深部立體交叉巷道破壞機理及控制對策研究

郭志飚，張躍林，王 炯

(1.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；2.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

深部立體交叉巷道破壞機理及控制對策研究

郭志飚1，2，張躍林2，王 炯1，2

(1.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；2.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

針對在復雜高應力場作用下，深部立體交叉巷道變形破壞嚴重、穩定性難以控制的問題，本文以鶴崗礦區興安礦深部立體交叉巷道為研究對象，進行了工程地質條件和現場變形破壞特征的調查分析；結合工程實際利用FLAC3D進行了數值模擬，總結了巷道變形破壞的主要原因為：地應力高、多巷道開挖時相互擾動的作用；提出了優化巷道布局，并進行以錨網索+立體桁架耦合支護為主體的深部立體交叉巷道控制對策。工程應用結果表明，該方法能有效控制巷道變形，保證立體交叉巷道的整體穩定。

深部；立體交叉巷道；破壞機理；控制對策

隨著煤礦開采深度的不斷增加，煤礦工程地質構造也更加復雜，使巷道圍巖處于復雜高應力場作用下，巷道變形和破壞程度增加[1-5]，對于泵房、吸水井和水倉等深部立體交叉巷道群穩定性產生將更加嚴重的影響[6-7]，因此，分析深部立體交叉巷道破壞機理和提出適合的控制對策是深部煤礦開采中面臨的重要問題。

本文以鶴崗礦區興安煤礦深部泵房、吸水井和水倉等形成的立體交叉巷道為研究對象，興安煤礦四水平井底車場延伸工程埋深750m，是該礦區埋深最深的礦井。部分已施工巷道破壞日漸嚴重，在前期掘進施工過程中變形很大，巷道出現了大面積高冒落、底臌和兩幫收縮量大等大變形現象，嚴重影響巷道的正常使用和安全生產。結合現場工程地質條件，利用數值計算等手段分析立體交叉巷道變形破壞特征，得出其變形破壞機理，進而提出合理的穩定性控制對策。并將研究成果應用于現場工程，監測結果表明，該方法能有效控制立體交叉巷道變形，為同類型巷道穩定性控制研究提供參考。

1 工程地質條件分析

1.1 地層巖性

興安礦四水平泵房、吸水井和水倉系統、為立體交叉巷道，巷道圍巖所穿過的巖層為粉砂巖、粉細互層、凝灰質泥巖、劣煤等。總體上，受構造的影響，圍巖相對較破碎，節理、層理和斷層十分發育，巷道圍巖結構為破碎和碎裂結構。

泵房巷道圍巖均有劣質煤層穿過，上下為砂質泥巖和粉砂巖。根據巷道實測地質剖面圖，巷道在開挖過程中三次穿越劣質煤層，揭露巖性主要為砂質泥巖、泥巖和砂巖。巷道圍巖綜合柱狀圖見圖1。

圖1 巷道圍巖地層柱狀圖

1.2 地質構造

鶴崗礦區是在海西褶皺之后侏羅紀所形成的山間斷陷盆地。興安井田總體地質構造為斷層～褶皺型，形態由南部至北部呈弧形，井田地層走向為北東向。井田內發育有寬緩的褶皺，特別是海西褶皺之后形成的山間斷陷盆地，盆地局部升降產生的斷裂和巖漿活動，造成煤系地層在巖性和結構上的復雜性，也控制了井田地層的產狀變化。

2 深部立體交叉巷道變形破壞特征和機理研究

興安礦和鶴崗礦區其它礦井深部立體交叉巷道在掘進和使用期間都產生了較嚴重的變形和破壞，帶來了極大的安全隱患。

2.1 變形破壞特征

由于多條巷道形成立體交叉，掘進期間相鄰巷道施工擾動影響已完工巷道的穩定性，以及由于臨近巷道的變形破壞，引起圍巖應力場的變化，造成巷道在工程偏應力作用下產生變形破壞，進而使得巷道出現非對稱的頂板下沉、片幫(圖2)和底臌等大變形破壞現象(圖3)。

泵房吸水井系統立體交叉巷道由于采用傳統設計方法，每個水泵對應一個吸水小井，造成吸水小井間距較小，巷道開挖后應力重分布，使得相鄰吸水井間相互影響，產生應力集中，造成吸水小井和壁龕穩定性較差，變形破壞嚴重(圖4)，進而影響泵房等關鍵工程的穩定性。

2.2 變形破壞機理

為了進一步研究深部立體交叉巷道的變形破壞機理，本文以鶴崗礦區興安礦四水平泵房、吸水井和水倉為主體的立體交叉巷道為工程背景，結合現場工程實際，建立工程地質模型，進行數值模擬計算，分析立體交叉巷道變形破壞過程和機理，為研究巷道穩定性控制對策提供理論基礎。

應用有限差分程序FLAC3D，構建三維計算模型(如圖5所示)。計算范圍長×寬×高=40m×40m×40m，共劃分357152個單元，60985個節點。該模型側面限制水平移動，底部固定，模型上表面為應力邊界，施加的荷載為14MPa，模擬上覆巖體的自重邊界。材料破壞符合Mohr-Coulomb強度準則。水平方向的側應力系數為0.35，荷載大小為5MPa。

采用上面所建立的模型進行計算，位移場、應力場和塑性區分布圖如圖6～圖8所示。

圖2 巷道片幫

圖3 非對稱底臌

圖4 吸水小井變形破壞

圖5 數值計算模型

圖6 位移場分布圖

圖7 應力場分布圖

圖8 塑性區分布圖

通過數值模擬結果可知，泵房吸水井系統形成復雜的立體交叉巷道群，巷道間相互擾動，造成吸水井等巷道變形較大(圖6)，吸水井、壁龕和泵房間圍巖應力集中程度高，受力較大，影響巷道的穩定(圖7)，由塑性區分布圖(圖8)可知，各吸水井與泵房交叉位置塑性區較明顯。綜上，深部立體交叉巷道處于高地應力場和開挖擾動形成的應力場的疊加作用，使得巷道變形破壞較嚴重，因此，優化立體交叉巷道布局，改善受力條件，減少應力集中，優化配套支護設計是保證巷道穩定的主要對策。

3 深部立體交叉巷道穩定性控制對策

通過上述分析，結合已有的研究成果和現場工程實際，提出深部立體交叉巷道穩定性控制對策。

1)巷道布局優化，減少應力集中。對于深部泵房吸水井為主體的立體交叉巷道群，首先應考慮最大程度減少對關鍵巷道(如泵房)的工程擾動和工程偏應力作用，因此，根據何滿潮院士提出的泵房吸水井硐室群集約化設計的指導思想[1]，興安礦四水平泵房吸水井立體交叉巷道布局優化設計采用如下方法：將傳統設計采用的四個吸水小井(圖9)和配水巷等巷道進行空間布局優化，設計成一個組合吸水井，通過在其內部分割成四個相對獨立的部分，功能與原來分開布置的吸水小井完全一致，并且將原小井間的配水巷道全部取消，通過隔斷內開孔相互溝通和排水。采用上述優化設計大大減少了吸水小井的個數和配水巷的長度，同時原設計由于多巷道立體交叉對泵房的工程偏應力影響大大降低，提高了吸水井和泵房等巷道的穩定性。

圖9 立體交叉巷道布局優化設計

2)配套耦合支護技術，保證巷道的穩定。對于埋深較大的立體交叉巷道，采用傳統的支護技術難以保證巷道的穩定，往往由于巷道間的相互影響而造成變形破壞較嚴重。因此，必須尋求適合與深部立體交叉巷道工程特點的支護技術，結合理論研究成果和現場工程實際，提出以錨網索+立體桁架耦合支護為主體的深部立體交叉巷道配套支護技術，該技術通過錨網索初次支護使立體交叉巷道圍巖形成較穩定外部塑性工作區和內部彈性工作區，避免巷道出現局部有害變形。采用立體桁架進行二次耦合支護，通過桁架與圍巖間預留的變形層進一步吸收變形能，利用桁架的整體性和架間良好的傳力性能，保證巷道圍巖變形均勻，不出現差異性變形，通過與支護體的相互作用，使圍巖穩定。

4 工程應用

本文以鶴崗礦區興安礦深部泵房吸水井系統立體交叉巷道為工程背景，通過上述研究，提出了適合工程實際的設計方案，并進行現場應用。

通過巷道布局優化設計，得出泵房和吸水井等巷道的空間優化布置方式(圖11)和錨網索+立體交叉桁架為主體的支護設計方案(圖12)。

現場礦壓觀測結果表明，通過巷道布局優化，且采用合理的配套支護技術，深部立體交叉巷道穩定性大大提高，組合吸水井變形量最大80mm(圖13)，支護效果見圖14。

圖10 立體桁架受力情況示意圖

圖11 巷道空間布局優化設計圖

圖12 配套支護設計圖

圖13 巷道圍巖變形曲線

圖14 現場支護效果圖

5 結論

1)通過對深部立體交叉巷道圍巖工程地質特性和變形破壞特征的分析，提出了變形破壞的原因：深部立體交叉巷道處于高地應力場和多巷道開挖擾動形成的應力場的疊加作用，配套支護方式不能夠有效限制交叉巷道的變形，使得交叉巷道變形破壞較嚴重。

2)提出了深部立體交叉巷道穩定性控制的主要對策，即：巷道布局優化，減少應力集中，并采用以錨網索+立體桁架耦合支護為主體的深部立體交叉巷道控制對策。

3)鶴崗礦區興安礦深部立體交叉巷道現場應用表明，巷道布局優化和配套支護技術改善了圍巖應力狀態，控制了巷道圍巖變形，提高了巷道的穩定性。

[1] 何滿潮，孫曉明.中國煤礦軟巖巷道工程支護設計與施工指南[M].北京：科學出版社，2004：87-90.

[2] 何滿潮，謝和平，彭蘇萍，等.深部開采巖體力學研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24(16)：2803-2814.

[3] 何滿潮.深部開采工程巖石力學的現狀及其展望[C]//第八次全國巖石力學與工程學術大會論文集.北京:科學出版社，2004：88-94.

[4] 何滿潮.深部的概念體系及工程評價指標[J].巖石力學與工程學報，2005，24(16)：2854-2859.

[5] Diering D.H..Mining At Ultra Depths In The 21st Century[J].CIM Bulletin，2000，93：141-145.

[6] Zhibiao Guo，Xiaojie Yang，etc.A study of support strategies in deep soft rock：The horsehead crossing roadway in Daqiang Coal Mine[J].International Journal of Mining Science and Technology，2012，22(5)：665-667.

[7] 王炯，郭志飚，蔡峰，等.深部穿層巷道非對稱變形機理及控制對策研究[J].采礦與安全工程學報，2014，31(1)：28-33.

Study on failure mechanism and control measure of deep intersecting roadway

GUO Zhi-biao1，2，ZHANG Yue-lin2，WANG Jiong1，2

(1.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，Beijing 100083，China; 2.Schoolof Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

According to the problem that the deep intersecting roadways damage seriously and are unstable under complex high-stress field，this paper investigates the engineering geological conditions and failure phenomena of the deep intersecting roadway of Xing'an coal mine in Hegang mine，summarizes the main failure reasons based on the results of numerical analysis：high stress and mutual disturbance during excavation of the intersecting roadway，then puts forward the control measures that optimize roadway layout and support as the main of the bolt rope + three-dimensional truss.It is concluded from the results of engineering application that this control measure can control roadway deformation effectively and ensure the stability of the intersecting roadway.

deep；intersecting roadway；failure mechanism；control measure

2014-10-22

TD353

A

1004-4051(2015)03-0150-04