空间近距离交错巷道围岩应力分布及控制技术研究

李 宁，李 昂，马芳进

（临县锦源煤矿有限公司，山西 临县 033200）

0 引 言

巷道的稳定性一直是煤矿井下开采的一个重要课题。煤矿生产系统庞大繁杂，井下巷道错综，巷道交叉在所难免。巷道的初次开挖会造成原有围岩应力平衡的破坏，造成应力的重新分配，而巷道的相互交叉又会再次对原本也就是有巷道的围岩产生扰动，使得原本平衡后也就是有巷道的围岩应力再次发生应力分配，从而导致靠近巷道交叉段的围岩应力更加复杂，加剧了围岩的变形。因此，在巷道交会处，为了保证巷道的正常运转，往往需要加大支护力度。巷道稳定性分析和支护的重点和难点一直是巷道交叉段的围岩稳定性控制难度较大。

而此前较多研究主要针对平面交叉巷道，随着矿井生产周期的延长及含煤地系的赋存变化，井下巷道布置无可避免存在空间交错情况，进而造成初次开挖巷道围岩应力平衡状态因交错巷道掘进扰动发生变化，引起围岩应力再分配，加剧巷道围岩变形程度。山西临县锦源煤矿建设期间为满足矿井存蓄水要求，在矿井东南部设计施工一处中央内环水仓，内水仓施工中需下穿一采区辅助运输巷，且距上伏巷道底板岩柱高度仅为5.6 m。以此为背景，通过理论+数值模拟方式分析围岩应力变化特点，开展交错巷道支护方式优化，对于现场安全施工及类似条件围岩控制具有十分重要的研究意义。

1 基本概况

中央内环水仓位于临县锦源井田的东南部，对应地面主要有湫水河、南圪垛村，地面标高为+708.8～+730.4 m。内环水仓设计沿+302 m 水平辅助运输巷底板掘进，自+302 水平辅助运输巷施工至内外水仓交叉点后，经2 次转弯后变小断面至施工结束，设计全长243 m，断面净尺寸4.0×3.0 m。工作面采用钻孔爆破法掘进，侧卸式装岩机装渣出矸。巷道至第一次转弯把正掘进57 m 后开始下穿一采区辅助运输巷，巷道断面5.5 m×5.25 m，采用锚网喷+锚索支护方式，两者岩柱高度为5.6 m，空间位置关系见图1。内水仓施工层位位于太原组L5、L4 灰色石灰岩层内，以深灰色砂质泥岩及黑灰色泥岩为主，节理裂隙发育，岩芯破碎。该巷道掘进主要受薄层灰岩含水层水影响，L5 灰岩厚度为1.56～9.51 m，平均厚度为4.7 m，L5、L4 灰岩含水层赋存裂隙（岩溶裂隙不发育）承压水受构造条件的限制，含水层富水性不均一，钻孔单位涌水量为0.007～0.013 L/s.m，属弱富水含水层。围岩岩性及物理力学特征见表1。

图1 内水仓交错巷道位置关系平、剖面图

表1 岩石力学性质表

2 交错巷道应力分布特点

巷道开挖后，原岩应力场因工程扰动发生应力重新分布，造成巷道围岩处于集中应力状态发生变形破坏，待应力形成二次平衡状态后巷道变形趋于稳定。受下位巷道掘进影响，上位巷道围岩形成的二次应力平衡状态再次破坏，势必造成上位巷道围岩产生新的变形趋态。巷道开挖形成后，开挖空洞作为自由面，使周边围岩应力释放并将三轴应力状态降维成单轴或双轴应力状态，最大应力点向巷道围岩深部迁移并形成高应力集中区。而对于空间近距离交错巷道而言，由于上部巷道在开挖一段时间后应力状态已形成平衡，在下部巷道开挖扰动后，其平衡应力重新分布，并与下部巷道开挖扰动应力场相互叠加，从而造成围岩应力普遍增大，如图2 所示，巷道围岩受应力反复加载屈服破坏，造成巷道围岩稳定性变差。

图2 空间近距离交错巷道围岩应力分布图

对于空间近距离交错巷道，空间交错垂距、角度及围岩强度等因素是影响交错点附近应力大小和范围的主要原因，一般认为，随着交错垂距的增大、交错角度的增大，应力呈现下降趋势，而在相同扰动条件下，围岩单轴抗压强度越大，交错地段所受的扰动影响越小。

为进一步掌握交错巷道围岩变形机制，通过FLAC3D数值模拟空间交错巷道结构模型，该模型主要以一采区辅助运输巷和中央内环水仓巷道为研究对象，对内环水仓巷道施工期间一采区辅助运输巷的稳定性进行模拟分析。具体为内环水仓巷道每推进1 m，模拟分析一采区辅助运输巷的应力分布和围岩位移变化情况，为后续巷道支护及岩柱加固提供参考。通过对实际模拟情况进行分析，得出其应力状态分布及变形特点如图3 及图4 所示。

图3 水平应力分布特点

图4 垂直应力分布特点

从图中可以看出：

1）下伏巷道掘进期间，相较于水平应力，垂直应力对上伏巷道产生的应力作用更明显。而在穿越上伏巷道后，下伏巷道所受垂直应力减小，上伏巷道也处于应力降低区。

2）受下位巷道掘进影响，上位巷道底板应力发生释放造成该处围岩出现变形破碎，同时在下位巷道底板形成高应力集中区，诱发巷道底鼓；而上位巷道顶板及两帮也因应力卸载发生拉伸破坏，下位巷道两帮发生对称性剪切破坏特点。通过模拟可知，为保证上位巷道围岩稳定，关键是保证下位巷道掘进顶板支护强度，确保岩柱稳定，因此需增强下位巷道掘进支护强度。

3 围岩控制支护方式

由自稳隐形拱和拱形效果应知：不管巷道围岩如何软碎，只要它还是连续介质，即使巷道围岩有冒顶、片帮的现象，这种片帮、冒顶现象也不会是无穷大的，最终必然会达到相对平衡的状态，因此，在巷道围岩中，不存在冒顶、冒顶的现象。同样也就是说，在巷道围岩平衡自稳的过程中，巷道围岩存在冒顶、片帮的危险是有可能的，所以支护结构的作用不是也抗不住原来的地应力，它的作用是使围岩的自稳能力和自稳结构得到最大限度的利用，并在自稳过程中对可能出现片帮、冒顶的岩层进行支撑，以确保煤矿的安全生产。

内水仓原支护方式采用双层锚网索+ 锚喷支护，锚杆φ22 mm×2 400 mm，杆体屈服强度≥335 MPa、抗拉强度≥380 MPa，锚固力不小于80 kN，预紧力200 kN，矩形布置，间排距800 mm×800 mm。锚索型号φ17.8 mm×5 300 mm，三排布置，锚索间排距1 200 mm×2 400 mm。喷射混凝土强度等级为C25，喷厚100 mm。断面支护形式见图5。结合自稳隐形拱和拱效应理论，为保证下穿一采区辅助运输巷时岩柱的稳定性和围岩强度，优化进入下穿影响段巷道支护方式为锚网索+U 型棚+ 喷浆支护，U 型棚间距800 mm，同时缩小锚索间排距为1 200 mm×1 600 mm 优化后的支护形式见图6。

图5 原巷道支护方式

此外，针对上下位巷道岩柱高度较小，围岩强度整体偏弱等情况，可采取注浆加固方式强化岩柱结构强度。注浆加固是指在破碎围岩裂隙中按一定配比注入可快速固化、渗透性强、浆液顺岩体内部裂隙扩散、凝固、硬化，使松散破碎的围岩在浆液粘结作用下粘合成一个稳定的整体，从而提高注浆泵等设备或其他手段对围岩物理力学参数性能的一种物理或化学方法。并加强了结构强度，使之达到了有的放矢的作用。

选择注浆材料的原则：注浆材料的性能决定注浆效果，保证巷道加固工程成功的基础是合理选择注浆材料。注浆材料的选择应考虑以下因素：

1）包括围岩裂隙发育程度、裂隙开度、维修加固巷道围岩破坏范围和深度等在内的巷道围岩结构面分布状况和围岩变形破坏情况。

2）对固结体抗变形能力的要求，以及注浆施工后的整体性。对常设工程，如井筒，探路，预备巷道等，注浆后抗变形能力要足；相对服务期较短的采区巷道和回采工作面，应以保持围岩整体性为主。

对上下行巷道岩柱注浆加固工程施工前，要在此基础上，全面了解上下行巷道的工程特点、岩体类型及参数、围岩赋存结构、注浆材料的合理确定、配比等施工参数及施工工艺等围岩地质及施工条件，其中注浆加固的主要参数为：不同的参数组合会对注浆加固效果造成不同程度的影响，甚至会破坏岩柱强度，如注浆压力、注浆量、浆液扩散半径、注浆孔布设方式和注浆时间控制等。

1）注浆压力：注浆压力的大小主要取决于岩柱自身的裂隙发育状况，需要渗透的可渗透性，需要渗透的范围，渗透性质的浆液等。以本文中的岩柱结构特点来看，在使用水泥浆液加固时，围岩强度较低，破碎严重时，注浆压力控制在0.5MPa 左右，如果岩柱结构比较完整，裂隙发育小时，则控制在1~2 MPa。如果围岩强度较低，其抗压强度的1/3 范围内应控制注浆压力。

2）注浆量：岩柱注浆量的控制主要与围岩的吸浆量有关，也与注浆压力有关，更与注浆时间的长短也有很大的关系。围岩吸浆量因岩性不同，裂隙发育状况不同，松动圈范围不同而有较大差异。为确保注浆能填满岩柱内的裂隙，原则上应注满，直至不出浆。

3）注浆孔布设方式：注浆孔布设参数主要是指注浆钻孔之间的排距和进深，注浆钻孔的排距和进深是指注浆钻孔的排距。选择注浆孔间的排距与扩散半径有很大的关系。注浆孔的孔距应使2 个喷浆孔的扩散范围有一定的交叉，应取0.65～0.75 左右的系数，小于2 倍的扩散半径。围岩裂隙发育、破碎区边缘应达到注浆深度。深部围岩裂隙未发育，浆液不易渗入，所以钻得太深不会起到太大的效果。

4）浆液扩散半径：是以(钻孔密度、深度等)为重要依据，确定注浆钻孔布局参数。岩体内浆液的扩散路线主要沿裂隙推进，因此是不规则的，随着岩体渗透参数、裂隙发育、注浆压力和注浆时长的增加而增加，同时由于浆液浓度和配比等因素呈现出相反的效果，因此浆液的扩散半径具有较多的不确定性，目前主要以类似地质条件下的经验来确定浆液的扩散半径，由于岩体渗透参数的增加、裂隙发育由于岩体的渗透参数以及注浆压力、注浆量、浓度等参数对浆液扩散范围的大小进行了调整。

5）注浆时间控制：注浆时间多根据现场注浆效果而定，时间过长，甚至造成岩柱内裂隙裂开扩大，削弱岩体自身强度，会造成浆液溢出扩散；太短的时间，注浆就不行了。因此，根据现场情况，对裂隙未发育的围岩，吸浆速度较慢，浆液难以扩散，应适当延长注浆时间，同时提高注浆压力，以提高注浆效果。

现场采用十字观测法进行内水仓下穿巷道段围岩变形观测，其变形结果如图7 所示。从图中可以看出，巷道顶底板变形量和两帮收敛量变化趋势基本一致，均表现出先快速增大，后趋于稳定的特征，主要原因是受巷道掘进扰动影响。稳定后顶底板相对移近量最大变形量为45 mm，两帮相对移近量最大变形值为26 mm，均能保证有效的巷道断面利用率，表明优化后的支护方式能够有效保证交错巷道中间岩柱及围岩的稳定，促进其形成整体承载结构。

图7 巷道围岩变形趋势

4 结 论

本文以锦源煤矿内水仓下穿一采区辅助运输巷为工程背景，通过理论+数值模拟、现场观测等方法，研究了近距离空间交错巷道围岩控制及支护技术，得出以下结论：

1）通过数值模拟分析，得出上位巷道受下位掘进影响造成岩柱出现拉剪变形破坏，同时在下位巷道底板形成高应力集中区，诱发巷道底鼓；而上位巷道顶板及两帮也因应力卸载发生拉伸破坏，下位巷道两帮发生对称性剪切破坏特点。

2）空间近距离交错巷道中间岩柱的变形特征是决定交错巷道稳定性的重要因素，因此保证交叉巷道中间岩柱的围岩稳定性是交叉巷道支护过程中的关键点。提出了锚网索+U 型棚+喷浆+注浆加固的支护方式，以控制下位巷道围岩变形，形成对上位巷道保护作用，现场围岩观测稳定后顶底板相对移近量最大变形量为45 mm，两帮相对移近量最大变形值为26 mm，表明了优化后的支护方式能够有效保证近距离交错巷道围岩的稳定。