交岔巷道围岩破坏失稳特征及支护技术分析

姜 波，祝延军

（1.内蒙古科技大学，内蒙古 包头 014010；2.北方魏家峁煤电有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 010308；3.北京天地华泰矿业管理股份有限公司，北京100013）

0 引言

煤矿井下开采需要布置错综复杂的煤岩巷道，其中交岔布置的巷道形式尤为普遍，但因其自身空间布置特征而形成面积较大的裸露顶板，不利于承载稳定的巷帮受力状态，致使其存在较为严重的顶板冒顶失稳和巷帮片帮失稳隐患，严重制约了矿井的安全高效生产。众多学者针对复杂空间交岔巷道围岩失稳问题的研究已取得诸多研究成果，为满足井工煤矿的生产运输、辅助运输、安全通风等方面做出巨大贡献[1-15]。随着我国煤炭资源开采不断向地下深部进发，同时为追求更大的资源开采效率，井工煤矿的巷道工程量越来越大，煤岩层内布置交岔巷道的工程情况越来越多，但交岔巷道围岩受力情况复杂，相对单一的巷道布置情况较为严重，如交岔巷道拐角（三角区） 破坏严重，顶板冒落失稳高度较大，复杂空间交岔巷道支护的控制难度较高，交岔点位大断面悬空顶板支护稳定性弱等诸多问题。因此，如何实现井工煤矿交岔巷道的支护稳定，满足井巷工程快速掘进的生产建设要求，仍待进一步研究和解决。

1 概况

五家沟煤矿主采5-1 号煤层，煤层厚度平均为7.68 m，总体倾向为NW 单斜构造，煤（岩） 层倾向N45°W～S60°W，倾角1°～4°，平均2.5°；布置15109 工作面对其进行资源回采，设计在停采线前端位置布置15109 辅运联络巷和行人斜巷，三者呈交岔巷道布置。15109 辅运巷道是服务于15109 工作面辅助运输的重要回采巷道，15109 辅运联络巷与15109 工作面辅助运输呈直角交岔布置，行人斜巷则与15109 工作面辅助运输巷呈42°锐角交岔布置，该交岔巷道区域承担辅助运输、行人、通风与安全等重要职能，一旦出现巷道失稳问题将导致辅助运输、行人、通风等安全堵塞，进而对工作面的安全回采造成影响，对整个矿井构成局部安全隐患。

2 交岔巷道受力变形及破坏失稳特征分析

如图1 所示，交岔位置附近各个巷道顶板部位的最大主应力基本在6.0 ～6.6 MPa，但在小角度巷帮部位则形成9.0 ～9.7 MPa 的最大主应力集中（是单一巷道围岩的围岩应力集中的1.5 倍，是所处地层原岩应力的2.3 倍）；如图2 所示，交岔位置的顶板围岩呈现0.55 MPa 最小主应力分布特征，在交岔位置的巷道部位则呈现-0.15 ～0.75 MPa 的最小主应力分布特征。交岔巷道位置附近围岩的最大、最小主应力差异程度明显高于单一巷道围岩主应力分布情况，而较大的主应力分布差异说明交岔巷道位置附近围岩的受力状态尤为剧烈，变形破为严重，在顶板中部围岩受到二向水平应力的叠加影响，导致该部位的围岩受力破坏加剧，形成较为严重的冒落失稳隐患。

图1 交岔巷道围岩最大主应力分布特征Fig.1 Distribution characteristics of maximum principal stress in surrounding rock of intersection roadway

图2 交岔巷道围岩最小主应力分布特征Fig.2 Distribution characteristics of minimum principal stress in surrounding rock of intersection roadway

交岔巷道围岩位移分布特征如图3 所示。

如图3 所示，交岔巷道位置的顶板围岩沉降相对明显，交岔巷道位置的顶板围岩位移最大值达522 mm，是交岔位置远处顶板围岩沉降的1.7 倍；同时交岔位置附近的巷帮围岩受到围岩应力集中的叠加作用而发生严重变形，交岔巷道位置的三角区巷帮围岩挤压变形最大值达748 mm，是交岔位置远处的巷帮围岩挤压变形的1.85 倍。从巷道围岩的变形分布特征来看，交岔巷道顶板围及其附近巷帮围岩受力变形尤为明显，需要重视此位置的巷道顶板围岩及其附近巷帮围岩补强支护，避免形成严重的交岔巷道局部冒顶隐患。

图3 交岔巷道围岩位移分布特征Fig.3 Distribution characteristics of displacement in surrounding rock of intersection roadway

从交岔巷道围岩的受力破坏特征来看，在交岔巷道位置的顶板及其附近巷帮部位形成高于单一巷道情况的围岩受力破坏，如图4 所示，数值模拟显示，在交岔巷道位置的顶板形成4 ～8 m 高度围岩破坏，在交岔巷道位置附近巷帮部位形成4 ～8 m深度围岩破坏，此时从交岔巷道围岩应力叠加环境下围岩破坏深度分析可知，交岔巷道围岩受力加剧破坏的影响范围基本在距离巷帮深度4 ～8 m，在进行交岔巷道围岩的补强支护时，需要将交岔巷道附近4 ～8 m 视为重点支护区域，进而实现对交岔巷道剧烈围岩破坏失稳的控制。

图4 交岔巷道围岩受力破坏分布特征Fig.4 Distribution characteristics of surrounding rock failure of intersection roadway

3 交岔巷道围岩控制途径及技术方案分析

面对交岔巷道围岩受力破坏及其冒落失稳问题，本文结合目前巷道围岩控制技术[1-15]，在交岔巷道围岩受力变形及其破坏失稳特征分析基础上，提出交岔巷道围岩稳定性的控制途径。

（1） 交岔巷道布置导致巷道空间相对较大，顶板悬空面积大，存在更为严重的失稳隐患，加之交岔巷道空间使用需求而不能实施单体柱被动支护，因此这一情况应采取高强度锚索悬吊方式，减小顶板弯曲变形幅度。

（2） 交岔巷道布置情况，交岔点的巷道帮部围岩承受来自顶板地压作用，致使交岔巷道的巷帮围岩破坏程度相对严重，造成顶板失稳跨落和失稳规模增加，故采取围岩注浆、锚网索补强支护等有效技术手段进行巷帮维护和补强。

（3） 交岔巷道水平方位夹角越小则巷道围岩破坏越严重，因此支护设计中应当尽量避免小角度方位夹角的出现，尽可能选择垂直交岔布置方式。

（4） 影响巷道围岩受力破坏的关键是巷道围岩本身，巷道围岩的力学条件越好，则围岩的承载条件越好，交岔巷道的巷帮围岩破坏深度越小，采取围岩注浆胶结的技术手段对巷道围岩的内聚力和层间摩擦系数等物理力学条件进行改善，可减小交岔巷道的巷帮围岩破坏程度。

根据所提出的交岔巷道围岩稳定性的控制途径，同时结合现场交岔巷道围岩条件，提出交岔巷道顶板围岩锚索锚固悬吊及巷帮围岩锚索锚固的主动支护方式。根据地质说明书提供的顶板围岩性质，利用附近钻孔和探孔矿压观测资料及施工现场的实际情况，设计15109 辅运交岔巷道围岩稳定控制支护技术方案，确定锚杆+双层金属网+钢带+锚索的主动支护形式，如图5 所示。

图5 交岔巷道支护技术方案Fig.5 Support technology scheme of intersection roadway

（1） 顶板围岩选用φ20 mm×2400 mm 左旋螺纹钢锚杆，间排距950 mm×950 mm，每排6根，配合125 mm×125 mm×10 mm 拱形高强度托盘；每根顶锚杆使用1 根双速2395 树脂锚固剂，每根帮锚杆使用1 根K2360 树脂锚固剂，扭矩不低于120 N·m。

（2） 帮锚杆选用φ18 mm×2000 mm 的左旋螺纹钢锚杆，每帮每排3 根，间排距均为950 mm×950 mm，配合125 mm×125 mm×10 mm 拱形高强度托盘；每根顶锚杆使用1 根双速2395 树脂锚固剂，每根帮锚杆使用1 根K2360 树脂锚固剂，扭矩不低于120 N·m。

（3） 顶板锚索选用φ17.8 mm 钢绞线，每排4 根，间排距1000 mm×950 mm，配250 mm×250 mm×16 mm 的钢托盘，锚索长度≥9600 mm（实际锚索长度根据顶煤厚度而定），且锚固长度不低于2.0 m；每根锚索使用1 根K2360 和双速2395树脂锚固剂，外露长度150～250 mm。

（4） 巷帮锚索选用φ17.8 mm 钢绞线，2 排且间排距1000 mm×950 mm，配250 mm×250 mm×16 mm 的钢托盘，巷帮短锚索根据实际巷帮三角区尺寸确定，巷帮长锚索长度≥9600 mm 且锚固长度不低于2.0 m；每根锚索使用1 根K2360和双速2395 树脂锚固剂，外露长度150～250 mm。

（5） 顶板及巷帮网片采用8 号铁丝编制的菱形金属网，且双层布置，金属网规格：长5800 mm、宽1200 mm，网孔均为80 mm×80 mm，网与网压茬宽度200 mm，使用16 号铁丝双股双排连接，连接间距不大于200 mm，顶、帮网要连接严密，扎结点的扎丝头不准漏出网的外平面，并且方向一致。

（6） 钢筋钢带采用φ12 mm 的圆钢焊制，孔距950 mm，长4800 mm、宽70 mm，锚杆全部打在钢筋钢带梁上。

4 交错巷道支护控制效果评价

（1） 交岔巷道锚杆索主动支护围岩控制效果模拟评价。

支护条件下交岔巷道围岩破坏特征如图6 所示。

图6 支护条件下交岔巷道围岩破坏特征Fig.6 Failure characteristics of surrounding rock of intersection roadway under supporting conditions

如图6 所示，在所提出的锚杆索主动支护方案作用下，交岔点及其附近位置的顶板围岩破坏范围为4 ～6.5 m，相对于无支护条件的破坏范围5 ～8 m有所减小，支护结构改善了巷道围岩的受力状态，降低了围岩的破坏程度，提高了交岔巷道顶板围岩承载稳定性。数值模拟分析认为，在顶板锚网支护基础上，加之锚索锚固悬吊作用，交岔巷道大面积悬空顶板得以有效支承，在一定程度上对顶板变形失稳实现减跨和抑制作用，降低了交岔巷道顶板围岩的破坏程度，同时改善了顶板支承压力对巷帮围岩造成的承载负担。

交岔巷道围岩的顶板位移分布特征如图7 所示，交岔点位置的顶板围岩下沉变形相对明显，交岔巷道的顶板围岩最大变形量达212 mm，其他位置的顶板围岩变形基本在60 ～120 mm，相对无支护条件下顶板围岩最大变形量497 mm，减小了285 mm，交岔巷道顶板围岩在锚杆索主动支护作用下的承载变形得以控制，顶板围岩最大下沉量小于300 mm，所提出的锚杆索主动支护方案有助于对巷道围岩稳定控制。

图7 支护条件下交岔巷道围岩垂直位移分布特征Fig.7 Distribution characteristics of surrounding rock vertical displacement of intersection roadway under supporting conditions

如图8 所示，交岔点位置的巷道围岩水平（X方向） 移近变形最大达167 mm，其中围岩变形最大位置位于交岔巷道的小角度巷帮围岩位置，相比于无支护条件下的交岔点位置的巷道围岩水平（X方向） 移近变形646 mm 有明显改善；如图9 所示，巷道围岩水平（Y 方向） 移近变形达126 mm，相比于无支护条件下交岔点位置的巷道围岩水平（Y 方向） 移近变形678 mm，同样有明显改善；数值模拟结果表明，在锚杆索主动支护条件下，巷帮锚索补强加固在一定程度上提高了围岩的抗挤压变形能力，避免巷帮剧烈变形破坏造成顶板跨度增加，矿压显现加剧的失稳影响。

图8 支护条件下交岔巷道围岩水平位移分布特征（X 方向）Fig.8 Distribution characteristics of surrounding rock horizontal displacement of intersection roadway under supporting conditions(X-direction)

图9 支护条件下交岔巷道围岩水平位移分布特征（Y 方向）Fig.9 Distribution characteristics of surroundingrock horizontal displacement of intersection roadway under supporting conditions s(Y-direction)

（2） 现场工业实践交岔巷道围岩变形监测反馈评价。

如图10 所示，通过对交岔点中部顶板离层仪的观测显示，交岔点中部顶板在1～7 d 变形明显，浅基点在20 d 后基本趋稳，最终交岔点中部顶板离层仪浅基点离层量在150 mm，而深基点则在在45 d 后基本趋稳，交岔点中部顶板离层仪浅基点离层量在150 mm，交岔点中部顶板离层仪深基点离层量在253 mm，交岔点中部顶板最终变形量在253 mm，此后顶板支护控制稳定。

图10 交岔点中部顶板离层监测Fig.10 Monitoring of roof separation at middle intersection

如图11 ～图12 所示，根据交岔点前方和后方的巷道表面围岩监测来看，在巷道掘进完成后的15 d 里，巷道围岩变形始终处于不稳定状态，其中小角度巷帮位置的围岩变形尤为明显，其次是顶板受到巷帮围岩的破坏变形影响，致使发生弯曲变形；从获取的交岔点前方巷道表面围岩监测结果来看，当前支护状态下，交岔点前方巷道表面围岩在45 d 左右基本趋稳，其中顶板锚索悬吊作用使顶板表面围岩变形量达210 mm，小角度巷帮位置通过实施穿锚索加固，控制围岩变形在175 mm，另一侧直角度巷帮位置通过锚索锚固补强支护，将围岩变形控制在125 mm；交岔点后方巷道表面围岩在35 d 左右基本趋稳，其中顶板锚索悬吊作用使顶板表面围岩变形量达150 mm，大角度巷帮位置通过实施锚索加固控制围岩变形在110 mm，另一侧直角度巷帮位置通过锚索锚固补强支护，将围岩变形控制在120 mm，巷道变形程度小。当前交岔巷道围岩控制效果满足该交岔巷道安全生产要求。

图11 交岔点前方巷道表面围岩监测Fig.11 Monitoring of surrounding rock surface in front of intersection

图12 交岔点后方巷道表面围岩监测Fig.12 Monitoring of surrounding rock surface behind the intersection

5 结 论

（1） 交岔巷道围岩破坏失稳剧烈的原因在于交岔巷道布置导致巷道空间相对较大，顶板悬空面积大，存在更为严重的失稳隐患，交岔点的巷道帮部围岩承受来自顶板地压作用负担尤为严重，致使交岔巷道的巷帮围岩破坏程度较为严重，造成顶板失稳跨落和失稳规模增加，应做好对交岔位置的巷道顶板围岩及其附近巷帮围岩补强支护，避免形成严重的交岔巷道局部冒顶隐患。

（2） 交岔巷道因空间使用需求不能实施单体柱被动支护，采取高强度锚索悬吊方式，减小顶板弯曲变形幅度是最为有效的技术途径。

（3） 提出交岔巷道顶板围岩锚索锚固悬吊及巷帮围岩锚索锚固的主动支护方式，确定锚杆+双层金属网+钢带+锚索的主动支护方案，通过对现场15109 辅运交岔巷道围岩变形监测反馈，所提支护技术方案控制效果良好且满足安全生产要求。