 （４）制定科学合理的加药制度。要保证循环水的 质量，在浓缩池中加药直接影响细煤泥的沉降速度，因 此科学合理的加药制度很重要。济宁二号煤矿选煤厂 主要使用的药剂是聚丙烯酰胺。 ・１３０・ 与煤粒表面的静电斥力小，但架桥作用较差。 ｂ．水解度大于３０％：由于水解度大，ＣＯＯ一基团 多，高分子链能伸展的很好，但由于负电性增强，因此 与煤粒表面的斥力增强，阻止了对煤粒的絮凝作用。 ｃ．水解度等于３０％：分子链上每隔两个酰胺基就 有一个ＣＯＯ一基团，此时电性适中，分子链夜不太卷 曲，絮凝效果最好。 济宁二号煤矿选煤厂在分析大量的生产数据的基 础上，制定了如下的加药制度： 提前预防。观察煤质变化，根据煤质的情况调节 加药量，提前预防煤泥水的变化。在洗煤过程中，煤泥 水中最先积累也最易积累的是一些极细颗粒，开始的 表现为溢流虽然有些浑浊但浓度并不高。然而这种煤 泥水浓度一旦浓度上去将会很难处理，因为颗粒越细 小絮凝剂的用量就越大，絮凝剂的用量和悬浮颗粒的 表面积成正比，所以悬浮物越细小，需要的絮凝剂量就 越多。６０２溢流的清水层不要低于５００ｒｎｍ，在煤质变化 的时候能有一个缓冲空间。 加药时应维持聚丙烯酰胺溶水溶液液浓度不变。 聚丙烯酰胺水溶液浓度的恒定，比较容易添加与管理， 并且水溶液浓度越稀与煤泥水混合的效果就越好。 水溶液添浓度不能过高。根据现有加药系统，当 水溶液浓度过高时，干粉不能与水充分混合溶解，水溶 液中会出现很多鱼眼状未溶干粉絮团。不但浪费干 粉，还会难以与煤泥水充分混合，加剧煤泥水的恶化。 ３．处理效果 通过以上种种措施，济宁二号煤矿选煤厂煤泥水 系统运行良好，经受住了煤质变化的考验，为洗煤生产 提供了合格的循环水，实现了洗水的闭路循环，在原煤 灰分从２０％到５０％的巨大变化中，济宁二号煤矿选煤 厂从没有因煤泥水问题影响生产。 参考文献： ［１］谢广元．选矿学［Ｍ］．徐州：中国矿业大学出版社，２００１． ［２］张明旭．选煤厂煤泥水处理［Ｍ］．徐州：中国矿业大学出 版社，２００５． （责任编辑：班雨春）
