深部矿井大硐室围岩变形特性实测与分析

左 飞

1 工程概况

望峰岗煤矿是淮南市老矿区谢一矿、谢二矿、谢三矿、李一矿、李二矿五个煤矿的深部接替煤矿。该矿井开采自上述五个煤田矿井走向范围内的深部煤炭资源,第一水平-960m,第二水平-1200m,井田走向长8.1 km,倾斜平均宽2.4m。巷道围岩以泥岩、砂质泥岩为主,岩层倾角16°～18°,大部分属于稳定性较差的岩层,局部属于不稳定性岩层,主要巷道净截面面积在20m2左右。据已有的测试数据,-960m附近的地应力达到了25MPa左右。因此巷道的施工具有深部开采、高地应力、岩石条件差等特点,巷道的稳定性面临严峻的挑战。

为了获得深埋超大断面硐室围岩变形特性与支护结构工作荷载的变化规律,在望峰岗煤矿二副井-960m水平中央水泵房硐室(断面为8 m×8m)建立了测站,进行围岩深部和表面位移监测,以及锚索支护受力监测,从而反映水泵房硐室的围岩变形特性和支护效果。-960m中央水泵房巷道开挖形式是直墙半圆拱,其支护方式主要是采用喷、锚、网和锚索联合支护方式,其中锚杆的直径为22,长度为2.5m,间排距为800mm×800mm,网片孔尺寸为100mm×100mm的菱形网格,喷层厚度为100mm,锚索直径17.8mm,长度6.5m,间排距为2400mm×1600mm。

2 测试目的

1)监测-960m水平巷道围岩作用在锚杆及锚索上压力的大小、显现速度,获得支护结构受力状态的变化特性;2)监测巷道围岩表面及深部的变形规律,及时获得-960m水平大断面巷道表面及深部围岩的位移特征。

3 测试内容

1)巷道表面位移监测;2)锚索受力监测;3)围岩深部位移监测;4)顶板离层监测。

4 监测元件埋设方案

1)硐室表面位移监测。在硐室中设置 1号、2号、3号三个测点(面向工作面按顺时针方向),观测断面按“Δ”法布置顶板及侧帮(距底面2.7 m)的位移测点。监测元件为JSS30A型数显收敛计,其结构图如图1所示。

2)支护结构应力监测。在拱肩位置设置锚索测力计,监测硐室拱肩处的锚索支护轴力。锚索测力计采用的是MCJ-16灵敏型。其量程为0 kN～160 kN,锚杆外露长度200mm左右,安装时液压囊前后各放配衬铁板各一块,将液压囊放置中间,套在锚索上,再拧上螺母。

3)岩体深部位移及顶板离层监测。在帮部布置一个多点位移计(距底面5.5 m),每个孔内设6个基点,深度分别为6m,3 m,2.5 m,2 m,1.5 m,1 m,用以量测硐室的围岩深部位移变化情况。监测元件采用自行设计加工的多点位移计,其结构如图2所示。

5 测试结果分析

经过现场监测,得到望峰岗矿-960m中央水泵房围岩表面收敛以及锚索拉力变化等曲线,见图3,图4。

6 结果分析

根据对望峰岗矿二副井-960m水平中央水泵房硐室的量测,可以得到以下结论:

1)硐室表面收敛。本次量测硐室为望峰岗矿二副井-960m水平中央水泵房,硐室除了具有地压高,岩性弱等特点,断面面积大也是造成硐室变形严重的主要原因。从硐室表面收敛曲线可以看出,30 d内的测试中,两帮相对收敛量达到390mm,平均收敛速率为13mm/d。顶板变形也较大,这主要是由于巷道跨度大,顶板梁的弯矩大造成的。30 d以后的变形速率仍然没有稳定下来,说明巷道变形没有得到很好的控制。2)硐室深部围岩变形。在硐室的深部位移时间曲线中,各基点位移随观测时间也呈现较快的增长,还没有稳定下来的趋势,说明初期硐室深部围岩位移速率也较大,与硐室表面收敛相符。从曲线上看,1.5 m～2.0m围岩位移差较大,为11mm,而2.0m向围岩深部位移差都比较小,说明破裂区发展到1.5 m～2.0m。此外,在0m～1.0m内围岩变形很大,达到25mm,说明表面张拉破碎带围岩破碎化较为严重。第一破裂区范围为0m～2.0m,二次破裂区还未形成。但是,位移时间曲线表明,围岩深部位移一直在呈较快速度的增长,位移速率大,说明围岩破裂区在不断扩展,在向围岩深部发展,因此需采取相应措施对围岩变形进行控制。3)硐室支护效果。锚索轴力曲线表明,自安装初始,锚索轴力呈较大幅度的增长,在15 d以后增长速度变慢,最后一次测量锚索轴力最大为160 kN左右,说明锚索起到一定的锚固作用,但并没有完全限制围岩变形,建议增加锚索长度并采用刚性支架进行支护。

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