許 諾，侯殿坤

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

巷道布置往往在礦井底部，存在巷道彼此間平行、斜交等近距離跨巷掘進(jìn)的形式，進(jìn)而形成交錯(cuò)布置形式[1-3]。布爾臺(tái)礦三盤區(qū)12上礦山回風(fēng)大巷與后掘二盤區(qū)礦產(chǎn)資源開采輔運(yùn)巷呈空間交錯(cuò)布置。交錯(cuò)巷道巷間礦體受采掘二次擾動(dòng)影響，近距離交錯(cuò)巷道間地層應(yīng)力疊加互擾較更加明顯、更易導(dǎo)致局部破壞，有限尺寸的巷道及礦體承載結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)[4-6]。結(jié)合研究礦區(qū)的巷道及地層的實(shí)際條件，對(duì)近距離交錯(cuò)巷道掘進(jìn)擾動(dòng)對(duì)地層影響、礦體破壞失穩(wěn)方式進(jìn)行分析和研究，為類似工程實(shí)例提供理論依據(jù)與技術(shù)參考。

1 概況

布爾臺(tái)礦位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮(zhèn)境內(nèi)，井田面積193平方公里，可采儲(chǔ)量20億噸，年生產(chǎn)能力2000萬(wàn)噸。礦井生產(chǎn)能力、主運(yùn)輸系統(tǒng)能力、開采出的礦產(chǎn)資源洗選加工能力3項(xiàng)世界第一的特大型井工礦井，也是一座集生產(chǎn)、洗選、儲(chǔ)裝、外運(yùn)綜合布局的特大型高產(chǎn)高效現(xiàn)代化井工礦井。布爾臺(tái)礦埋深290 m，均厚2.43 m。礦層直接頂主要為以砂質(zhì)泥巖為主，局部為粉砂巖、中粒砂巖。爾臺(tái)礦三盤區(qū)12上礦回風(fēng)大巷（矩形大巷，斷面尺寸5200 mm×2100 mm）與二盤區(qū)資源輔運(yùn)巷道（三心拱直墻巷道，斷面尺寸5200 mm×3300 mm墻高2000）形成空間立體交錯(cuò)分布，交錯(cuò)位置間距5 m。掘進(jìn)及交錯(cuò)位置處于直接頂內(nèi)。

表1 礦層頂?shù)装鍘r性表

2 掘進(jìn)巷道數(shù)值模擬

如圖1所示，三盤區(qū)12上礦回風(fēng)大巷、二盤區(qū)12礦產(chǎn)資源輔運(yùn)巷呈近距離空間交錯(cuò)的空間范圍位置為研究對(duì)象，二者交錯(cuò)位置為5m，上巷為先掘巷道，下巷為分步開掘巷道，在上巷采動(dòng)影響外先掘進(jìn)20 m，而后每步掘進(jìn)2 m，模型尺寸為80×80×80 m。對(duì)三盤區(qū)轉(zhuǎn)運(yùn)巷掘進(jìn)采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行建模。因此，擬定了以下方案，建立交錯(cuò)巷道數(shù)值計(jì)算模型，研究在埋深290 m條件下、側(cè)壓力系數(shù)為1、巷道交錯(cuò)角度90°、巷道間距為5 m的交錯(cuò)巷道的掘進(jìn)對(duì)礦體的應(yīng)力位移及破壞研究。

圖1 模型示意圖

表2 地層的力學(xué)參數(shù)

3 礦體的穩(wěn)定性分析

3.1 應(yīng)力分析

位于交錯(cuò)位置遠(yuǎn)端開掘時(shí)，呈現(xiàn)出單一巷道布置形式的受力特征，矩形巷道的邊角及巷幫有應(yīng)力疊加現(xiàn)象，水平應(yīng)力在上巷頂?shù)装逦恢眉?，兩幫釋放，垂直?yīng)力在上巷兩幫出現(xiàn)應(yīng)力集中，頂?shù)装宄霈F(xiàn)應(yīng)力釋放。當(dāng)下巷逐漸掘進(jìn)至交錯(cuò)位置時(shí)，上巷道頂板礦體局部位置的側(cè)向水平應(yīng)力集中值增加顯著，底板承重力力減弱，垂直應(yīng)力在上巷兩幫位置疊加加劇。

綜上分析認(rèn)為，當(dāng)前條件下在三盤區(qū)回風(fēng)大巷下方較近位置掘進(jìn)巷道，且逐漸與三盤區(qū)回風(fēng)大巷形成近距離交錯(cuò)巷道形式，其交錯(cuò)巷道位置及其附近礦體將受到Z方向垂直應(yīng)力集中和下巷垂直應(yīng)力的釋放、上巷X 方向水平應(yīng)力集中和釋放、下巷Y方向水平應(yīng)力集中和釋放的綜合擾動(dòng)影響。掘進(jìn)后使巷間礦體呈現(xiàn)出單側(cè)受力垂直自由面的不利受力。

3.2 位移分析

圖2 應(yīng)力云圖

圖3 位移云圖

在未掘進(jìn)到交錯(cuò)位置的位移分布特征來(lái)看，回風(fēng)大巷的頂板和兩幫的地層變形頂?shù)装鍑鷰r近移量達(dá)50mm，兩幫移近量30mm；逐漸掘進(jìn)到巷道交錯(cuò)位置，其上方回風(fēng)大巷頂板移近量最大70mm，兩幫移近量最大40mm以內(nèi)。當(dāng)掘進(jìn)跨巷后，形成交錯(cuò)巷道布置形式，巷間礦體上部的上巷底板底鼓量增加減小，巷間礦體提下部的下巷頂板下沉量增加顯著。

綜上分析，得益于當(dāng)前巷道布置位置的較好的工程地質(zhì)條件，但上下巷形成近距離交錯(cuò)巷道空間結(jié)構(gòu)，礦體力學(xué)狀態(tài)及其承載結(jié)構(gòu)將變得復(fù)雜特殊，這會(huì)加劇三盤區(qū)回風(fēng)大巷的變形程度。交錯(cuò)位置上巷頂?shù)装鍍蓭妥冃卧黾语@著，交錯(cuò)上巷底板底鼓相對(duì)該位置以外地層鼓起量有所降低，這說(shuō)明巷道交錯(cuò)位置的地質(zhì)層存在整體擠壓加劇并伴隨向下沉陷位移的特征，如果不加以控制存在上下巷貫通是穩(wěn)破壞的不利局面。

3.3 塑性區(qū)分析

遠(yuǎn)離交錯(cuò)布置位置的三盤區(qū)回風(fēng)大巷道的整體塑性破壞在其巷道周圍淺部2m范圍內(nèi)，出現(xiàn)了巷道周圍地質(zhì)層塑性破碎圈，但地層破壞沒(méi)有波及深部礦體；當(dāng)掘進(jìn)到交錯(cuò)位置上，上巷頂?shù)装逅苄詤^(qū)相交，巷道間的地層應(yīng)力擾動(dòng)及巷間礦體體積較小，導(dǎo)致上巷底板礦體內(nèi)部破壞與下巷受擾動(dòng)破壞接觸。

綜上分析，近距離交錯(cuò)巷道極易發(fā)生塑性區(qū)接觸并貫通的不利局面，巷間礦體體積有限，受多次掘進(jìn)擾動(dòng)及巷道生產(chǎn)的動(dòng)載荷影響，加之處于單向受力的情況，巷間礦體破壞十分嚴(yán)重，恢復(fù)其整體力學(xué)性質(zhì)及承載能力將十分重要。

圖4 塑性區(qū)圖

4 結(jié)語(yǔ)

（1）掘進(jìn)至交錯(cuò)巷道條件下的巷間地層呈現(xiàn)側(cè)向受水平應(yīng)力擠壓變形特征，巷道內(nèi)礦體受二次擾動(dòng)，巷道間的地層應(yīng)力疊加顯著，這將對(duì)維護(hù)礦體穩(wěn)定極為不利。

（2）下方輔運(yùn)巷道頂板呈半圓拱型狀，改善了下方巷道頂板淺部地層應(yīng)力拉伸破壞及下沉量的情況。但巷間礦體的破壞及多次擾動(dòng)有整體滑落失穩(wěn)的危險(xiǎn)。因此，控制好巷間礦體成為穩(wěn)定性關(guān)鍵。

（3）本礦交錯(cuò)巷道處于礦體內(nèi)部，強(qiáng)度低，地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，礦體多次擾動(dòng)破壞，加之巷道必然存在動(dòng)載荷影響，交錯(cuò)位置需要加強(qiáng)支護(hù)以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的應(yīng)力疊加破壞。