交岔巷道圍巖破壞失穩(wěn)特征及支護技術(shù)分析

姜 波，祝延軍

（1.內(nèi)蒙古科技大學，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.北方魏家峁煤電有限責任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010308；3.北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京100013）

0 引言

煤礦井下開采需要布置錯綜復雜的煤巖巷道，其中交岔布置的巷道形式尤為普遍，但因其自身空間布置特征而形成面積較大的裸露頂板，不利于承載穩(wěn)定的巷幫受力狀態(tài)，致使其存在較為嚴重的頂板冒頂失穩(wěn)和巷幫片幫失穩(wěn)隱患，嚴重制約了礦井的安全高效生產(chǎn)。眾多學者針對復雜空間交岔巷道圍巖失穩(wěn)問題的研究已取得諸多研究成果，為滿足井工煤礦的生產(chǎn)運輸、輔助運輸、安全通風等方面做出巨大貢獻[1-15]。隨著我國煤炭資源開采不斷向地下深部進發(fā)，同時為追求更大的資源開采效率，井工煤礦的巷道工程量越來越大，煤巖層內(nèi)布置交岔巷道的工程情況越來越多，但交岔巷道圍巖受力情況復雜，相對單一的巷道布置情況較為嚴重，如交岔巷道拐角（三角區(qū)） 破壞嚴重，頂板冒落失穩(wěn)高度較大，復雜空間交岔巷道支護的控制難度較高，交岔點位大斷面懸空頂板支護穩(wěn)定性弱等諸多問題。因此，如何實現(xiàn)井工煤礦交岔巷道的支護穩(wěn)定，滿足井巷工程快速掘進的生產(chǎn)建設要求，仍待進一步研究和解決。

1 概況

五家溝煤礦主采5-1 號煤層，煤層厚度平均為7.68 m，總體傾向為NW 單斜構(gòu)造，煤（巖） 層傾向N45°W～S60°W，傾角1°～4°，平均2.5°；布置15109 工作面對其進行資源回采，設計在停采線前端位置布置15109 輔運聯(lián)絡巷和行人斜巷，三者呈交岔巷道布置。15109 輔運巷道是服務于15109 工作面輔助運輸?shù)闹匾夭上锏溃?5109 輔運聯(lián)絡巷與15109 工作面輔助運輸呈直角交岔布置，行人斜巷則與15109 工作面輔助運輸巷呈42°銳角交岔布置，該交岔巷道區(qū)域承擔輔助運輸、行人、通風與安全等重要職能，一旦出現(xiàn)巷道失穩(wěn)問題將導致輔助運輸、行人、通風等安全堵塞，進而對工作面的安全回采造成影響，對整個礦井構(gòu)成局部安全隱患。

2 交岔巷道受力變形及破壞失穩(wěn)特征分析

如圖1 所示，交岔位置附近各個巷道頂板部位的最大主應力基本在6.0 ～6.6 MPa，但在小角度巷幫部位則形成9.0 ～9.7 MPa 的最大主應力集中（是單一巷道圍巖的圍巖應力集中的1.5 倍，是所處地層原巖應力的2.3 倍）；如圖2 所示，交岔位置的頂板圍巖呈現(xiàn)0.55 MPa 最小主應力分布特征，在交岔位置的巷道部位則呈現(xiàn)-0.15 ～0.75 MPa 的最小主應力分布特征。交岔巷道位置附近圍巖的最大、最小主應力差異程度明顯高于單一巷道圍巖主應力分布情況，而較大的主應力分布差異說明交岔巷道位置附近圍巖的受力狀態(tài)尤為劇烈，變形破為嚴重，在頂板中部圍巖受到二向水平應力的疊加影響，導致該部位的圍巖受力破壞加劇，形成較為嚴重的冒落失穩(wěn)隱患。

圖1 交岔巷道圍巖最大主應力分布特征Fig.1 Distribution characteristics of maximum principal stress in surrounding rock of intersection roadway

圖2 交岔巷道圍巖最小主應力分布特征Fig.2 Distribution characteristics of minimum principal stress in surrounding rock of intersection roadway

交岔巷道圍巖位移分布特征如圖3 所示。

如圖3 所示，交岔巷道位置的頂板圍巖沉降相對明顯，交岔巷道位置的頂板圍巖位移最大值達522 mm，是交岔位置遠處頂板圍巖沉降的1.7 倍；同時交岔位置附近的巷幫圍巖受到圍巖應力集中的疊加作用而發(fā)生嚴重變形，交岔巷道位置的三角區(qū)巷幫圍巖擠壓變形最大值達748 mm，是交岔位置遠處的巷幫圍巖擠壓變形的1.85 倍。從巷道圍巖的變形分布特征來看，交岔巷道頂板圍及其附近巷幫圍巖受力變形尤為明顯，需要重視此位置的巷道頂板圍巖及其附近巷幫圍巖補強支護，避免形成嚴重的交岔巷道局部冒頂隱患。

圖3 交岔巷道圍巖位移分布特征Fig.3 Distribution characteristics of displacement in surrounding rock of intersection roadway

從交岔巷道圍巖的受力破壞特征來看，在交岔巷道位置的頂板及其附近巷幫部位形成高于單一巷道情況的圍巖受力破壞，如圖4 所示，數(shù)值模擬顯示，在交岔巷道位置的頂板形成4 ～8 m 高度圍巖破壞，在交岔巷道位置附近巷幫部位形成4 ～8 m深度圍巖破壞，此時從交岔巷道圍巖應力疊加環(huán)境下圍巖破壞深度分析可知，交岔巷道圍巖受力加劇破壞的影響范圍基本在距離巷幫深度4 ～8 m，在進行交岔巷道圍巖的補強支護時，需要將交岔巷道附近4 ～8 m 視為重點支護區(qū)域，進而實現(xiàn)對交岔巷道劇烈圍巖破壞失穩(wěn)的控制。

圖4 交岔巷道圍巖受力破壞分布特征Fig.4 Distribution characteristics of surrounding rock failure of intersection roadway

3 交岔巷道圍巖控制途徑及技術(shù)方案分析

面對交岔巷道圍巖受力破壞及其冒落失穩(wěn)問題，本文結(jié)合目前巷道圍巖控制技術(shù)[1-15]，在交岔巷道圍巖受力變形及其破壞失穩(wěn)特征分析基礎上，提出交岔巷道圍巖穩(wěn)定性的控制途徑。

（1） 交岔巷道布置導致巷道空間相對較大，頂板懸空面積大，存在更為嚴重的失穩(wěn)隱患，加之交岔巷道空間使用需求而不能實施單體柱被動支護，因此這一情況應采取高強度錨索懸吊方式，減小頂板彎曲變形幅度。

（2） 交岔巷道布置情況，交岔點的巷道幫部圍巖承受來自頂板地壓作用，致使交岔巷道的巷幫圍巖破壞程度相對嚴重，造成頂板失穩(wěn)跨落和失穩(wěn)規(guī)模增加，故采取圍巖注漿、錨網(wǎng)索補強支護等有效技術(shù)手段進行巷幫維護和補強。

（3） 交岔巷道水平方位夾角越小則巷道圍巖破壞越嚴重，因此支護設計中應當盡量避免小角度方位夾角的出現(xiàn)，盡可能選擇垂直交岔布置方式。

（4） 影響巷道圍巖受力破壞的關(guān)鍵是巷道圍巖本身，巷道圍巖的力學條件越好，則圍巖的承載條件越好，交岔巷道的巷幫圍巖破壞深度越小，采取圍巖注漿膠結(jié)的技術(shù)手段對巷道圍巖的內(nèi)聚力和層間摩擦系數(shù)等物理力學條件進行改善，可減小交岔巷道的巷幫圍巖破壞程度。

根據(jù)所提出的交岔巷道圍巖穩(wěn)定性的控制途徑，同時結(jié)合現(xiàn)場交岔巷道圍巖條件，提出交岔巷道頂板圍巖錨索錨固懸吊及巷幫圍巖錨索錨固的主動支護方式。根據(jù)地質(zhì)說明書提供的頂板圍巖性質(zhì)，利用附近鉆孔和探孔礦壓觀測資料及施工現(xiàn)場的實際情況，設計15109 輔運交岔巷道圍巖穩(wěn)定控制支護技術(shù)方案，確定錨桿+雙層金屬網(wǎng)+鋼帶+錨索的主動支護形式，如圖5 所示。

圖5 交岔巷道支護技術(shù)方案Fig.5 Support technology scheme of intersection roadway

（1） 頂板圍巖選用φ20 mm×2400 mm 左旋螺紋鋼錨桿，間排距950 mm×950 mm，每排6根，配合125 mm×125 mm×10 mm 拱形高強度托盤；每根頂錨桿使用1 根雙速2395 樹脂錨固劑，每根幫錨桿使用1 根K2360 樹脂錨固劑，扭矩不低于120 N·m。

（2） 幫錨桿選用φ18 mm×2000 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，每幫每排3 根，間排距均為950 mm×950 mm，配合125 mm×125 mm×10 mm 拱形高強度托盤；每根頂錨桿使用1 根雙速2395 樹脂錨固劑，每根幫錨桿使用1 根K2360 樹脂錨固劑，扭矩不低于120 N·m。

（3） 頂板錨索選用φ17.8 mm 鋼絞線，每排4 根，間排距1000 mm×950 mm，配250 mm×250 mm×16 mm 的鋼托盤，錨索長度≥9600 mm（實際錨索長度根據(jù)頂煤厚度而定），且錨固長度不低于2.0 m；每根錨索使用1 根K2360 和雙速2395樹脂錨固劑，外露長度150～250 mm。

（4） 巷幫錨索選用φ17.8 mm 鋼絞線，2 排且間排距1000 mm×950 mm，配250 mm×250 mm×16 mm 的鋼托盤，巷幫短錨索根據(jù)實際巷幫三角區(qū)尺寸確定，巷幫長錨索長度≥9600 mm 且錨固長度不低于2.0 m；每根錨索使用1 根K2360和雙速2395 樹脂錨固劑，外露長度150～250 mm。

（5） 頂板及巷幫網(wǎng)片采用8 號鐵絲編制的菱形金屬網(wǎng)，且雙層布置，金屬網(wǎng)規(guī)格：長5800 mm、寬1200 mm，網(wǎng)孔均為80 mm×80 mm，網(wǎng)與網(wǎng)壓茬寬度200 mm，使用16 號鐵絲雙股雙排連接，連接間距不大于200 mm，頂、幫網(wǎng)要連接嚴密，扎結(jié)點的扎絲頭不準漏出網(wǎng)的外平面，并且方向一致。

（6） 鋼筋鋼帶采用φ12 mm 的圓鋼焊制，孔距950 mm，長4800 mm、寬70 mm，錨桿全部打在鋼筋鋼帶梁上。

4 交錯巷道支護控制效果評價

（1） 交岔巷道錨桿索主動支護圍巖控制效果模擬評價。

支護條件下交岔巷道圍巖破壞特征如圖6 所示。

圖6 支護條件下交岔巷道圍巖破壞特征Fig.6 Failure characteristics of surrounding rock of intersection roadway under supporting conditions

如圖6 所示，在所提出的錨桿索主動支護方案作用下，交岔點及其附近位置的頂板圍巖破壞范圍為4 ～6.5 m，相對于無支護條件的破壞范圍5 ～8 m有所減小，支護結(jié)構(gòu)改善了巷道圍巖的受力狀態(tài)，降低了圍巖的破壞程度，提高了交岔巷道頂板圍巖承載穩(wěn)定性。數(shù)值模擬分析認為，在頂板錨網(wǎng)支護基礎上，加之錨索錨固懸吊作用，交岔巷道大面積懸空頂板得以有效支承，在一定程度上對頂板變形失穩(wěn)實現(xiàn)減跨和抑制作用，降低了交岔巷道頂板圍巖的破壞程度，同時改善了頂板支承壓力對巷幫圍巖造成的承載負擔。

交岔巷道圍巖的頂板位移分布特征如圖7 所示，交岔點位置的頂板圍巖下沉變形相對明顯，交岔巷道的頂板圍巖最大變形量達212 mm，其他位置的頂板圍巖變形基本在60 ～120 mm，相對無支護條件下頂板圍巖最大變形量497 mm，減小了285 mm，交岔巷道頂板圍巖在錨桿索主動支護作用下的承載變形得以控制，頂板圍巖最大下沉量小于300 mm，所提出的錨桿索主動支護方案有助于對巷道圍巖穩(wěn)定控制。

圖7 支護條件下交岔巷道圍巖垂直位移分布特征Fig.7 Distribution characteristics of surrounding rock vertical displacement of intersection roadway under supporting conditions

如圖8 所示，交岔點位置的巷道圍巖水平（X方向） 移近變形最大達167 mm，其中圍巖變形最大位置位于交岔巷道的小角度巷幫圍巖位置，相比于無支護條件下的交岔點位置的巷道圍巖水平（X方向） 移近變形646 mm 有明顯改善；如圖9 所示，巷道圍巖水平（Y 方向） 移近變形達126 mm，相比于無支護條件下交岔點位置的巷道圍巖水平（Y 方向） 移近變形678 mm，同樣有明顯改善；數(shù)值模擬結(jié)果表明，在錨桿索主動支護條件下，巷幫錨索補強加固在一定程度上提高了圍巖的抗擠壓變形能力，避免巷幫劇烈變形破壞造成頂板跨度增加，礦壓顯現(xiàn)加劇的失穩(wěn)影響。

圖8 支護條件下交岔巷道圍巖水平位移分布特征（X 方向）Fig.8 Distribution characteristics of surrounding rock horizontal displacement of intersection roadway under supporting conditions(X-direction)

圖9 支護條件下交岔巷道圍巖水平位移分布特征（Y 方向）Fig.9 Distribution characteristics of surroundingrock horizontal displacement of intersection roadway under supporting conditions s(Y-direction)

（2） 現(xiàn)場工業(yè)實踐交岔巷道圍巖變形監(jiān)測反饋評價。

如圖10 所示，通過對交岔點中部頂板離層儀的觀測顯示，交岔點中部頂板在1～7 d 變形明顯，淺基點在20 d 后基本趨穩(wěn)，最終交岔點中部頂板離層儀淺基點離層量在150 mm，而深基點則在在45 d 后基本趨穩(wěn)，交岔點中部頂板離層儀淺基點離層量在150 mm，交岔點中部頂板離層儀深基點離層量在253 mm，交岔點中部頂板最終變形量在253 mm，此后頂板支護控制穩(wěn)定。

圖10 交岔點中部頂板離層監(jiān)測Fig.10 Monitoring of roof separation at middle intersection

如圖11 ～圖12 所示，根據(jù)交岔點前方和后方的巷道表面圍巖監(jiān)測來看，在巷道掘進完成后的15 d 里，巷道圍巖變形始終處于不穩(wěn)定狀態(tài)，其中小角度巷幫位置的圍巖變形尤為明顯，其次是頂板受到巷幫圍巖的破壞變形影響，致使發(fā)生彎曲變形；從獲取的交岔點前方巷道表面圍巖監(jiān)測結(jié)果來看，當前支護狀態(tài)下，交岔點前方巷道表面圍巖在45 d 左右基本趨穩(wěn)，其中頂板錨索懸吊作用使頂板表面圍巖變形量達210 mm，小角度巷幫位置通過實施穿錨索加固，控制圍巖變形在175 mm，另一側(cè)直角度巷幫位置通過錨索錨固補強支護，將圍巖變形控制在125 mm；交岔點后方巷道表面圍巖在35 d 左右基本趨穩(wěn)，其中頂板錨索懸吊作用使頂板表面圍巖變形量達150 mm，大角度巷幫位置通過實施錨索加固控制圍巖變形在110 mm，另一側(cè)直角度巷幫位置通過錨索錨固補強支護，將圍巖變形控制在120 mm，巷道變形程度小。當前交岔巷道圍巖控制效果滿足該交岔巷道安全生產(chǎn)要求。

圖11 交岔點前方巷道表面圍巖監(jiān)測Fig.11 Monitoring of surrounding rock surface in front of intersection

圖12 交岔點后方巷道表面圍巖監(jiān)測Fig.12 Monitoring of surrounding rock surface behind the intersection

5 結(jié) 論

（1） 交岔巷道圍巖破壞失穩(wěn)劇烈的原因在于交岔巷道布置導致巷道空間相對較大，頂板懸空面積大，存在更為嚴重的失穩(wěn)隱患，交岔點的巷道幫部圍巖承受來自頂板地壓作用負擔尤為嚴重，致使交岔巷道的巷幫圍巖破壞程度較為嚴重，造成頂板失穩(wěn)跨落和失穩(wěn)規(guī)模增加，應做好對交岔位置的巷道頂板圍巖及其附近巷幫圍巖補強支護，避免形成嚴重的交岔巷道局部冒頂隱患。

（2） 交岔巷道因空間使用需求不能實施單體柱被動支護，采取高強度錨索懸吊方式，減小頂板彎曲變形幅度是最為有效的技術(shù)途徑。

（3） 提出交岔巷道頂板圍巖錨索錨固懸吊及巷幫圍巖錨索錨固的主動支護方式，確定錨桿+雙層金屬網(wǎng)+鋼帶+錨索的主動支護方案，通過對現(xiàn)場15109 輔運交岔巷道圍巖變形監(jiān)測反饋，所提支護技術(shù)方案控制效果良好且滿足安全生產(chǎn)要求。