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采动应力作用巷道交岔点稳定性分析及支护优化

2024-07-03 9 上传者：管理员

摘要：深部软岩巷道交岔点稳定性控制是地下开采的难题，采区内巷道交岔点受采动应力作用更易发生变形破坏。针对该问题，依托805工作面下伏西二回风巷道交岔点工程背景进行研究，建立考虑工作面采动集中应力影响的巷道交岔点垂直应力计算式，采用数值计算方法分析不同采动应力集中系数、不同交岔角度下交岔点围岩应力及塑性区分布规律。得知随着采动应力集中系数增大，交岔点岩柱应力集中现象加剧、围岩塑性区发育范围增大、交岔点变形破坏加剧。基于上述分析，提出以全长预应力锚杆+锚索+围岩注浆的综合化主动支护方法。结合矿压监测，优化后支护效果良好。研究结果为类似采动应力影响下的巷道交岔点围岩稳定性控制提供技术参考。

关键词：
巷道交岔点
支护加固设计
深部软岩
矿压监测
采动应力
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当下我国中东部地区浅埋煤层开采接近尾声，地区大部分煤矿逐渐向深部开采，超-800 m深井数量不断增加。在深部地层高地应力、高地温环境作用下岩体发生“脆-延”性转化，巷道围岩易呈现大变形、强流变的软岩特性。采区内巷道受采动应力影响，围岩变形控制难度增大。采动影响下软岩巷道交岔点变形控制问题亟待深入研究。

对于采动应力对工作面周围巷道的影响，许多学者进行了研究，杨仁树分析了弱胶结层状底板受采动影响下非对称马鞍形变形破坏特征。范红伟采用理论及数值计算得出，底板破坏范围随工作面推进不断扩大，采动影响最大深度16 m，应力集中系数3.2。余伟健分析了持续性底鼓的原因及喷层、锚杆与锚索的失效原因。郭宁通过厚坚硬顶板工作面超前应力分布规律研究，得出超前应力影响范围在工作面前方25 m处，交岔点的破坏程度通常受到掘进巷道断面形状及大小、交岔角度、掘进速度等施工工艺影响，其稳定性依次为十字性<T形<L形<Y形。开挖Y形巷道交岔点先贯通主巷再开掘支巷的方式，围岩变形量小于先主、支巷再继续开掘主巷的方式。地层围岩强度、地下水及巷道深度对交岔点稳定性也存在较大影响。

工作面底板巷道交岔点受采动应力影响时往往发生较大变形，影响采区安全高效运行。本文以曲江煤矿805工作面下伏回风系统巷道交岔点为研究背景，通过数值计算分析受采动影响交岔点变形破坏规律，从而进行交岔点支护参数优化设计，结合现场实测，支护效果良好。

1、工程概况

805工作面位于曲江煤矿西二采区，标高-749.25～-765.9 m，开采B4煤层走向40°～60°，倾角12°左右，煤层硬度f=0.6。工作面停采线下伏西二回风巷道，巷道与工作面位置关系、地质条件如图1所示。由图1可以看出，西二回风巷道交岔点位于工作面停采线下方，受采动影响巷道下部巷道变形大，交岔点巷道变形控制尤为重要。

图1 巷道与工作面位置关系、地质柱状

2、采动影响交岔点受力分析

地下工程岩体开挖后由三向应力状态变为二向应力状态是围岩变形失稳的重要原因。因为深部岩体受垂直应力p与水平应力ps作用。

2.1 巷道交岔点受力分析

根据弹性力学分析初次开挖巷道（简化为圆形）围岩应力分布，围岩环向应力

围岩径向应力

其中，垂直应力

p=γH

式中r1———开挖巷道半径，m;

r———围岩任意点处巷道半径，m；

λ———侧压系数；

γ———上覆岩层平均容重，kN/m3;

H———巷道埋深，m;

θ———巷道极坐标角度，(°)。

由式（1）、式（2）可以看出，在围岩中径向应力在围岩表面最小，随半径增大逐渐增长到原岩应力；围岩切向应力随半径增大逐渐减小至原岩应力。当环境应力超过岩体强度后，易发生塑性变形。浅部围岩发生变形的同时，应力峰值在深部围岩转移，逐渐形成新的平衡。巷道开挖后围岩应力场发生变化，当交岔巷道施工时再次产生新的应力重分布。交岔点三角岩柱处为2条巷道共用围岩，该处围岩应力发生叠加，弹性状态下交岔点围岩垂直应力

图2 工作面前方超前应力分布计算图

式中α———交岔点夹角，(°)；

r2———后开挖的巷道半径，m。

可见巷道交岔点岩柱的应力叠加效应明显。

2.2 采动应力作用交岔点受力分析

同样在采煤工作面回采后，开采区域周围出现应力重分布现象。工作面前方形成超前支承压力，在工作面前方煤体顶板和底板范围内形成应力升高区。超前集中应力能引起工作面前方煤层底板岩体的应力状态发生变化，从而对巷道底板的稳定性产生影响。沿工作面走向取任意剖面（见图2），图2中任意点M(y,z)，在y轴上距O点ξ处，取微小长度dξ，将其上所受力d Q=Qdξ，其中，采动工作面超前集中应力Q=(K-1)p，则M点受超前集中应力作用的附加应力：

M点在z方向应力

M点在y方向应力

式中K———工作面超前应力集中系数；

p(ξ)———原岩应力产生的应变；

y,z———水平、垂直方向坐标，m。

综上可见工作面下方交岔点受工作面采动超前集中应力与巷道间的相互扰动共同作用，交岔点处岩柱上覆垂直应力

由式（1）～式（6）可知，交岔点巷道围岩应力状态受巷道赋存深度H、交岔角度θ、巷道断面大小及离工作面距离等因素影响。以曲江煤矿西二采区805工作面为例，由现场矿压观测得出L1=9.5 m,L2=28 m，取应力集中系数K=2.4，西二回风巷位于工作面底板下方32 m处。将以上参数代入式（4）、式（5）中得出，上覆采动应力在交岔点处的应力集中系数为1.5左右。巷道围岩应力集中使得围岩控制难度增大，为进一步研究交岔点围岩稳定性，根据西二回风巷道实际地层情况建立数值计算模型，分析不同应力集中系数条件下巷道交岔点变形破坏情况。此外，由式（3）可知交岔角度是交岔点的重要影响因素，因此考虑模拟相同应力环境下不同交岔角度工况下受力变形情况，为后续采区巷道交岔点设计提供参考。

3、巷道交岔点模型与分析方案

3.1 巷道交岔点计算模型

西二回风巷道围岩为泥岩，岩性较弱。为研究工作面采动对巷道交岔点稳定性影响，采用FLAC3D数值计算软件建立巷道交岔点计算模型与边界条件如图3所示。

图3 巷道交岔点计算模型与边界条件示意图

巷道施工交岔角为30°，模型底部及水平方向为位移边界条件，竖直方向为应力边界条件。

3.2 计算方案

为模拟采动应力影响下巷道交岔点，选取该处原岩应力为基础值，巷道埋深-846.2 m，取垂直应力为21.2 MPa。研究应力集中系数变化（1.0～1.5）产生的交岔点变形破坏。此外，模拟不同交岔角度（30°、45°、60°、75°、90°）下巷道变形破坏规律，深入研究采动应力影响下巷道围岩失稳规律，为后期采区交岔点设计提供参考。

3.3 数值模拟计算结果与分析

(1）采动应力作用交岔点变形破坏规律

穿尖交岔点变形破坏薄弱区为交岔点岩柱，分析不同垂直应力荷载下交岔点围岩稳定性。沿交岔点垂直方向巷道腰线处截取水平剖面，计算不同条件下巷道围岩应力分布情况，如图4所示。

由图4可见，随着交岔点处所受垂直应力不断增大，原岩应力时交岔点岩柱最大垂直应力为90 MPa；随着应力集中系数达到1.3倍、1.5倍的原岩应力时，交岔点岩柱应力增大至140 MPa与180 MPa。在1.0、1.3、1.5倍原岩应力环境下，交岔点岩柱应力集中系数分别为4.07、4.87、5.43。可见，深部软岩巷道交岔点受采动应力影响，巷道交岔点变形破坏会加剧，交岔点围岩稳定大幅度降低。

图4 采动应力作用垂直应力云图（单位：Pa)

此外，沿交岔点掘进方向交岔点（相交7 m处）取竖向剖面，分析不同状态下交岔点围岩塑性区发育范围，如图5所示。

由图5可见，巷道交岔点岩柱受集中应力作用已进入塑性，随着交岔点处所受垂直应力不断增大，巷道围岩塑性区发育范围不断增大。原岩应力状态时巷道围岩的塑性区最大发育范围1.5 m，随着垂直应力集中系数达到1.3倍、1.5倍时，交岔点围岩塑性区发育范围分别扩大至2.5、3.5 m。围岩塑性区扩大对围岩稳定性带来巨大隐患，围岩支护结构的有效性大大减弱。可见，随着工作面采动应力作用，停采线下方巷道交岔点围岩需要加强支护。

(2）采动影响下不同角度交岔点变形破坏规律

上述研究表明巷道交岔点因受力复杂，受采动应力作用后存在变形失稳隐患。实际施工存在不同交岔角度巷道交岔点，其围岩稳定性需要进一步研究。不同角度下采动应力作用垂直应力云图如图6所示。

图5 采动应力作用围岩塑性区发育图

图6 采动应力作用垂直应力云图（单位：Pa)

由图6可知，相同围岩应力环境下，随着巷道交岔点交岔角度不断增大，巷道交岔点围岩应力集中现象减弱。原岩应力环境下，巷道交岔点60°、75°、90°时交岔点岩柱最大应力分别为80、75、70 MPa。随着交岔点岩柱宽度不断增大，岩柱应力分布更加均匀，交岔点围岩稳定性增大。

沿交岔点掘进方向交岔点（相交3.5 m处）取竖向剖面，分析不同状态下交岔点围岩塑性区发育范围，如图7所示。

图7 采动应力作用围岩塑性区发育图

由图7可知，随着巷道交岔点角度不断增大，围岩塑性区发育范围不断减小。当交岔角度为30°时，围岩塑性区发育在两巷肩窝上方，存在顶板破坏可能性；当交岔角度变为45°、60°、75°时，交岔点围岩塑性区发育范围减小，主要集中在交岔处顶板与底板。当交岔角度为90°时，交岔点主巷道（距交角3.5 m处）围岩变形破坏基本不受支巷道开挖影响，交岔点巷道围岩稳定性大幅增强。

4、采动应力影响下交岔点支护参数优化

理论分析与数值计算表明，交岔点巷道围岩变形受其几何尺寸影响（如巷道宽度w2、高度h受巷道的实际使用功能限制基本固定），交岔角度θ在巷道布置允许范围内应取大值；顶板与岩柱的弹性模量E、刚度I，顶板上覆荷载p受地层赋存条件限制。但顶板及岩柱的强度可通过后期支护加固技术增强。由于工作面采动影响交岔点顶板上覆荷载发生叠加效应，交岔点稳定性需要加强。

分析西二回风巷道交岔点变形，应采取锚固支护+注浆联合支护技术进行巷道修复。针对交岔点薄弱点的三角区岩柱进行增强支护，均采用全长预应力锚杆配合高强锚索支护。根据采动应力影响下的围岩塑性区发育情况，锚杆选用HRB400型φ22 mm×2 800 mm，间排距700 mm×700 mm，配合1根2860+2个2560型树脂锚固剂实现全长锚固；锚索选用φ21.8 mm×7 600 mm配合2根2860型锚固剂，间排距1 500 mm×700 mm。并采用表面挂网喷浆进行加固，其中喷浆厚度100 mm，喷层强度为C20。

此外，采用注水泥浆方法进行软弱破碎围岩增强。围岩的深浅孔注浆，其中深孔6 m、浅孔2.5 m，采用花管注浆，浆液选用P42.5普通硅酸盐水泥浆。交岔点岩柱采用对穿锚索加固，两侧锚索间采用14#U型钢梁连接，钢梁长1 000 mm。具体支护设计如图8所示。考虑工作面走向采动超前影响范围，交岔点围岩加固工作在回采工作面距停采线100 m之前，交岔点加固完毕。为验证回风巷交岔点加固效果，在交岔点60 m范围内设置3处围岩变形及岩柱锚杆(索)应力监测点。

图8 交岔点巷设计支护图

工作面回采100 m至停采线后30 d的监测数据表明，交岔点处围岩顶底板移近量231 mm，两帮移近量为163 mm。交岔点岩柱最大锚杆轴力154 kN、对穿锚索轴力121 kN。巷道交岔点围岩总体变形量小，当底板发生小幅度底鼓后进行局部卧底。加强后的交岔点围岩具有较强稳定性，设计支护方案安全有效。

5、结语

(1）基于弹性力学分析交岔点围岩受力状态，结合工作面底板巷道采动应力分布规律，建立受采动应力作用巷道交岔点三角岩柱垂直应力计算式，并计算西二回风巷受工作面采动应力集中系数约为1.5。

(2）分析西二回风巷交岔点受采动应力影响时，随着采动应力集中系数增加，交岔点岩柱应力集中系数加速增长，交岔点围岩塑性区发育范围增大，围岩稳定性骤减。此外，模拟相同围岩应力作用下不同角度交岔点，得出随着交岔角度大于60°时，交岔点稳定性大幅增强。

(3）结合曲江煤矿具体工程实例，提出西二回风巷交岔点围岩支护优化设计参数，以全长预应力锚杆+锚索+围岩注浆的综合化主动支护方法进行围岩加固。通过矿压监测反馈优化支护参数科学有效。

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基金资助:江西省地质环境与地下空间工程研究中心开放基金资助项目(JXDHJJ2021-008); 安徽理工大学引进人才基金(13210028);安徽理工大学校级重点项目(xjzd2020-17); 安徽高校自然科学研究项目(2022AH050814); 淮南市科技计划项目(2021071); 国家自然科学基金项目(51964002;52264003;52174104); 江西省“双千计划”支持项目(DHSQT22021002);

文章来源:刘小虎,查文华,姚直书,等.采动应力作用巷道交岔点稳定性分析及支护优化[J].煤炭技术,2024,43(07):14-19.