应力复杂区巷道断面折线形和曲线形实践分析

摘 要：通过对城山煤矿西二3#回风巷不同巷道断面形状的选择及矿压观测，总结了应力复杂区域巷道的变形特点，并针对性地提出应力分布及卸压相关建议。

关键词：应力；矩形；拱形；应力分布；卸压钻；巷道观测

一、概述

由城山煤矿掘进二段609队2015年10月施工的西二3#左二面回风巷，巷道设计工程量255m，巷道方位N-353°，沿煤，施工方式：炮掘。地面标高+180，拉门口标高-650，该施工工作面西部为3B#层绞车道，南部3B#左一面下巷，东部為采空区，上部为大倾角皮带道及24#、25#、36#、42#已开采煤层。拉门子施工时，顶板及两帮支护良好，使用顶板离层仪观测无明显离层下沉，使用KBD5电磁辐射仪测量应力在临界值内，当施工至40米时，左帮内移量增大，顶板状况无明显下沉，当施工至70米时，左右帮难以维护，顶板下沉明显，顶板离层仪观测下沉量达400mm，此时使用KBD5电磁辐射仪测量应力达22 mV，超过15 mV临界值。从拉门口两帮开始向工作面施工卸压钻，并补强帮顶支护，工作面前进方向施工三个卸压钻，工作面断面形状改施工拱形。使用顶板离层仪及KBD5电磁辐射仪监测，巷道顶板及两帮得到了改善，应力得到了较好的卸压转移。

1.局部工程平面图

2.区内地层产状：

该施工区域煤层走向近似东西走向，由北向南倾斜，该施工工程区域范围地质构造清晰，无断层及其它地质构造存在。

3.煤层顶底板岩性：

该区3B#煤层冒落顶板为灰白色细砂岩及砂页岩厚度4.0米左右，岩层坚固硬度 f=6.3底板为砂页岩，厚度在3.5米左右，岩层坚固硬度 f=3.6 ，岩石抗压强度小于30Mpa，岩石软化系数小于0.6，节理裂隙不发育。

4.其他：

该巷道左右两侧均为采空区，与西侧3#右一面采空区距离为150米，与东侧3#左一面采空区距离为75米。巷道上方为西二3#大倾角皮带道，法向距离15米，巷道布置于煤柱中。

二、原设计方案

原巷道断面：3.4m宽x2.5m高（矩形）（如图）

断面图（原断面）

1、锚杆间排距的计算（煤矿作业规程技术手册）

式中：

B—— ；

Q——锚杆锚固力，MN；（取220MN）

K——安全系数，一般取1.5-2；（取2）

H——锚杆有效长度，不小于不稳定岩层的厚度，m；（取24.5）

r——不稳定岩层平均容重，MN/m3。（取24.5）

计算得：B=1.49m

2、锚索间排距的计算（煤矿作业规程技术手册）

式中：

B——锚索间排距，m；

Z——锚索锚入自然平衡拱范围之外的额外深度。取0.91

a——巷道的半跨度，m；

b——顶板岩层的破坏深度，m。

计算得：B=2.8m

顶板支护参数：锚杆+W钢带+锚索联合支护

螺纹钢锚杆 φ20mm x 2000m

锚杆托盘 120mmx120mmx10mm

锚杆间排距 1000mm x 1000mm

锚索 φ17.8mmx5200mm

锚索间排距 1000mm x2000mm

钢带 4200mmx280mmx5mm（五眼眼距1000mm）

原设计现场情况：使用KPD5电磁辐射仪测量应力为20-25mV（临界值为15mV），顶板破碎变形，多数φ17.8mm锚索拉断（破断力值为353KN）。

三、新设计方案

新方案巷道断面：3.6m宽x3.2m高（半圆拱形）（如图）

断面图（现断面）

1、锚杆间排距的计算 （煤矿作业规程技术手册）

式中：

B—— ；

Q——锚杆锚固力，MN；（取220MN）

K——安全系数，一般取1.5-2；（取2）

H——锚杆有效长度，不小于不稳定岩层的厚度，m；（取24.5）

r——不稳定岩层平均容重，MN/m3。（取24.5）

计算得：B=1.49m

2、锚索间排距的计算

式中：

B——锚索间排距，m；

Z——锚索锚入自然平衡拱范围之外的额外深度。取0.91

a——巷道的半跨度，m；

b——顶板岩层的破坏深度，m。

计算得：B=2.6m

顶板支护参数：锚杆+W钢带+锚索联合支护

螺纹钢锚杆 φ20mm x 2000m

锚杆托盘 120mmx120mmx10mm

锚杆间排距 1000mm x 1000mm

锚索 φ17.8mmx5200mm

锚索间排距 1000mm x2000mm

钢带 4200mmx280mmx5mm

（五眼眼距1000mm）

应力转移解决方案：工作面前方施工3个卸压孔，孔深50米，孔径φ75mm；两帮采用施工卸压孔，每5米两帮各施工一个10米长卸压孔，孔径φ75mm。

应力转移效果：使用KPD5电磁辐射仪测量应力为7-11mV（临界值为15mV），两帮施工卸压钻，能较好的分散应力集中区，联合拱形断面优点，很好的维护住顶板，较好的减缓顶板下沉和两帮内移，达到了预期的设计要求。

四、总结：

1、将原矩形断面改为拱形断面，很好的形成组合拱，支承能力相应增大，围岩强度得到提高。

2、巷道开挖前，深部岩体处于三向应力状态，具有较高的强度。但是在巷道开挖后，水平应力解除后，巷道周围围岩径向应力变为零，变为二向应力，强度明显下降。且由于开挖巷道，破坏了原有承载结构，导致巷道围边围岩出现应力集中，围岩受力变形。当集中应力超过围岩强度时，巷道周边围岩遭到破坏，其承载力降低，应力向深部转移，应力集中程度随之减弱，又由于破碎岩体的影响，所以深部围岩的径向应力从开始处逐步增加，深部围岩处于三向应力状态，岩石具有较高强度，抵御破坏强度增强。于是在高应力区形成自承载结构，承受掘巷引起的集中应力。同时，在它的支撑和保护下，又使卸压区内的岩体得以保持稳定。另一方面，结构和完整性并未遭到完全破坏的卸压区内的围岩，仍然存在一定的残余强度，并向岩体自乘结构提供侧向约束力，增加岩体自乘结构的强度和稳定性，从而使围岩的稳定性得到显著提高。工作面前进方向和两帮施工的卸压孔，将高应力集中区的应力转移向深部，降低巷道周围应力，使拱形巷道断面的支护效果发挥最大化。

作者简介：

侯凯（1976—），男，黑龙江省人，高级工程师，现鸡西矿业集团公司城山煤矿从事生产技术管理工作。endprint