姜 波，祝延軍

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.北方魏家峁煤電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010308；3.北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京100013）

0 引言

煤礦井下開(kāi)采需要布置錯(cuò)綜復(fù)雜的煤巖巷道，其中交岔布置的巷道形式尤為普遍，但因其自身空間布置特征而形成面積較大的裸露頂板，不利于承載穩(wěn)定的巷幫受力狀態(tài)，致使其存在較為嚴(yán)重的頂板冒頂失穩(wěn)和巷幫片幫失穩(wěn)隱患，嚴(yán)重制約了礦井的安全高效生產(chǎn)。眾多學(xué)者針對(duì)復(fù)雜空間交岔巷道圍巖失穩(wěn)問(wèn)題的研究已取得諸多研究成果，為滿足井工煤礦的生產(chǎn)運(yùn)輸、輔助運(yùn)輸、安全通風(fēng)等方面做出巨大貢獻(xiàn)[1-15]。隨著我國(guó)煤炭資源開(kāi)采不斷向地下深部進(jìn)發(fā)，同時(shí)為追求更大的資源開(kāi)采效率，井工煤礦的巷道工程量越來(lái)越大，煤巖層內(nèi)布置交岔巷道的工程情況越來(lái)越多，但交岔巷道圍巖受力情況復(fù)雜，相對(duì)單一的巷道布置情況較為嚴(yán)重，如交岔巷道拐角（三角區(qū)） 破壞嚴(yán)重，頂板冒落失穩(wěn)高度較大，復(fù)雜空間交岔巷道支護(hù)的控制難度較高，交岔點(diǎn)位大斷面懸空頂板支護(hù)穩(wěn)定性弱等諸多問(wèn)題。因此，如何實(shí)現(xiàn)井工煤礦交岔巷道的支護(hù)穩(wěn)定，滿足井巷工程快速掘進(jìn)的生產(chǎn)建設(shè)要求，仍待進(jìn)一步研究和解決。

1 概況

五家溝煤礦主采5-1 號(hào)煤層，煤層厚度平均為7.68 m，總體傾向?yàn)镹W 單斜構(gòu)造，煤（巖） 層傾向N45°W～S60°W，傾角1°～4°，平均2.5°；布置15109 工作面對(duì)其進(jìn)行資源回采，設(shè)計(jì)在停采線前端位置布置15109 輔運(yùn)聯(lián)絡(luò)巷和行人斜巷，三者呈交岔巷道布置。15109 輔運(yùn)巷道是服務(wù)于15109 工作面輔助運(yùn)輸?shù)闹匾夭上锏溃?5109 輔運(yùn)聯(lián)絡(luò)巷與15109 工作面輔助運(yùn)輸呈直角交岔布置，行人斜巷則與15109 工作面輔助運(yùn)輸巷呈42°銳角交岔布置，該交岔巷道區(qū)域承擔(dān)輔助運(yùn)輸、行人、通風(fēng)與安全等重要職能，一旦出現(xiàn)巷道失穩(wěn)問(wèn)題將導(dǎo)致輔助運(yùn)輸、行人、通風(fēng)等安全堵塞，進(jìn)而對(duì)工作面的安全回采造成影響，對(duì)整個(gè)礦井構(gòu)成局部安全隱患。

2 交岔巷道受力變形及破壞失穩(wěn)特征分析

如圖1 所示，交岔位置附近各個(gè)巷道頂板部位的最大主應(yīng)力基本在6.0 ～6.6 MPa，但在小角度巷幫部位則形成9.0 ～9.7 MPa 的最大主應(yīng)力集中（是單一巷道圍巖的圍巖應(yīng)力集中的1.5 倍，是所處地層原巖應(yīng)力的2.3 倍）；如圖2 所示，交岔位置的頂板圍巖呈現(xiàn)0.55 MPa 最小主應(yīng)力分布特征，在交岔位置的巷道部位則呈現(xiàn)-0.15 ～0.75 MPa 的最小主應(yīng)力分布特征。交岔巷道位置附近圍巖的最大、最小主應(yīng)力差異程度明顯高于單一巷道圍巖主應(yīng)力分布情況，而較大的主應(yīng)力分布差異說(shuō)明交岔巷道位置附近圍巖的受力狀態(tài)尤為劇烈，變形破為嚴(yán)重，在頂板中部圍巖受到二向水平應(yīng)力的疊加影響，導(dǎo)致該部位的圍巖受力破壞加劇，形成較為嚴(yán)重的冒落失穩(wěn)隱患。

圖1 交岔巷道圍巖最大主應(yīng)力分布特征Fig.1 Distribution characteristics of maximum principal stress in surrounding rock of intersection roadway

圖2 交岔巷道圍巖最小主應(yīng)力分布特征Fig.2 Distribution characteristics of minimum principal stress in surrounding rock of intersection roadway

交岔巷道圍巖位移分布特征如圖3 所示。

如圖3 所示，交岔巷道位置的頂板圍巖沉降相對(duì)明顯，交岔巷道位置的頂板圍巖位移最大值達(dá)522 mm，是交岔位置遠(yuǎn)處頂板圍巖沉降的1.7 倍；同時(shí)交岔位置附近的巷幫圍巖受到圍巖應(yīng)力集中的疊加作用而發(fā)生嚴(yán)重變形，交岔巷道位置的三角區(qū)巷幫圍巖擠壓變形最大值達(dá)748 mm，是交岔位置遠(yuǎn)處的巷幫圍巖擠壓變形的1.85 倍。從巷道圍巖的變形分布特征來(lái)看，交岔巷道頂板圍及其附近巷幫圍巖受力變形尤為明顯，需要重視此位置的巷道頂板圍巖及其附近巷幫圍巖補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，避免形成嚴(yán)重的交岔巷道局部冒頂隱患。

圖3 交岔巷道圍巖位移分布特征Fig.3 Distribution characteristics of displacement in surrounding rock of intersection roadway

從交岔巷道圍巖的受力破壞特征來(lái)看，在交岔巷道位置的頂板及其附近巷幫部位形成高于單一巷道情況的圍巖受力破壞，如圖4 所示，數(shù)值模擬顯示，在交岔巷道位置的頂板形成4 ～8 m 高度圍巖破壞，在交岔巷道位置附近巷幫部位形成4 ～8 m深度圍巖破壞，此時(shí)從交岔巷道圍巖應(yīng)力疊加環(huán)境下圍巖破壞深度分析可知，交岔巷道圍巖受力加劇破壞的影響范圍基本在距離巷幫深度4 ～8 m，在進(jìn)行交岔巷道圍巖的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)時(shí)，需要將交岔巷道附近4 ～8 m 視為重點(diǎn)支護(hù)區(qū)域，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)交岔巷道劇烈圍巖破壞失穩(wěn)的控制。

圖4 交岔巷道圍巖受力破壞分布特征Fig.4 Distribution characteristics of surrounding rock failure of intersection roadway

3 交岔巷道圍巖控制途徑及技術(shù)方案分析

面對(duì)交岔巷道圍巖受力破壞及其冒落失穩(wěn)問(wèn)題，本文結(jié)合目前巷道圍巖控制技術(shù)[1-15]，在交岔巷道圍巖受力變形及其破壞失穩(wěn)特征分析基礎(chǔ)上，提出交岔巷道圍巖穩(wěn)定性的控制途徑。

（1） 交岔巷道布置導(dǎo)致巷道空間相對(duì)較大，頂板懸空面積大，存在更為嚴(yán)重的失穩(wěn)隱患，加之交岔巷道空間使用需求而不能實(shí)施單體柱被動(dòng)支護(hù)，因此這一情況應(yīng)采取高強(qiáng)度錨索懸吊方式，減小頂板彎曲變形幅度。

（2） 交岔巷道布置情況，交岔點(diǎn)的巷道幫部圍巖承受來(lái)自頂板地壓作用，致使交岔巷道的巷幫圍巖破壞程度相對(duì)嚴(yán)重，造成頂板失穩(wěn)跨落和失穩(wěn)規(guī)模增加，故采取圍巖注漿、錨網(wǎng)索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)等有效技術(shù)手段進(jìn)行巷幫維護(hù)和補(bǔ)強(qiáng)。

（3） 交岔巷道水平方位夾角越小則巷道圍巖破壞越嚴(yán)重，因此支護(hù)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)盡量避免小角度方位夾角的出現(xiàn)，盡可能選擇垂直交岔布置方式。

（4） 影響巷道圍巖受力破壞的關(guān)鍵是巷道圍巖本身，巷道圍巖的力學(xué)條件越好，則圍巖的承載條件越好，交岔巷道的巷幫圍巖破壞深度越小，采取圍巖注漿膠結(jié)的技術(shù)手段對(duì)巷道圍巖的內(nèi)聚力和層間摩擦系數(shù)等物理力學(xué)條件進(jìn)行改善，可減小交岔巷道的巷幫圍巖破壞程度。

根據(jù)所提出的交岔巷道圍巖穩(wěn)定性的控制途徑，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)交岔巷道圍巖條件，提出交岔巷道頂板圍巖錨索錨固懸吊及巷幫圍巖錨索錨固的主動(dòng)支護(hù)方式。根據(jù)地質(zhì)說(shuō)明書(shū)提供的頂板圍巖性質(zhì)，利用附近鉆孔和探孔礦壓觀測(cè)資料及施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)15109 輔運(yùn)交岔巷道圍巖穩(wěn)定控制支護(hù)技術(shù)方案，確定錨桿+雙層金屬網(wǎng)+鋼帶+錨索的主動(dòng)支護(hù)形式，如圖5 所示。

圖5 交岔巷道支護(hù)技術(shù)方案Fig.5 Support technology scheme of intersection roadway

（1） 頂板圍巖選用φ20 mm×2400 mm 左旋螺紋鋼錨桿，間排距950 mm×950 mm，每排6根，配合125 mm×125 mm×10 mm 拱形高強(qiáng)度托盤(pán)；每根頂錨桿使用1 根雙速2395 樹(shù)脂錨固劑，每根幫錨桿使用1 根K2360 樹(shù)脂錨固劑，扭矩不低于120 N·m。

（2） 幫錨桿選用φ18 mm×2000 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，每幫每排3 根，間排距均為950 mm×950 mm，配合125 mm×125 mm×10 mm 拱形高強(qiáng)度托盤(pán)；每根頂錨桿使用1 根雙速2395 樹(shù)脂錨固劑，每根幫錨桿使用1 根K2360 樹(shù)脂錨固劑，扭矩不低于120 N·m。

（3） 頂板錨索選用φ17.8 mm 鋼絞線，每排4 根，間排距1000 mm×950 mm，配250 mm×250 mm×16 mm 的鋼托盤(pán)，錨索長(zhǎng)度≥9600 mm（實(shí)際錨索長(zhǎng)度根據(jù)頂煤厚度而定），且錨固長(zhǎng)度不低于2.0 m；每根錨索使用1 根K2360 和雙速2395樹(shù)脂錨固劑，外露長(zhǎng)度150～250 mm。

（4） 巷幫錨索選用φ17.8 mm 鋼絞線，2 排且間排距1000 mm×950 mm，配250 mm×250 mm×16 mm 的鋼托盤(pán)，巷幫短錨索根據(jù)實(shí)際巷幫三角區(qū)尺寸確定，巷幫長(zhǎng)錨索長(zhǎng)度≥9600 mm 且錨固長(zhǎng)度不低于2.0 m；每根錨索使用1 根K2360和雙速2395 樹(shù)脂錨固劑，外露長(zhǎng)度150～250 mm。

（5） 頂板及巷幫網(wǎng)片采用8 號(hào)鐵絲編制的菱形金屬網(wǎng)，且雙層布置，金屬網(wǎng)規(guī)格：長(zhǎng)5800 mm、寬1200 mm，網(wǎng)孔均為80 mm×80 mm，網(wǎng)與網(wǎng)壓茬寬度200 mm，使用16 號(hào)鐵絲雙股雙排連接，連接間距不大于200 mm，頂、幫網(wǎng)要連接嚴(yán)密，扎結(jié)點(diǎn)的扎絲頭不準(zhǔn)漏出網(wǎng)的外平面，并且方向一致。

（6） 鋼筋鋼帶采用φ12 mm 的圓鋼焊制，孔距950 mm，長(zhǎng)4800 mm、寬70 mm，錨桿全部打在鋼筋鋼帶梁上。

4 交錯(cuò)巷道支護(hù)控制效果評(píng)價(jià)

（1） 交岔巷道錨桿索主動(dòng)支護(hù)圍巖控制效果模擬評(píng)價(jià)。

支護(hù)條件下交岔巷道圍巖破壞特征如圖6 所示。

圖6 支護(hù)條件下交岔巷道圍巖破壞特征Fig.6 Failure characteristics of surrounding rock of intersection roadway under supporting conditions

如圖6 所示，在所提出的錨桿索主動(dòng)支護(hù)方案作用下，交岔點(diǎn)及其附近位置的頂板圍巖破壞范圍為4 ～6.5 m，相對(duì)于無(wú)支護(hù)條件的破壞范圍5 ～8 m有所減小，支護(hù)結(jié)構(gòu)改善了巷道圍巖的受力狀態(tài)，降低了圍巖的破壞程度，提高了交岔巷道頂板圍巖承載穩(wěn)定性。數(shù)值模擬分析認(rèn)為，在頂板錨網(wǎng)支護(hù)基礎(chǔ)上，加之錨索錨固懸吊作用，交岔巷道大面積懸空頂板得以有效支承，在一定程度上對(duì)頂板變形失穩(wěn)實(shí)現(xiàn)減跨和抑制作用，降低了交岔巷道頂板圍巖的破壞程度，同時(shí)改善了頂板支承壓力對(duì)巷幫圍巖造成的承載負(fù)擔(dān)。

交岔巷道圍巖的頂板位移分布特征如圖7 所示，交岔點(diǎn)位置的頂板圍巖下沉變形相對(duì)明顯，交岔巷道的頂板圍巖最大變形量達(dá)212 mm，其他位置的頂板圍巖變形基本在60 ～120 mm，相對(duì)無(wú)支護(hù)條件下頂板圍巖最大變形量497 mm，減小了285 mm，交岔巷道頂板圍巖在錨桿索主動(dòng)支護(hù)作用下的承載變形得以控制，頂板圍巖最大下沉量小于300 mm，所提出的錨桿索主動(dòng)支護(hù)方案有助于對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定控制。

圖7 支護(hù)條件下交岔巷道圍巖垂直位移分布特征Fig.7 Distribution characteristics of surrounding rock vertical displacement of intersection roadway under supporting conditions

如圖8 所示，交岔點(diǎn)位置的巷道圍巖水平（X方向） 移近變形最大達(dá)167 mm，其中圍巖變形最大位置位于交岔巷道的小角度巷幫圍巖位置，相比于無(wú)支護(hù)條件下的交岔點(diǎn)位置的巷道圍巖水平（X方向） 移近變形646 mm 有明顯改善；如圖9 所示，巷道圍巖水平（Y 方向） 移近變形達(dá)126 mm，相比于無(wú)支護(hù)條件下交岔點(diǎn)位置的巷道圍巖水平（Y 方向） 移近變形678 mm，同樣有明顯改善；數(shù)值模擬結(jié)果表明，在錨桿索主動(dòng)支護(hù)條件下，巷幫錨索補(bǔ)強(qiáng)加固在一定程度上提高了圍巖的抗擠壓變形能力，避免巷幫劇烈變形破壞造成頂板跨度增加，礦壓顯現(xiàn)加劇的失穩(wěn)影響。

圖8 支護(hù)條件下交岔巷道圍巖水平位移分布特征（X 方向）Fig.8 Distribution characteristics of surrounding rock horizontal displacement of intersection roadway under supporting conditions(X-direction)

圖9 支護(hù)條件下交岔巷道圍巖水平位移分布特征（Y 方向）Fig.9 Distribution characteristics of surroundingrock horizontal displacement of intersection roadway under supporting conditions s(Y-direction)

（2） 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)實(shí)踐交岔巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)反饋評(píng)價(jià)。

如圖10 所示，通過(guò)對(duì)交岔點(diǎn)中部頂板離層儀的觀測(cè)顯示，交岔點(diǎn)中部頂板在1～7 d 變形明顯，淺基點(diǎn)在20 d 后基本趨穩(wěn)，最終交岔點(diǎn)中部頂板離層儀淺基點(diǎn)離層量在150 mm，而深基點(diǎn)則在在45 d 后基本趨穩(wěn)，交岔點(diǎn)中部頂板離層儀淺基點(diǎn)離層量在150 mm，交岔點(diǎn)中部頂板離層儀深基點(diǎn)離層量在253 mm，交岔點(diǎn)中部頂板最終變形量在253 mm，此后頂板支護(hù)控制穩(wěn)定。

圖10 交岔點(diǎn)中部頂板離層監(jiān)測(cè)Fig.10 Monitoring of roof separation at middle intersection

如圖11 ～圖12 所示，根據(jù)交岔點(diǎn)前方和后方的巷道表面圍巖監(jiān)測(cè)來(lái)看，在巷道掘進(jìn)完成后的15 d 里，巷道圍巖變形始終處于不穩(wěn)定狀態(tài)，其中小角度巷幫位置的圍巖變形尤為明顯，其次是頂板受到巷幫圍巖的破壞變形影響，致使發(fā)生彎曲變形；從獲取的交岔點(diǎn)前方巷道表面圍巖監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)前支護(hù)狀態(tài)下，交岔點(diǎn)前方巷道表面圍巖在45 d 左右基本趨穩(wěn)，其中頂板錨索懸吊作用使頂板表面圍巖變形量達(dá)210 mm，小角度巷幫位置通過(guò)實(shí)施穿錨索加固，控制圍巖變形在175 mm，另一側(cè)直角度巷幫位置通過(guò)錨索錨固補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，將圍巖變形控制在125 mm；交岔點(diǎn)后方巷道表面圍巖在35 d 左右基本趨穩(wěn)，其中頂板錨索懸吊作用使頂板表面圍巖變形量達(dá)150 mm，大角度巷幫位置通過(guò)實(shí)施錨索加固控制圍巖變形在110 mm，另一側(cè)直角度巷幫位置通過(guò)錨索錨固補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，將圍巖變形控制在120 mm，巷道變形程度小。當(dāng)前交岔巷道圍巖控制效果滿足該交岔巷道安全生產(chǎn)要求。

圖11 交岔點(diǎn)前方巷道表面圍巖監(jiān)測(cè)Fig.11 Monitoring of surrounding rock surface in front of intersection

圖12 交岔點(diǎn)后方巷道表面圍巖監(jiān)測(cè)Fig.12 Monitoring of surrounding rock surface behind the intersection

5 結(jié) 論

（1） 交岔巷道圍巖破壞失穩(wěn)劇烈的原因在于交岔巷道布置導(dǎo)致巷道空間相對(duì)較大，頂板懸空面積大，存在更為嚴(yán)重的失穩(wěn)隱患，交岔點(diǎn)的巷道幫部圍巖承受來(lái)自頂板地壓作用負(fù)擔(dān)尤為嚴(yán)重，致使交岔巷道的巷幫圍巖破壞程度較為嚴(yán)重，造成頂板失穩(wěn)跨落和失穩(wěn)規(guī)模增加，應(yīng)做好對(duì)交岔位置的巷道頂板圍巖及其附近巷幫圍巖補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，避免形成嚴(yán)重的交岔巷道局部冒頂隱患。

（2） 交岔巷道因空間使用需求不能實(shí)施單體柱被動(dòng)支護(hù)，采取高強(qiáng)度錨索懸吊方式，減小頂板彎曲變形幅度是最為有效的技術(shù)途徑。

（3） 提出交岔巷道頂板圍巖錨索錨固懸吊及巷幫圍巖錨索錨固的主動(dòng)支護(hù)方式，確定錨桿+雙層金屬網(wǎng)+鋼帶+錨索的主動(dòng)支護(hù)方案，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)15109 輔運(yùn)交岔巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)反饋，所提支護(hù)技術(shù)方案控制效果良好且滿足安全生產(chǎn)要求。