深部立体交叉巷道破坏机理及控制对策研究

郭志飚，张跃林，王 炯

(1.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

深部立体交叉巷道破坏机理及控制对策研究

郭志飚1，2，张跃林2，王 炯1，2

(1.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

针对在复杂高应力场作用下，深部立体交叉巷道变形破坏严重、稳定性难以控制的问题，本文以鹤岗矿区兴安矿深部立体交叉巷道为研究对象，进行了工程地质条件和现场变形破坏特征的调查分析；结合工程实际利用FLAC3D进行了数值模拟，总结了巷道变形破坏的主要原因为：地应力高、多巷道开挖时相互扰动的作用；提出了优化巷道布局，并进行以锚网索+立体桁架耦合支护为主体的深部立体交叉巷道控制对策。工程应用结果表明，该方法能有效控制巷道变形，保证立体交叉巷道的整体稳定。

深部；立体交叉巷道；破坏机理；控制对策

随着煤矿开采深度的不断增加，煤矿工程地质构造也更加复杂，使巷道围岩处于复杂高应力场作用下，巷道变形和破坏程度增加[1-5]，对于泵房、吸水井和水仓等深部立体交叉巷道群稳定性产生将更加严重的影响[6-7]，因此，分析深部立体交叉巷道破坏机理和提出适合的控制对策是深部煤矿开采中面临的重要问题。

本文以鹤岗矿区兴安煤矿深部泵房、吸水井和水仓等形成的立体交叉巷道为研究对象，兴安煤矿四水平井底车场延伸工程埋深750m，是该矿区埋深最深的矿井。部分已施工巷道破坏日渐严重，在前期掘进施工过程中变形很大，巷道出现了大面积高冒落、底臌和两帮收缩量大等大变形现象，严重影响巷道的正常使用和安全生产。结合现场工程地质条件，利用数值计算等手段分析立体交叉巷道变形破坏特征，得出其变形破坏机理，进而提出合理的稳定性控制对策。并将研究成果应用于现场工程，监测结果表明，该方法能有效控制立体交叉巷道变形，为同类型巷道稳定性控制研究提供参考。

1 工程地质条件分析

1.1 地层岩性

兴安矿四水平泵房、吸水井和水仓系统、为立体交叉巷道，巷道围岩所穿过的岩层为粉砂岩、粉细互层、凝灰质泥岩、劣煤等。总体上，受构造的影响，围岩相对较破碎，节理、层理和断层十分发育，巷道围岩结构为破碎和碎裂结构。

泵房巷道围岩均有劣质煤层穿过，上下为砂质泥岩和粉砂岩。根据巷道实测地质剖面图，巷道在开挖过程中三次穿越劣质煤层，揭露岩性主要为砂质泥岩、泥岩和砂岩。巷道围岩综合柱状图见图1。

图1 巷道围岩地层柱状图

1.2 地质构造

鹤岗矿区是在海西褶皱之后侏罗纪所形成的山间断陷盆地。兴安井田总体地质构造为断层～褶皱型，形态由南部至北部呈弧形，井田地层走向为北东向。井田内发育有宽缓的褶皱，特别是海西褶皱之后形成的山间断陷盆地，盆地局部升降产生的断裂和岩浆活动，造成煤系地层在岩性和结构上的复杂性，也控制了井田地层的产状变化。

2 深部立体交叉巷道变形破坏特征和机理研究

兴安矿和鹤岗矿区其它矿井深部立体交叉巷道在掘进和使用期间都产生了较严重的变形和破坏，带来了极大的安全隐患。

2.1 变形破坏特征

由于多条巷道形成立体交叉，掘进期间相邻巷道施工扰动影响已完工巷道的稳定性，以及由于临近巷道的变形破坏，引起围岩应力场的变化，造成巷道在工程偏应力作用下产生变形破坏，进而使得巷道出现非对称的顶板下沉、片帮(图2)和底臌等大变形破坏现象(图3)。

泵房吸水井系统立体交叉巷道由于采用传统设计方法，每个水泵对应一个吸水小井，造成吸水小井间距较小，巷道开挖后应力重分布，使得相邻吸水井间相互影响，产生应力集中，造成吸水小井和壁龛稳定性较差，变形破坏严重(图4)，进而影响泵房等关键工程的稳定性。

2.2 变形破坏机理

为了进一步研究深部立体交叉巷道的变形破坏机理，本文以鹤岗矿区兴安矿四水平泵房、吸水井和水仓为主体的立体交叉巷道为工程背景，结合现场工程实际，建立工程地质模型，进行数值模拟计算，分析立体交叉巷道变形破坏过程和机理，为研究巷道稳定性控制对策提供理论基础。

应用有限差分程序FLAC3D，构建三维计算模型(如图5所示)。计算范围长×宽×高=40m×40m×40m，共划分357152个单元，60985个节点。该模型侧面限制水平移动，底部固定，模型上表面为应力边界，施加的荷载为14MPa，模拟上覆岩体的自重边界。材料破坏符合Mohr-Coulomb强度准则。水平方向的侧应力系数为0.35，荷载大小为5MPa。

采用上面所建立的模型进行计算，位移场、应力场和塑性区分布图如图6～图8所示。

图2 巷道片帮

图3 非对称底臌

图4 吸水小井变形破坏

图5 数值计算模型

图6 位移场分布图

图7 应力场分布图

图8 塑性区分布图

通过数值模拟结果可知，泵房吸水井系统形成复杂的立体交叉巷道群，巷道间相互扰动，造成吸水井等巷道变形较大(图6)，吸水井、壁龛和泵房间围岩应力集中程度高，受力较大，影响巷道的稳定(图7)，由塑性区分布图(图8)可知，各吸水井与泵房交叉位置塑性区较明显。综上，深部立体交叉巷道处于高地应力场和开挖扰动形成的应力场的叠加作用，使得巷道变形破坏较严重，因此，优化立体交叉巷道布局，改善受力条件，减少应力集中，优化配套支护设计是保证巷道稳定的主要对策。

3 深部立体交叉巷道稳定性控制对策

通过上述分析，结合已有的研究成果和现场工程实际，提出深部立体交叉巷道稳定性控制对策。

1)巷道布局优化，减少应力集中。对于深部泵房吸水井为主体的立体交叉巷道群，首先应考虑最大程度减少对关键巷道(如泵房)的工程扰动和工程偏应力作用，因此，根据何满潮院士提出的泵房吸水井硐室群集约化设计的指导思想[1]，兴安矿四水平泵房吸水井立体交叉巷道布局优化设计采用如下方法：将传统设计采用的四个吸水小井(图9)和配水巷等巷道进行空间布局优化，设计成一个组合吸水井，通过在其内部分割成四个相对独立的部分，功能与原来分开布置的吸水小井完全一致，并且将原小井间的配水巷道全部取消，通过隔断内开孔相互沟通和排水。采用上述优化设计大大减少了吸水小井的个数和配水巷的长度，同时原设计由于多巷道立体交叉对泵房的工程偏应力影响大大降低，提高了吸水井和泵房等巷道的稳定性。

图9 立体交叉巷道布局优化设计

2)配套耦合支护技术，保证巷道的稳定。对于埋深较大的立体交叉巷道，采用传统的支护技术难以保证巷道的稳定，往往由于巷道间的相互影响而造成变形破坏较严重。因此，必须寻求适合与深部立体交叉巷道工程特点的支护技术，结合理论研究成果和现场工程实际，提出以锚网索+立体桁架耦合支护为主体的深部立体交叉巷道配套支护技术，该技术通过锚网索初次支护使立体交叉巷道围岩形成较稳定外部塑性工作区和内部弹性工作区，避免巷道出现局部有害变形。采用立体桁架进行二次耦合支护，通过桁架与围岩间预留的变形层进一步吸收变形能，利用桁架的整体性和架间良好的传力性能，保证巷道围岩变形均匀，不出现差异性变形，通过与支护体的相互作用，使围岩稳定。

4 工程应用

本文以鹤岗矿区兴安矿深部泵房吸水井系统立体交叉巷道为工程背景，通过上述研究，提出了适合工程实际的设计方案，并进行现场应用。

通过巷道布局优化设计，得出泵房和吸水井等巷道的空间优化布置方式(图11)和锚网索+立体交叉桁架为主体的支护设计方案(图12)。

现场矿压观测结果表明，通过巷道布局优化，且采用合理的配套支护技术，深部立体交叉巷道稳定性大大提高，组合吸水井变形量最大80mm(图13)，支护效果见图14。

图10 立体桁架受力情况示意图

图11 巷道空间布局优化设计图

图12 配套支护设计图

图13 巷道围岩变形曲线

图14 现场支护效果图

5 结论

1)通过对深部立体交叉巷道围岩工程地质特性和变形破坏特征的分析，提出了变形破坏的原因：深部立体交叉巷道处于高地应力场和多巷道开挖扰动形成的应力场的叠加作用，配套支护方式不能够有效限制交叉巷道的变形，使得交叉巷道变形破坏较严重。

2)提出了深部立体交叉巷道稳定性控制的主要对策，即：巷道布局优化，减少应力集中，并采用以锚网索+立体桁架耦合支护为主体的深部立体交叉巷道控制对策。

3)鹤岗矿区兴安矿深部立体交叉巷道现场应用表明，巷道布局优化和配套支护技术改善了围岩应力状态，控制了巷道围岩变形，提高了巷道的稳定性。

[1] 何满潮，孙晓明.中国煤矿软岩巷道工程支护设计与施工指南[M].北京：科学出版社，2004：87-90.

[2] 何满潮，谢和平，彭苏萍，等.深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24(16)：2803-2814.

[3] 何满潮.深部开采工程岩石力学的现状及其展望[C]//第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集.北京:科学出版社，2004：88-94.

[4] 何满潮.深部的概念体系及工程评价指标[J].岩石力学与工程学报，2005，24(16)：2854-2859.

[5] Diering D.H..Mining At Ultra Depths In The 21st Century[J].CIM Bulletin，2000，93：141-145.

[6] Zhibiao Guo，Xiaojie Yang，etc.A study of support strategies in deep soft rock：The horsehead crossing roadway in Daqiang Coal Mine[J].International Journal of Mining Science and Technology，2012，22(5)：665-667.

[7] 王炯，郭志飚，蔡峰，等.深部穿层巷道非对称变形机理及控制对策研究[J].采矿与安全工程学报，2014，31(1)：28-33.

Study on failure mechanism and control measure of deep intersecting roadway

GUO Zhi-biao1，2，ZHANG Yue-lin2，WANG Jiong1，2

(1.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，Beijing 100083，China; 2.Schoolof Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

According to the problem that the deep intersecting roadways damage seriously and are unstable under complex high-stress field，this paper investigates the engineering geological conditions and failure phenomena of the deep intersecting roadway of Xing'an coal mine in Hegang mine，summarizes the main failure reasons based on the results of numerical analysis：high stress and mutual disturbance during excavation of the intersecting roadway，then puts forward the control measures that optimize roadway layout and support as the main of the bolt rope + three-dimensional truss.It is concluded from the results of engineering application that this control measure can control roadway deformation effectively and ensure the stability of the intersecting roadway.

deep；intersecting roadway；failure mechanism；control measure

2014-10-22

TD353

A

1004-4051(2015)03-0150-04