长平煤矿交错巷道围岩破坏特性分析

程书畅

(山西长平煤业有限责任公司, 山西 晋城 048000)

巷道围岩控制技术是实现煤矿安全开采的重要保障，依据巷道所处位置的地质条件进行支护决策设计。受自然因素和工程条件限制，巷道多埋藏于复杂结构的岩层条件下，控制围岩相对困难，尤其错综复杂的巷道群、多巷道间围岩控制较为复杂，单纯依靠平时的工程类比无法保持巷道围岩稳定，致使巷道频繁翻修，影响生产[1-2].结合长平煤矿五盘区上部运输巷以及下部回风巷道之间的围岩体条件，对交错巷道围岩稳定性提出支护设计，并确定支护参数。

1 交错巷道工程概况

该矿4303工作面位于东二小采区，主采3#煤层，其厚度约5.48 m，煤层平均倾角为16°，属于缓斜煤层。在4303运输巷道掘进并与进风巷道贯通的过程中，其下部已经存在一条专用回风巷道。运输巷道与回风巷道的空间位置关系示意图见图1，两巷道之间的岩柱最薄弱处约为3 m，且在水平方向上的投影交角为57°.

图1 空间位置关系示意图

2 巷道稳定性影响因素判断

交错巷道因受邻近巷道的应力重分布影响，巷道围岩承载结构与邻近巷道空间位置关联紧密，常常表现出大变形、巷道底鼓，变形难控制等特点。受下段巷道开挖扰动影响，上部运输巷道会在巷道交错位置附近发生不均匀沉降变形，加之交错巷道巷间的围岩体在开挖扰动影响范围内，应力重分布后的最大主应力较初始地应力增加明显，应力集中相对剧烈。因此，开挖卸荷导致了交错巷道之间巷间围岩的不均匀变形，重分布作用导致围岩松动，使得岩体产生拉伸破坏以及错动剪切变形，从而降低围岩稳定性，引发灾害[6].

3 交错巷道的数值模拟分析

3.1 FLAC3D模型建立

3.1.1模型构建

采用FLAC3D数值计算软件进行模型构建，为了接近工程实际及便于分析，对4303运输巷道与回风巷道的空间交错位置的模型进行简化。上下两巷道在水平面上的投影交角为57°，且两巷之间的最薄弱处围岩体厚度约为3 m，上方4303运输巷道为矩形巷道，下方专用回风巷道为半圆直墙拱巷道，模型长(X)60 m，宽(Y)72 m，高(Z)60 m，一共划分为108 360单元，4个侧向设为水平应力边界，垂直应力边界为顶边界，垂直位移边界则为底边界。

3.1.2边界条件

对所建立模型的垂直方向附加重力场，两侧则附加水平应力梯度场，边界上顶部设应力边界，侧向施加水平约束，底部进行垂直方向固定，巷道埋深约为-520 m，所对应上覆岩层的围岩压力载荷约为13 MPa，由此设置模型边界条件。

3.1.3力学模型

根据岩石取样和力学测试，模拟采用Mohr-Coulomb准则判断岩体的破坏：

(1)

式中：

σ1、σ3—最大主应力和最小主应力,MPa；

c—内聚力,MPa;

φ—内摩擦角,(°).

当fs>0时，材料剪切破坏。而在通常应力状态下，岩体的抗拉强度较低，一般用抗拉强度准则(ft>0)判断岩体是否产生拉破坏。

3.1.4模拟围岩的力学参数

根据地质调查和岩石力学试验结果，得出煤与岩石的力学参数，见表1.

表1 煤与岩石的力学参数表

3.2 巷道交错条件下的胶带机巷围岩稳定性分析

在专用回风巷道开挖引起围岩应力重分布的条件下，开挖运输巷形成了两巷道围岩应力的二次重分布。巷道交错位置附近垂直应力分布特征见图2.围岩垂直应力受巷道开挖影响而向两帮转移，但相比于运输巷未开挖，专用回风巷道的上部垂直应力载荷受运输巷开挖影响而发生“局部”变化，巷道交错位置围岩垂直应力集中峰值明显降低，由21.4 MPa降为18.9 MPa，而巷道交错位置附近围岩体应力集中峰值略有增加，由21.4 MPa增加为21.8 MPa.说明运输巷开挖使得垂直应力转移至两帮，做为垂直应力重要承载结构的巷道两帮又将应力传递给了巷道交错位置附近围岩体，致使巷道交错位置附近围岩体应力集中峰值略有增加。

图2 围岩垂直应力分布特征图

围岩水平应力分布特征见图3.回风巷道水平应力(X方向)普遍是16～17.8 MPa，但在巷道交错位置的围岩水平应力(X方向)集中峰值有所增加，达19.2 MPa，说明在巷道交错位置的围岩受到了来自两侧的沿运输巷断面侧向水平应力的挤压作用，这种挤压状态类似对巷道交错位置的围岩做“单轴挤压”作用，而这种单轴压力作用不利于巷道围岩体自身承载能力的发挥。因此,给予巷道交错位置的围岩以合理的侧向应力提高围岩“单轴抗压”的承载能力，使围岩不至于破碎失稳，是保证交错巷道稳定的关键影响因素之一。

图3 围岩水平应力分布特征图

围岩轴向应力分布特征见图4.回风巷道顶板围岩存在近18 MPa的围岩轴向应力(Y方向)集中，但在巷道交错条件下的运输巷开挖影响下，在巷道交错位置(Y方向)两端围岩轴向应力集中略有增加，达18.4 MPa.从围岩应力分布总体来看，围岩轴向应力(Y方向)集中峰值变化不明显，但围岩水平应力(X方向)集中峰值有所增加，增加量达2～3 MPa.与此同时，在巷道交错位置的围岩垂直应力受上下两巷道的开挖而得以释放，这造成了巷道交错位置围岩三向受力状态转变为二向受力状态，不利于巷道围岩体的自身承载能力的发挥和交错巷道的围岩稳定。维护并提高三向应力作用状态来抵抗水平力作用，是保证交错巷道稳定的力学关键因素。

图4 围岩轴向应力分布特征图

分析在两巷道中部位置的顶底板变形发现，在巷道交错位置围岩中部，顶板相对该位置以外的围岩下沉量略有增加，底板底鼓相对该位置以外围岩鼓起量有所降低，说明巷道交错位置的围岩存在整体下沉的特征，相对下沉量达2～3 cm，对于下方巷道顶板来说则存在着拉应力破坏，但下部巷道顶板呈半圆拱形状，有利于下部巷道顶板围岩的稳定性防护。围岩垂直位移分布特征见图5.

图5 围岩垂直位移分布特征图

巷道交错条件下开挖运输巷，引起了下方回风巷道的两帮位移量增加，从围岩水平运移分布特征(图6)可以看出，巷道交错条件下的巷间围岩左右的帮角部位存在显著的X方向水平位移且呈挤压态势，挤压X方向水平变形量达2.6 cm，这也说明了巷道交错条件下的巷间围岩受到X方向水平应力挤压作用明显。

图6 围岩水平位移分布特征图

从围岩轴向位移特征(图7)可以看出，Y方向的轴向应力作用对上方运输巷围岩的影响不大，但Y方向的轴向应力却近似是下方回风巷道的断面侧向水平应力，进而引起下方回风巷道的围岩沿断面侧向水平应力方向变形，同样巷道在交错条件下的巷间围岩在其前后两侧的端部存在显著的Y方向轴向位移且呈挤压态势，挤压Y方向水平变形量达2.4 cm.整体来看巷间围岩受力变形分析，巷道在交错条件下的巷间围岩出现侧向受水平应力挤压变形，垂直方向受力最小但下沉变形的“板梁凹陷”变形特征，即巷道交错条件下的巷间围岩呈现中部受力比周围的作用力小而造成周围高中间低的局部变化特征。

图7 围岩轴向位移分布特征图

分析巷道在交错条件下围岩最大主应力分布特征(图8)，交错巷道的巷道间围岩体是上方巷道的底板，同时也是上方巷道帮部围岩的应力传递的承载结构；从运输巷围岩最大主应力分布特征来看，应力传递分布于下方巷道帮底角部位显著，说明既要维护交错巷道的巷道间围岩体的承载能力，还需要加强下方巷道帮部围岩的承载能力，这也是更有利于实现交错巷道的巷道间围岩体整体稳定的关键因素之一。

图8 围岩塑性破坏分布特征图

4 交错巷道围岩控制建议

在专用回风巷道开挖引起围岩应力重分布的条件下，开挖4303运输巷形成了两巷道围岩应力的再次重分布，对下方巷道顶板来说则存在拉应力破坏。通常底板为巷道支护中薄弱部分,当顶板和帮部压力变化，压力传递作用引起底板局部应力集中，导致剪切滑移。伴随着底板塑性区范围不断扩大，围岩松动破碎加剧，导致底鼓发生，顶板及其帮部围岩不稳定，最后巷道整体失稳。

建议在4303运输巷底板位置采用锚杆支护+注浆的方法加固围岩。通常采用普通水泥双液注浆，浆液加强围岩薄弱位置的黏结，提高围岩整体稳定性。

对4303运输巷帮及顶板采用锚杆+锚索+钢筋梯子梁支护方式。用螺纹钢锚杆与钢筋梯子梁耦合形成的支护结构，可以发挥顶板围岩的自承能力，而且使得附加的支护应力传递给围岩，可改善围岩体的受力状态，有利于巷道的稳定。

5 结 论

通过数值模拟分析交错巷道围岩体应力重分布特征、巷间围岩体变形破坏规律，揭示交错巷道围岩承载结构失稳的关键部位与影响因素。分析认为，开掘上方4303运输巷引起水平应力集中与下方回风巷断面侧向水平应力叠加，加剧巷道矿压显现，导致两条巷道围岩塑性破坏向深部扩展，在交错位置上下之间的围岩内发生破坏裂隙相互贯通。