李曉博

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400）

井工煤礦常見(jiàn)的T 型、Y 型、H 型及十字型巷道拐角處易出現(xiàn)大變形、圍巖離層破壞的現(xiàn)象，對(duì)“圍巖-支護(hù)”設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)提出可控變形、可控破壞、少維護(hù)的要求。學(xué)者分析交叉角度的變化而引起工程圍巖變形破壞規(guī)律、巷道尺寸變化對(duì)交叉段三角巖柱及頂板的安全性及不同錨桿支護(hù)方案下大跨度交叉巷的圍巖支護(hù)效果的優(yōu)化[1-6]。以交叉段雙巷為背景，討論頂板節(jié)理、交叉段雙巷與最大主應(yīng)力的夾角兩個(gè)因素對(duì)圍巖體的破壞程度及應(yīng)力變化特征。

1 概述

新元礦的交叉段雙巷位于3#煤層，聯(lián)絡(luò)巷、輔助進(jìn)風(fēng)巷平行布置，與集中運(yùn)輸巷交叉，埋深約460 m，巷道頂?shù)装逡院泄?jié)理、滑面的泥巖、砂巖為主。用應(yīng)力解除法測(cè)量地應(yīng)力，在集中運(yùn)輸巷煤體幫部中布置大孔和小孔，小孔底部安裝測(cè)量探頭，大孔深15 m，直徑130 mm，小孔深0.36 m，直徑36 mm，計(jì)算得出最大主應(yīng)力為24.35 MPa。

2 數(shù)值模擬

2.1 構(gòu)建交叉段雙巷模型

巖體模型為長(zhǎng)×寬×高=65 m×40 m×50 m，聯(lián)絡(luò)巷的斷面為寬×高=5.2 m×3.5 m，輔助進(jìn)風(fēng)巷的斷面為寬×高=5.2 m×3.5 m，集中運(yùn)輸巷的斷面為寬×高=5.6 m×3.5 m，四周及底部邊界固定，初始垂直地應(yīng)力為11.96 MPa。

劃分為7 組煤巖體，從模型頂部到底部依次為覆巖、砂巖、2 類(lèi)泥巖、1 類(lèi)泥巖、煤、2 類(lèi)泥巖和基巖，對(duì)應(yīng)厚度為7.5 m、2.5 m、6 m、0.5 m、3.5 m、1.5 m 及18.5 m，交叉段圍巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 交叉段頂?shù)装鍘r層力學(xué)參數(shù)

2.2 雙巷中間煤柱寬度

對(duì)于矩形斷面圍巖破壞深度可以借鑒圓形洞室彈塑應(yīng)力分布的規(guī)律，將矩形斷面等效成外接圓形斷面，可以計(jì)算出雙巷煤柱的寬度[7]：

式中：r為矩形外接圓半徑，3.134 m；H為巷道埋深，460 m；γ為容重，13.7 kN/m3；C為內(nèi)聚力，1.5 MPa；φ為內(nèi)摩擦角，25°。

得出煤柱理論寬度L=9 m。

3 圍巖破壞因素分析

3.1 交叉段雙巷礦壓特征

交叉段雙巷設(shè)計(jì)之初考慮到不同生產(chǎn)時(shí)期的通風(fēng)、運(yùn)輸需求，其空間跨度廣、懸頂面積大、巖體節(jié)理和最大主應(yīng)力不同的布置夾角等因素干擾圍巖的自承力。隨著集中運(yùn)輸巷、輔助進(jìn)風(fēng)巷、聯(lián)絡(luò)巷相繼開(kāi)挖，造成每條巷的原巖應(yīng)力的反復(fù)變化，削弱了巖體強(qiáng)度。

3.2 節(jié)理頂板巖體應(yīng)力變形分布

輔助進(jìn)風(fēng)巷、聯(lián)絡(luò)巷圍巖受力經(jīng)過(guò)“失衡—平衡”的循環(huán)過(guò)程，非連續(xù)性節(jié)理在不同布置夾角中演變成貫通性節(jié)理。在壓應(yīng)力及剪應(yīng)力二次分布的過(guò)程中，節(jié)理發(fā)育較多的頂板巖層表現(xiàn)出剪切滑移的動(dòng)態(tài)特征，節(jié)理頂板斷裂下沉與巖塊之間的咬合角有關(guān)，隨著加載在巖塊四周的應(yīng)力增加，巖塊底部變形顯著，直至超過(guò)接觸點(diǎn)的強(qiáng)度極限失衡逐步向深部重復(fù)上述過(guò)程。

巷道節(jié)理頂板下沉運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷了3 個(gè)階段。前期微弱形變，由于掘進(jìn)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的截割頭震動(dòng)作用迫使未開(kāi)挖的頂板巖層原生裂隙輕微擴(kuò)張，形變量忽略不計(jì)；中期中度形變，截割頭一次0.5 m 的截深完成后，頂板表現(xiàn)為下沉，主要原因是節(jié)理頂板失去正下方煤體的支承，裂隙繼續(xù)發(fā)育導(dǎo)致頂板結(jié)構(gòu)趨于分割，完整性降低；后期支護(hù)形變，從錨桿錨索打入巖體直至噴漿結(jié)束后完成的頂板沉降，此時(shí)人工支護(hù)體與破壞巖體相互受力，該階段主要是松動(dòng)圈的變形，應(yīng)力逐漸釋放。

節(jié)理頂板水平應(yīng)力變化分布曲線(xiàn)如圖1。由圖可以看出，節(jié)理頂板2 m 位置的水平受力分為左側(cè)、中間及右側(cè)并分析不同位置的應(yīng)力響應(yīng)。頂板中間受力在7.5～8.0 MPa 變化幅度較小，頂板兩端受力集中在8.5～11.0 MPa 變化幅度較大，遠(yuǎn)離幫部的巖體應(yīng)力充分釋放，變形收斂程度不足以在小范圍停止，局部巖體持續(xù)位移。數(shù)值模擬結(jié)果顯示：隨著交叉段雙巷與地層最大主應(yīng)力夾角增加，剪切和變形程度呈上升趨勢(shì)，頂板下沉變形最小為144 mm，最大為294 mm。

圖1 節(jié)理頂板水平應(yīng)力變化分布

3.3 煤柱巖體應(yīng)力變形分布

交叉段雙巷9 m 煤柱橫向的水平受力以煤柱為中心呈現(xiàn)出左右對(duì)稱(chēng)的特征，反映了煤柱不同深度的受力狀態(tài)，水平剪切作用從煤柱的淺部到深部逐漸減弱。煤柱水平應(yīng)力變化分布曲線(xiàn)如圖2。由圖看出，7 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)左段曲線(xiàn)共劃分為三個(gè)階段：水平剪切力導(dǎo)致的煤體淺部擴(kuò)張強(qiáng)化階段，擴(kuò)張受力小，煤體承載能力低；煤體中部擴(kuò)張弱化階段，擴(kuò)張受力快速增加，煤體承載能力逐步提高；到達(dá)受力頂峰后，煤體深部擴(kuò)張殘余階段，煤體擴(kuò)張受力有所減小，煤體承載能力較強(qiáng)。隨著交叉段雙巷與地層最大主應(yīng)力夾角從30°變化到90°時(shí)，煤柱中間位置水平應(yīng)力傳導(dǎo)峰值從1.7 MPa 變化到2.6 MPa，說(shuō)明夾角越大對(duì)煤柱內(nèi)部應(yīng)力集中越明顯，擴(kuò)張變形從煤柱深部推移到煤柱幫部。不同主應(yīng)力夾角下煤柱水平最大變形經(jīng)歷緩慢增長(zhǎng)期和急速增長(zhǎng)期，變形程度從87 mm 的最小值、拐點(diǎn)處95 mm，擴(kuò)大到126 mm 最大值，說(shuō)明50°以下主應(yīng)力夾角對(duì)應(yīng)煤柱的穩(wěn)定性最好。

圖2 煤柱水平應(yīng)力變化分布

3.4 雙巷掘進(jìn)對(duì)拐角煤柱應(yīng)力分布

不同主應(yīng)力夾角下拐角煤柱水平應(yīng)力變化分布曲線(xiàn)如圖3。由圖可以看出，主應(yīng)力夾角小于50°時(shí)，淺部拐角煤柱1 至4 號(hào)測(cè)點(diǎn)水平受力趨于相同，中深部拐角煤柱5 至10 號(hào)測(cè)點(diǎn)水平受力分化，說(shuō)明隨著夾角的降低，拐角煤柱越易在小范圍區(qū)域形成應(yīng)力集中；而主應(yīng)力夾角高于50°時(shí)，所有測(cè)點(diǎn)形成的曲線(xiàn)趨于重合且有向深部轉(zhuǎn)移的可能，致使幫部錨桿無(wú)法錨固在穩(wěn)定煤體中。

圖3 拐角煤柱水平應(yīng)力變化分布

3.5 雙巷掘進(jìn)圍巖剪切破壞分布

交叉段雙巷不同布置夾角剪切破壞分布區(qū)域如圖4。由圖可以看出，夾角小于40°時(shí)，冒落巖塊集中在巷道上方，沒(méi)有向兩幫擴(kuò)展，節(jié)理頂板穩(wěn)定性強(qiáng)；夾角大于50°及以上時(shí)，冒落及剪切松動(dòng)巖塊向圍巖深部發(fā)育，節(jié)理頂板穩(wěn)定性逐步降低。節(jié)理頂板剪切破壞變化特征為：當(dāng)夾角為30°時(shí)，節(jié)理頂板的剪切塑性破壞體范圍僅有4.5 m；當(dāng)夾角為90°時(shí)，節(jié)理頂板的剪切塑性破壞體最多，深度達(dá)到8.5 m。

圖4 不同布置夾角剪切破壞分布區(qū)域

集中運(yùn)輸巷掘進(jìn)初期，幫部及頂板形成局部破壞帶，后期雙巷掘進(jìn)加劇了交叉區(qū)域拐角煤柱的擾動(dòng)失衡，不同布置夾角對(duì)中部拐角煤柱破壞深度影響范圍達(dá)到4 m，拐角煤柱與頂板銜接處破壞深度影響范圍達(dá)到4～5.6 m，布置夾角越小，越有利于拐角煤柱的穩(wěn)定；掘進(jìn)后期9 m 煤柱內(nèi)部受力不均且以X 型斷裂為主，直至完全破壞。

4 圍巖控制措施

4.1 支護(hù)及排水措施

根據(jù)分析可知，交叉段工程與最大主應(yīng)力夾角在30°～40°時(shí)，圍巖完整度高易支護(hù)。聯(lián)絡(luò)巷、輔助進(jìn)風(fēng)巷和集中運(yùn)輸巷噴漿支護(hù)段各20 m 區(qū)域封閉表面巖體，噴漿由初噴60 mm 和復(fù)噴40 mm的水泥砂粒組成，圍巖表面鋪設(shè)菱形網(wǎng)，嚴(yán)格把控初噴和復(fù)噴的間隔時(shí)間，初噴結(jié)束后待表層噴漿形成堅(jiān)固保護(hù)體再進(jìn)行復(fù)噴；錨桿長(zhǎng)2.4 m 抵抗淺部節(jié)理剪切滑動(dòng)效應(yīng)；預(yù)應(yīng)力錨索長(zhǎng)8.5 m，自由段錨索緊密壓制已有的節(jié)理裂隙增加滑移面的摩擦力，錨固段錨索深入穩(wěn)定巖體約束下部巖層變形擴(kuò)張，達(dá)到分級(jí)支護(hù)的目標(biāo)。頂幫錨桿間排距0.8 m×1.1 m，鋼帶連接頂錨桿底端，頂錨索間排距1.2 m×1.1 m?，F(xiàn)有離層儀數(shù)據(jù)顯示，節(jié)理頂板中部易發(fā)生弱面分離現(xiàn)象，所以支護(hù)順序先中間后兩側(cè)。頂板及掘進(jìn)頭安裝50 mm 的柔性排水管，由水泵導(dǎo)入集中運(yùn)輸巷臨水水倉(cāng)，避免掘進(jìn)頭積水從而提高支護(hù)進(jìn)度。

4.2 支護(hù)效果評(píng)價(jià)

在交叉段雙巷輔助進(jìn)風(fēng)一側(cè)監(jiān)測(cè)45 d 內(nèi)的頂板下沉及兩幫變形程度。第40 天到第45 天變形趨于穩(wěn)定，頂板下沉了90 mm，兩幫變形65 mm，支護(hù)措施控制效果良好。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）交叉段雙巷作為井下必不可少的結(jié)構(gòu)之一，應(yīng)用塑性極限破壞公式計(jì)算雙巷煤柱的寬度為9 m，為數(shù)值模型提供參考依據(jù)。

（2）隨著最大主應(yīng)力夾角的增加，交叉段雙巷頂板圍巖節(jié)理受力疊加下沉進(jìn)而加劇煤柱強(qiáng)度的降低，是造成工程區(qū)域圍巖穩(wěn)定性差的主要原因。

（3）FLAC3D分析了不同夾角下頂板節(jié)理，中間煤柱和拐角煤的受力變形特征，將工程與最大主應(yīng)力的方向調(diào)整至30°～40°，配合主動(dòng)支護(hù)能夠有效預(yù)防頂板深部離層及幫部變形。