軟硬互層巖體三岔口聯合支護技術研究

王藝超，呂高磊，李廷春，賈東秀，趙 軍，崔浩楠

（1.山東科技大學 山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東 青島 266590；2.山東省邱集煤礦有限公司，山東 德州 251102）

礦井巷道是連接井下各項機構的樞紐，為能夠對井下資源進行高效整合，減少掘進工作量，常采用多條巷道相交的形式提高利用率，其中2 條巷道交匯的部位稱為三岔口[1]。三岔口頂板跨度較大，同時圍巖應力會隨巷道的多次掘進而重分布，極易引起應力集中，需重點加強支護。近年來，眾多專家學者針對三岔口應力分布情況和支護方式展開了大量的研究工作。趙維生等[2-3]通過VB 編程二次處理數值模擬結果，引入點安全系數法，總結了交岔點圍巖變形量隨空間位置的變化規律；曹日紅等[4-5]通過單元安全計算方法分析評價巷道交岔點穩定性，并依據安全系數對巷道進行支護；時松等[6]利用ANSYS 對不同角度相交巷道圍巖受力規律進行了模擬；謝生榮等[7]通過對錨固前后圍巖加固特性的研究，提出了以高強度空心錨桿和高伸長錨桿為主的錨固-注漿一體化控制技術；趙長紅等[8]為解決復雜膨脹圍巖條件下交岔點支護問題，提出了“有限讓壓柔性支護+全斷面封閉抗壓剛性支護”的支護方式。上述研究成果為解決三岔口支護難題提供了豐富的理論基礎。但由于三岔口區域地質賦存條件各異，尚無法用統一的方法解決全部問題。因此，需因地制宜展開研究，設計相應的支護體系。邱集煤礦11 煤頂板為“硬-軟-硬”的互層巖體，層狀頂板之間巖性差異較大，不同層位頂板易發生分離，整體性較差[9]，但灰巖等硬性巖層強度大，具有一定的自承能力[10]。針對三岔口等應力分布復雜區域，應在防止支護不足的同時避免支護過度，支護設計過程更應著重協調好不同性質巖層間的承載關系。為此，基于三岔口應力分布及破壞規律，結合互層巖體特征，提出了聯合支護方案，并計算了各項關鍵性參數；最終通過數值模擬和現場試驗予以驗證，期望對同類地質條件下三岔口巷道支護提供經驗借鑒。

1 工程概況

邱集煤礦位于山東省齊河縣境內，現階段主要開采煤層是11 煤，位于-430 m 水平，煤層平均厚1.99 m，質地較硬。頂板巖層為“灰巖-泥巖-灰巖”的軟硬互層形式，巷道上方依次為平均厚度2.01 m 的直接頂灰巖（下稱五灰）、平均厚度1.14 m 的泥巖以及平均厚度5.56 m 的基本頂灰巖（下稱四灰）。其中2 層灰巖頂板質地堅硬，經現場巖心取樣，通過實驗室單軸抗壓試驗可知四灰的平均抗壓強度為81.35 MPa，五灰平均抗壓強度為95.42 MPa。

1113 三岔口自采區泄水回風巷X13 點前16 m按照方位角185°沿五灰開口施工。三岔口主巷為輔助泄水巷，支巷為1113 工作面運輸巷，兩巷道高度均為2.8 m。其中，主巷寬4 m，支巷寬4.8 m。2 條巷道所夾銳角為60°。交岔斷面均為矩形，結構形式為穿尖型交岔點，斷面頂部平齊形成1 條直線，其中井下巷道分布及地層綜合直方圖如圖1。

圖1 1113 三岔口地層綜合直方圖Fig.1 Comprehensive histogram of 1113 intersection stratum

2 三岔口圍巖穩定性

2.1 圍巖應力分布規律

巷道三岔口為階段性成型，開挖前，圍巖維持彈性的三向平衡狀態，主巷掘進后，周邊巖層發生擾動，圍巖應力在小范圍內形成新的平衡。隨后支巷開挖，圍巖應力重新分布并再次平衡，該過程中2 段相交巷道形成的頂板卸壓區貫通擴散，易導致頂板下沉或底鼓嚴重。同時2 支承壓區產生疊加，尤其在三岔口煤幫三角區內，應力集中程度更大。該位置處集中應力的近似解σt可根據式（1）進行分析[11]：

式中：λ 為側壓力系數；A、B 為極坐標代換參數，A=ρsinθ，B=ρsin（α-θ）；ρ 為極徑；θ 為極角；α 兩巷夾角，（°）；p 為初始地應力，MPa；γ1為塑性區至巷道中心最小距離。

由式（1）可知，三角區最外側巖體應力集中程度最高。高集中力作用下表面圍巖首先達到塑性屈服狀態，并發生壓剪破壞，在淺表圍巖處形成卸壓區。導致煤幫巖體支撐能力降低，有效支撐區向圍巖深部轉移，至三角區中心地帶達到平衡。三岔口的力學分析模型及應力集中系數分布規律如圖2。

圖2 三岔口三角區應力集中系數分布圖Fig.2 Distribution diagram of stress concentration factor in three-fork area of intersection

沿OO′方向，圍巖應力集中系數先升后降，直至恢復到原巖應力狀態。其中當應力集中系數小于1時，巷道圍巖處于塑性破壞狀態，當圍巖應力集中系數介于1～5.5 之間時，巷道處于彈性階段[12]，POQ 所圍范圍屬于相交兩巷應力疊加區域。

2.2 圍巖變形破壞分析

三岔口破壞特征示意圖如圖3。三岔口圍巖受集中應力作用的影響，由彈性狀態向塑性狀態轉變，根據破壞程度不同，劃分為彈性區和塑性區，而淺表面靠近巷道位置處的巖體會進一步破壞，形成破碎區。

圖3 三岔口破壞特征示意圖Fig.3 Schematic diagram of three-fork failure characteristics

圖3 中：W1、W2為三岔口破壞影響區，W3～W6為單一巷道掘進引起的破壞范圍。由于W1＞W2＞（W3、W4、W5、W6），因此斜T 型三岔口，巷道的最大破壞范圍出現在銳角三角區位置處[13]，而該位置處的最大破壞范圍可根據式（2）進行計算[14]：

式中：ra、rb分別為交岔巷道的半跨度，主巷和支巷分別為2.4 m 和2 m；ρr為覆巖的平均密度，2.577 t/m3；c 為覆巖的黏聚力，10.9 MPa；H 為巷道埋深，430 m；φ 為內摩擦角，35°。

經計算，煤幫三角區的最大破壞深度為2.77 m。

3 軟硬互層頂板聯合支護研究

3.1 聯合支護機理

巷道三岔口附近，受力情況復雜，且頂板為軟硬互層巖體，單一支護方式無法達到良好的效果。因此需在對巷道頂板巖性分析的基礎上，結合多種控制理論對三岔口圍巖支護展開分析[15-19]。軟硬互層巖體聯合支護技術路線及支護機理示意圖如圖4 和圖5。

圖4 聯合支護技術路線圖Fig.4 Road diagram of combined support technology

圖5 聯合支護機理示意圖Fig.5 Schematic diagram of combined support mechanism

邱集煤礦1113 三岔口的直接頂為硬性灰巖頂板。受相交巷道多次掘進的擾動，頂板圍巖聯系持續減弱，在巷道周圍形成松動圈，自承載能力降低。若不加強支護，破壞范圍將向圍巖深部擴展。因此基于圍巖強度強化理論，對錨桿施加強預緊力，在圍巖內部產生擴散力場，使錨桿與一定范圍內的巖體共同形成新承載體。通過多組錨桿緊密排列，使預應力場發生疊加，將破碎巖體緊密擠壓在一起，大幅提升掘進后五灰的強度。而五灰上方的軟弱泥巖，穩定性較差。在巷道三岔口等跨度較大位置處，受掘進作業影響，上覆荷載直接作用于五灰。因此應基于懸吊理論，將錨索錨固至穩定的四灰巖層內，配合U 型鋼錨索梁形成桁架結構，懸吊五灰及泥巖，增強巷道的穩定性。

基于厚錨固板理論，在錨桿軸向力壓縮下，兩幫內也會形成承載體，起到固體力學中厚板的作用。由于巷道“頂-幫”為相互作用的整體，頂板的彎曲下沉會引起兩幫受集中力程度增大，導致幫部巖體發生失穩破壞，進而削弱承載能力，增大頂板下沉量。尤其靠近三岔口中心，2 條相交巷道彼此影響，“頂-幫”聯動承載效應更加明顯。針對三岔口附近復雜的圍巖結構關系，基于整體支護理論，將巷道頂板及兩幫邊緣處的錨桿傾斜20°[20]，使側幫承載體與頂板承載體產生重疊區，促使頂板和幫部的各項支護體協同工作。

3.2 關鍵性控制參數

3.2.1 錨桿參數

頂板應力集度q：

式中：Σh 為軟弱泥巖的厚度，取1.14 m；B、h 為巷道最大跨度和高度，分別取4.8、2.8 m；κ 為兩幫的支撐削弱系數，取0.25；f 為五灰普氏系數，取9.5；ρ1為頂板平均密度，2.577 t/m3。

經計算，q=36.43 kN/m2。

頂板形成承載體需保證緊固力大于成拱巖重，錨桿間排距a 應滿足以下條件：

式中：Fn為錨桿設計錨固力，80 kN；K 為安全系數，取2。

經計算，間排距a 不大于1.05 m。

錨桿的整體長度ld可按照式（5）進行計算：

式中：l1為錨桿外露及托盤長度，取0.1 m；l3為MSCK2570 錨固劑錨固長度，取0.7 m。

經計算，ρd=1.35 m≤W1≤2.8 m。

為保證支護的連續性，三岔口附近頂板和幫部錨桿各項支護參數應保持統一，錨桿長度應在滿足成拱機理的同時不小于三角區最大破壞范圍，因此選擇長度為2.8 m 錨桿。

3.2.2 錨索參數

錨索長度L 計算過程如下：

式中：n 為使用錨固劑數量，2 根；l 為MSCK2570單根錨固劑長度，0.7 m/根；L1為錨索懸吊體總長度，取3.15 m（五灰+泥巖）；L2為托盤及錨具長度，取0.1 m；L3為外露張拉長度，取0.3 m。

經計算，三角區補強錨索長度不小于4.95 m，選擇5 m 長度的錨索。

3.3 支護方案

根據上述計算，結合實際工程條件，擬采用支護方案如圖6。

圖6 巷道支護示意圖Fig.6 Schematic diagram of combined support mechanism

1）頂板支護。頂板使用φ20 mm×2 800 mm 的右旋螺紋肋樹脂錨桿，間排距為900 mm×900 mm，使用MSCK2570 錨固劑，錨固長度700 mm，設計錨固力為80 kN，錨桿預緊力距不小于200 N·m，頂板中部錨桿垂直巷道安裝，頂角錨桿向巷道兩幫偏斜，與豎直方向夾角為20°；頂板錨桿配合8#冷拔絲編織的菱形鋼筋網使用，長×寬=2 300 mm×1 000 mm，搭接長度70 mm；錨索選用規格為φ21.6 mm×5 000 mm 的高強度預緊力鋼鉸線，預緊力120 kN，主巷錨索間排距為900 mm×1 800 mm，支巷錨索間排距為1 800 mm×1 800 mm，為防止漏頂，支巷錨索呈交叉排列；錨索支護需配合錨索梁完成，錨索梁選用U29 型U 型鋼，長度為2 000 mm。

2）幫部支護。幫部使用φ20 mm×2 800 mm 的右旋螺紋肋樹脂錨桿，間排距為900 mm×900 mm，錨固長度700 mm，設計錨固力不小于80 kN/根，錨桿預緊力距不小于200 N·m，兩幫中部錨桿垂直巷道安裝，頂角與底角錨桿分別向巷道頂板與底板偏斜，與水平方向夾角為20°。

4 三岔口數值模擬分析

4.1 數值模擬模型

數值計算模型如圖7。模型尺寸為50 m×45 m×50 m（長×寬×高）的工程計算模型。模型下表面節點限制所有方向的位移，側表面節點限制水平方向全部位移，上表面施加垂直向下的應力10.92 MPa。模型劃分121 500 個單元，129 030 個節點。斜交巷道角度為60°。本構模型選擇Mohr-Coulomb 模型，圍巖力學參數見表1。

圖7 數值計算模型Fig.7 Schematic diagram of numerical model

表1 圍巖力學參數Table 1 Mechanical parameters of surrounding rock

4.2 預測分析

通過FLAC3D數值模擬軟件對三岔口掘進后圍巖狀態進行數值分析，三岔口最大主應力云圖、塑性區分布云圖及頂板垂直位移云圖如圖8～圖10。

圖10 頂板位移云圖Fig.10 Diagrams of roof displacement

1）圍巖應力分布規律分析。根據圖8 分析可知：受三岔口巷道掘進影響，圍巖原三向受力平衡狀態被打破，頂板力學聯系減弱，應力釋放；靠近三岔口中心，頂板跨度增大，應力降低程度明顯，并在兩巷相交中心位置處形成明顯的三角形低應力區，最大主應力低值為4.97 MPa；應力疊加區主要出現在兩巷相交的側幫三角區內，其中銳角三角區更為明顯，最大主應力高值10.74 MPa；巷道應力集中程度沿OO′線呈先升高后降低的趨勢，直至恢復原巖應力狀態。

圖8 最大主應力云圖Fig.8 Diagram of maximum principal stress

2）圍巖塑性區范圍分析。由圖9 塑性區分布云圖可知，受巷道三岔口的影響，主巷與支巷塑性區隨圍巖應力分布均出現一定程度的偏移，處于高應力集中狀態下的圍巖塑性區范圍較大；其中頂板最大塑性區出現在巷道三岔口中心位置處，為1.84 m；側幫最大塑性區出現在煤幫銳角三角區內，最大塑性區范圍為2.24 m；兩者均小于頂板錨桿（索）和幫部錨桿的長度，表明頂板和幫部支護可有效覆蓋圍巖塑性區。

圖9 塑性區云圖Fig.9 Diagrams of plastic zone

3）圍巖垂直位移分析。由圖10 圍巖豎向位移變化情況可知：兩巷頂板下沉量受巷道三岔口影響明顯；臨近三岔口中心，頂板跨度增大，頂板下沉量和底鼓量均有明顯的上升；其中在兩巷三岔口中心位置處圍巖變形最大，達到平衡狀態后頂板總下沉量為16.82 mm，底板總底鼓量為5.35 mm，圍巖變形控制效果良好，支護方式及參數選取合理。

5 支護效果觀測

為檢驗現場效果，在距三岔口中心5 m 位置處共布置3 處十字測點，監測從施工完成至圍巖穩定期間頂底板及兩幫變形情況；在三岔口中心布置1處頂板離層測點，淺基點和深基點深度分別為2.5 m 和3.5 m，用于監測互層巖體分界處離層情況。圍巖變形監測數據及數值模擬曲線如圖11。

由圖11 可知：由于主巷已開挖完成并處于平衡穩定狀態，因此1#和2#測點主要受支巷掘進產生的擾動而發生變形，至穩定期圍巖最大變形量相對較小，頂底板移近量分別為7 mm 和5 mm，兩幫移近量分別為3 mm 和2 mm；位于支巷的3#測點變形量最大，頂底板最大變形量為12 mm，兩幫最大移近量為6 mm，與Ⅳ斷面數值模擬規律相吻合；且在整個監測周期內，離層測點深基點和淺基點均無明顯變化，說明該套聯合支護方案可有效控制頂板變形和離層。

圖11 圍巖變形監測數據與數值模擬結果Fig.11 Monitoring data and numerical simulation results of surrounding rock deformation

6 結 語

1）通過圍巖受力分析，得到三岔口銳角三角區內圍巖應力分布及變形破壞規律，計算最大破壞深度為2.77 m。

2）基于軟硬互層頂板承載特性，提出聯合支護方案。通過對錨桿施加強預緊力，在頂板及兩幫內形成承載體，強化圍巖強度；將頂板、幫部邊緣處錨桿偏斜一定角度，使“頂-幫”協同承載；使用錨索配合錨索梁形成桁架結構，對五灰及軟弱泥巖層進行懸吊，增強巷道穩定性。

3）利用FLAC3D進行數值模擬，三角區最大集中應力為10.74 MPa，最大頂板下沉量為16.82 mm，說明該支護方式可有效控制圍巖變形，維持三岔口巷道穩定性。

4）現場監測結果表明，從巷道掘進完成至穩定期間，頂板未發生明顯離層，距巷道中心點5 m 位置處圍巖最大沉降量為12 mm，變形規律與模擬結果一致，圍巖控制效果良好。