空間近距離交錯巷道圍巖應力分布及控制技術研究

李 寧，李 昂，馬芳進

（臨縣錦源煤礦有限公司，山西 臨縣 033200）

0 引 言

巷道的穩定性一直是煤礦井下開采的一個重要課題。煤礦生產系統龐大繁雜，井下巷道錯綜，巷道交叉在所難免。巷道的初次開挖會造成原有圍巖應力平衡的破壞，造成應力的重新分配，而巷道的相互交叉又會再次對原本也就是有巷道的圍巖產生擾動，使得原本平衡后也就是有巷道的圍巖應力再次發生應力分配，從而導致靠近巷道交叉段的圍巖應力更加復雜，加劇了圍巖的變形。因此，在巷道交會處，為了保證巷道的正常運轉，往往需要加大支護力度。巷道穩定性分析和支護的重點和難點一直是巷道交叉段的圍巖穩定性控制難度較大。

而此前較多研究主要針對平面交叉巷道，隨著礦井生產周期的延長及含煤地系的賦存變化，井下巷道布置無可避免存在空間交錯情況，進而造成初次開挖巷道圍巖應力平衡狀態因交錯巷道掘進擾動發生變化，引起圍巖應力再分配，加劇巷道圍巖變形程度。山西臨縣錦源煤礦建設期間為滿足礦井存蓄水要求，在礦井東南部設計施工一處中央內環水倉，內水倉施工中需下穿一采區輔助運輸巷，且距上伏巷道底板巖柱高度僅為5.6 m。以此為背景，通過理論+數值模擬方式分析圍巖應力變化特點，開展交錯巷道支護方式優化，對于現場安全施工及類似條件圍巖控制具有十分重要的研究意義。

1 基本概況

中央內環水倉位于臨縣錦源井田的東南部，對應地面主要有湫水河、南圪垛村，地面標高為+708.8～+730.4 m。內環水倉設計沿+302 m 水平輔助運輸巷底板掘進，自+302 水平輔助運輸巷施工至內外水倉交叉點后，經2 次轉彎后變小斷面至施工結束，設計全長243 m，斷面凈尺寸4.0×3.0 m。工作面采用鉆孔爆破法掘進，側卸式裝巖機裝渣出矸。巷道至第一次轉彎把正掘進57 m 后開始下穿一采區輔助運輸巷，巷道斷面5.5 m×5.25 m，采用錨網噴+錨索支護方式，兩者巖柱高度為5.6 m，空間位置關系見圖1。內水倉施工層位位于太原組L5、L4 灰色石灰巖層內，以深灰色砂質泥巖及黑灰色泥巖為主，節理裂隙發育，巖芯破碎。該巷道掘進主要受薄層灰巖含水層水影響，L5 灰巖厚度為1.56～9.51 m，平均厚度為4.7 m，L5、L4 灰巖含水層賦存裂隙（巖溶裂隙不發育）承壓水受構造條件的限制，含水層富水性不均一，鉆孔單位涌水量為0.007～0.013 L/s.m，屬弱富水含水層。圍巖巖性及物理力學特征見表1。

圖1 內水倉交錯巷道位置關系平、剖面圖

表1 巖石力學性質表

2 交錯巷道應力分布特點

巷道開挖后，原巖應力場因工程擾動發生應力重新分布，造成巷道圍巖處于集中應力狀態發生變形破壞，待應力形成二次平衡狀態后巷道變形趨于穩定。受下位巷道掘進影響，上位巷道圍巖形成的二次應力平衡狀態再次破壞，勢必造成上位巷道圍巖產生新的變形趨態。巷道開挖形成后，開挖空洞作為自由面，使周邊圍巖應力釋放并將三軸應力狀態降維成單軸或雙軸應力狀態，最大應力點向巷道圍巖深部遷移并形成高應力集中區。而對于空間近距離交錯巷道而言，由于上部巷道在開挖一段時間后應力狀態已形成平衡，在下部巷道開挖擾動后，其平衡應力重新分布，并與下部巷道開挖擾動應力場相互疊加，從而造成圍巖應力普遍增大，如圖2 所示，巷道圍巖受應力反復加載屈服破壞，造成巷道圍巖穩定性變差。

圖2 空間近距離交錯巷道圍巖應力分布圖

對于空間近距離交錯巷道，空間交錯垂距、角度及圍巖強度等因素是影響交錯點附近應力大小和范圍的主要原因，一般認為，隨著交錯垂距的增大、交錯角度的增大，應力呈現下降趨勢，而在相同擾動條件下，圍巖單軸抗壓強度越大，交錯地段所受的擾動影響越小。

為進一步掌握交錯巷道圍巖變形機制，通過FLAC3D數值模擬空間交錯巷道結構模型，該模型主要以一采區輔助運輸巷和中央內環水倉巷道為研究對象，對內環水倉巷道施工期間一采區輔助運輸巷的穩定性進行模擬分析。具體為內環水倉巷道每推進1 m，模擬分析一采區輔助運輸巷的應力分布和圍巖位移變化情況，為后續巷道支護及巖柱加固提供參考。通過對實際模擬情況進行分析，得出其應力狀態分布及變形特點如圖3 及圖4 所示。

圖3 水平應力分布特點

圖4 垂直應力分布特點

從圖中可以看出：

1）下伏巷道掘進期間，相較于水平應力，垂直應力對上伏巷道產生的應力作用更明顯。而在穿越上伏巷道后，下伏巷道所受垂直應力減小，上伏巷道也處于應力降低區。

2）受下位巷道掘進影響，上位巷道底板應力發生釋放造成該處圍巖出現變形破碎，同時在下位巷道底板形成高應力集中區，誘發巷道底鼓；而上位巷道頂板及兩幫也因應力卸載發生拉伸破壞，下位巷道兩幫發生對稱性剪切破壞特點。通過模擬可知，為保證上位巷道圍巖穩定，關鍵是保證下位巷道掘進頂板支護強度，確保巖柱穩定，因此需增強下位巷道掘進支護強度。

3 圍巖控制支護方式

由自穩隱形拱和拱形效果應知：不管巷道圍巖如何軟碎，只要它還是連續介質，即使巷道圍巖有冒頂、片幫的現象，這種片幫、冒頂現象也不會是無窮大的，最終必然會達到相對平衡的狀態，因此，在巷道圍巖中，不存在冒頂、冒頂的現象。同樣也就是說，在巷道圍巖平衡自穩的過程中，巷道圍巖存在冒頂、片幫的危險是有可能的，所以支護結構的作用不是也抗不住原來的地應力，它的作用是使圍巖的自穩能力和自穩結構得到最大限度的利用，并在自穩過程中對可能出現片幫、冒頂的巖層進行支撐，以確保煤礦的安全生產。

內水倉原支護方式采用雙層錨網索+ 錨噴支護，錨桿φ22 mm×2 400 mm，桿體屈服強度≥335 MPa、抗拉強度≥380 MPa，錨固力不小于80 kN，預緊力200 kN，矩形布置，間排距800 mm×800 mm。錨索型號φ17.8 mm×5 300 mm，三排布置，錨索間排距1 200 mm×2 400 mm。噴射混凝土強度等級為C25，噴厚100 mm。斷面支護形式見圖5。結合自穩隱形拱和拱效應理論，為保證下穿一采區輔助運輸巷時巖柱的穩定性和圍巖強度，優化進入下穿影響段巷道支護方式為錨網索+U 型棚+ 噴漿支護，U 型棚間距800 mm，同時縮小錨索間排距為1 200 mm×1 600 mm 優化后的支護形式見圖6。

圖5 原巷道支護方式

此外，針對上下位巷道巖柱高度較小，圍巖強度整體偏弱等情況，可采取注漿加固方式強化巖柱結構強度。注漿加固是指在破碎圍巖裂隙中按一定配比注入可快速固化、滲透性強、漿液順巖體內部裂隙擴散、凝固、硬化，使松散破碎的圍巖在漿液粘結作用下粘合成一個穩定的整體，從而提高注漿泵等設備或其他手段對圍巖物理力學參數性能的一種物理或化學方法。并加強了結構強度，使之達到了有的放矢的作用。

選擇注漿材料的原則：注漿材料的性能決定注漿效果，保證巷道加固工程成功的基礎是合理選擇注漿材料。注漿材料的選擇應考慮以下因素：

1）包括圍巖裂隙發育程度、裂隙開度、維修加固巷道圍巖破壞范圍和深度等在內的巷道圍巖結構面分布狀況和圍巖變形破壞情況。

2）對固結體抗變形能力的要求，以及注漿施工后的整體性。對常設工程，如井筒，探路，預備巷道等，注漿后抗變形能力要足；相對服務期較短的采區巷道和回采工作面，應以保持圍巖整體性為主。

對上下行巷道巖柱注漿加固工程施工前，要在此基礎上，全面了解上下行巷道的工程特點、巖體類型及參數、圍巖賦存結構、注漿材料的合理確定、配比等施工參數及施工工藝等圍巖地質及施工條件，其中注漿加固的主要參數為：不同的參數組合會對注漿加固效果造成不同程度的影響，甚至會破壞巖柱強度，如注漿壓力、注漿量、漿液擴散半徑、注漿孔布設方式和注漿時間控制等。

1）注漿壓力：注漿壓力的大小主要取決于巖柱自身的裂隙發育狀況，需要滲透的可滲透性，需要滲透的范圍，滲透性質的漿液等。以本文中的巖柱結構特點來看，在使用水泥漿液加固時，圍巖強度較低，破碎嚴重時，注漿壓力控制在0.5MPa 左右，如果巖柱結構比較完整，裂隙發育小時，則控制在1~2 MPa。如果圍巖強度較低，其抗壓強度的1/3 范圍內應控制注漿壓力。

2）注漿量：巖柱注漿量的控制主要與圍巖的吸漿量有關，也與注漿壓力有關，更與注漿時間的長短也有很大的關系。圍巖吸漿量因巖性不同，裂隙發育狀況不同，松動圈范圍不同而有較大差異。為確保注漿能填滿巖柱內的裂隙，原則上應注滿，直至不出漿。

3）注漿孔布設方式：注漿孔布設參數主要是指注漿鉆孔之間的排距和進深，注漿鉆孔的排距和進深是指注漿鉆孔的排距。選擇注漿孔間的排距與擴散半徑有很大的關系。注漿孔的孔距應使2 個噴漿孔的擴散范圍有一定的交叉，應取0.65～0.75 左右的系數，小于2 倍的擴散半徑。圍巖裂隙發育、破碎區邊緣應達到注漿深度。深部圍巖裂隙未發育，漿液不易滲入，所以鉆得太深不會起到太大的效果。

4）漿液擴散半徑：是以(鉆孔密度、深度等)為重要依據，確定注漿鉆孔布局參數。巖體內漿液的擴散路線主要沿裂隙推進，因此是不規則的，隨著巖體滲透參數、裂隙發育、注漿壓力和注漿時長的增加而增加，同時由于漿液濃度和配比等因素呈現出相反的效果，因此漿液的擴散半徑具有較多的不確定性，目前主要以類似地質條件下的經驗來確定漿液的擴散半徑，由于巖體滲透參數的增加、裂隙發育由于巖體的滲透參數以及注漿壓力、注漿量、濃度等參數對漿液擴散范圍的大小進行了調整。

5）注漿時間控制：注漿時間多根據現場注漿效果而定，時間過長，甚至造成巖柱內裂隙裂開擴大，削弱巖體自身強度，會造成漿液溢出擴散；太短的時間，注漿就不行了。因此，根據現場情況，對裂隙未發育的圍巖，吸漿速度較慢，漿液難以擴散，應適當延長注漿時間，同時提高注漿壓力，以提高注漿效果。

現場采用十字觀測法進行內水倉下穿巷道段圍巖變形觀測，其變形結果如圖7 所示。從圖中可以看出，巷道頂底板變形量和兩幫收斂量變化趨勢基本一致，均表現出先快速增大，后趨于穩定的特征，主要原因是受巷道掘進擾動影響。穩定后頂底板相對移近量最大變形量為45 mm，兩幫相對移近量最大變形值為26 mm，均能保證有效的巷道斷面利用率，表明優化后的支護方式能夠有效保證交錯巷道中間巖柱及圍巖的穩定，促進其形成整體承載結構。

圖7 巷道圍巖變形趨勢

4 結 論

本文以錦源煤礦內水倉下穿一采區輔助運輸巷為工程背景，通過理論+數值模擬、現場觀測等方法，研究了近距離空間交錯巷道圍巖控制及支護技術，得出以下結論：

1）通過數值模擬分析，得出上位巷道受下位掘進影響造成巖柱出現拉剪變形破壞，同時在下位巷道底板形成高應力集中區，誘發巷道底鼓；而上位巷道頂板及兩幫也因應力卸載發生拉伸破壞，下位巷道兩幫發生對稱性剪切破壞特點。

2）空間近距離交錯巷道中間巖柱的變形特征是決定交錯巷道穩定性的重要因素，因此保證交叉巷道中間巖柱的圍巖穩定性是交叉巷道支護過程中的關鍵點。提出了錨網索+U 型棚+噴漿+注漿加固的支護方式，以控制下位巷道圍巖變形，形成對上位巷道保護作用，現場圍巖觀測穩定后頂底板相對移近量最大變形量為45 mm，兩幫相對移近量最大變形值為26 mm，表明了優化后的支護方式能夠有效保證近距離交錯巷道圍巖的穩定。