新掘主運大巷斜交穿越昌平運料巷綜合掘進與支護技術研究

楊伯達，李文亮，付文剛，趙維生，馮 偉

(1.中煤集團山西金海洋能源有限公司，山西 朔州 036000；

巷道交岔點是指礦井中巷道交會或分岔處的一段巷道，該處因受兩條或多條相交巷道的影響，圍巖松軟破碎，巷道跨度和頂板懸露面積大，加上交岔點附近巷道圍巖應力變化的疊加影響，使交岔點處圍巖應力復雜[1-4]。同時交岔點的穩定控制也受多種變形力學機制的影響，具有大變形、大地應力、支護難等特點[5-8]。對于立體交岔工程，由于其斷面大、開挖擾動大，使得現場施工過程中施工難度很大。本文以新掘主運大巷斜交穿越昌平運料巷工程為背景，對大斷面立體斜交岔點穩定性進行了研究。

五家溝煤業在礦井擴建時，新掘主運大巷將與原昌平運料巷產生立體斜交叉(圖1)。昌平運料巷，設計為矩形斷面，凈斷面寬×高約為5000mm×3800mm，采用錨網噴支護。新掘主運大巷沿昌平運料巷底板掘進斜交穿越，設計為矩形斷面，凈斷面寬×高約為5200mm×3500mm，采用錨網索噴支護。新掘主運大巷沿5-1煤頂板布置，該段煤層厚度平均為9.09m，巷道埋深約為204m。

圖1 主運大巷與原運料巷位置關系

1 主運大巷掘進過程中圍巖塑性區形成過程的數值模擬研究

不同強度折減系數條件下，主運大巷開挖后的圍巖塑性區云圖如下圖所示。對在不同強度折減系數條件下的主運大巷開挖形成的圍巖塑性區數值模擬結果進行素描匯總，如圖2所示，圍巖塑性區范圍具體數值，如表1所示。

圖2 開挖原主斜井與主運大巷后的塑性區素描(單位：m)

利用ABAQUS有限元數值模擬軟件，實現了在主運大巷開挖后未施加支護基礎上，利用分步開挖模擬得到了主運大巷斜交穿越昌平運料巷掘進施工過程中的圍巖塑性區分布范圍，以及主運大巷開挖對上層昌平運料巷的擾動范圍，為昌平運料巷的預加固技術、主運大巷斜交穿越昌平運料巷掘進與支護技術及支護參數的合理選取提供依據。

2 支護方案

2.1 交岔點附近錨網索噴支護方案

在交岔區域邊界沿兩條巷道軸向各側10m范圍內為重點加固區域，采用錨網索噴支護結構。錨桿采用高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規格為φ20mm×2500mm。預應力錨索采用1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線制作，直徑為φ18.9mm，長度為7000mm，孔徑為φ30mm；錨桿(索)間排距為800mm×800mm。當完成全斷面錨桿和錨索的安裝后，進行全斷面噴漿，以封閉巷道圍巖及形成對錨桿和錨索的保護。噴射混凝土強度等級C30，厚度200mm，支護結構圖如圖3所示。

表1 主運大巷開挖后的圍巖塑性區的變化范圍

圖3 交岔點附近錨網索噴支護結構(單位：mm)

2.2 交岔點區域支護方案

主運大巷斜交穿越昌平運料巷區段掘進與支護難度較大，主要采用工字鋼支架和鋼筋混凝土進行支護。工字鋼支架選用16#工字鋼，棚距750mm；每根棚腿采用4根錨桿與巷幫固定，在錨桿安裝位置預留φ22mm的錨桿穿孔；在架設工字型鋼支架時，架后鋪設由φ6.5mm鋼筋焊接而成的鋼筋網，并初噴50mm厚混凝土作支架背板；然后在此基礎上澆灌鋼筋混凝土，各部位配筋量根據受力和結構要求進行調整，澆灌混凝土中面層鋼筋均采用φ20mm螺紋鋼，按@200mm×200mm布置，然后整體澆灌C40混凝土，保證鋼筋保護層混凝土厚度不小于40mm，頂板工字鋼和鋼筋混凝土支護層總厚度為500mm，兩幫處支護總厚度為400mm，如圖4所示。

圖4 交岔點區域支護結構(單位：mm)

先將昌平運料巷原底板混凝土等進行拆除，然后將底板清理干凈。底板要進行擴底處理，向巷道四周都擴大500mm，開挖深度距底板標高為340mm，如圖5所示。擴底完成后在擴底處開挖溝槽，在槽中安設16#工字鋼和現澆混凝土形成型鋼。在型鋼混凝土基礎完成后，在其上部安設中間層型鋼梁，在中間層型鋼梁上方安設頂層型鋼梁，在安設前在工字鋼梁翼緣上預先打孔，將中間層型鋼梁和頂層型鋼梁用螺栓連接，要保證兩層型鋼梁的平穩搭接。

在頂層型鋼梁上方鋪設上層鋼板，鋼板采用花紋鋼板。鋪設上層鋼板要布滿整個巷道，并且上層鋼板鋪設后保證鋼板頂部與昌平運料巷底板相平。型鋼與鋼板布置圖，如圖6所示。

3 現場監測與效果分析

表面位移變化情況時巷道穩定的直接表現，巷道開挖后，圍巖不可避免的會產生形變，這些形變是多方位和動態的。為保證主運大巷掘進期間昌平運料巷的基本穩定，掘進期間對昌平運料巷及主運大巷進行了表面位移監測。

圖5 昌平運料巷底板型鋼混凝土布置(單位：mm)

圖6 型鋼與鋼板布置

1)為保證主運大巷掘進期間昌平運料巷的基本穩定，掘進期間對昌平運料巷進行了表面位移監測。3個監測斷面圍巖表面收斂位移與時間關系如圖7所示。

圖7 圍巖表面收斂位移與時間關系曲線

由圖7分析可知，3個監測斷面的圍巖表面收斂位移均呈現“頂底板移近量大于兩幫收斂值”的分布規律。底臌是造成巷道失穩破壞的重要因素，由于巷道底板所處的部位特殊，工作面裝巖出矸和材料運輸使得底板支護加固滯后于兩幫和頂拱數十米，而且幫頂常用的支護加固方法難以在底板支護加固中實現，導致底板暴露時間長，支護加固強度低，底板應力由于高度集中而發生強烈的剪切滑移，宏觀上表現即出現劇烈的底臌變形。

巷道變形經過一段時間調整期之后達到穩定狀態，應變速率在1.0mm/d以下，總體變形在控制范圍內。其中A1斷面頂底板移近量達到61.03mm，水平收斂位移最大達到52.25mm；A2斷面頂底板移近量達到64.78mm，水平收斂位移最大達到50.23mm；A3區段斷面頂底板移近量達到54.87mm，水平收斂位移最大達到47.68mm。

2)為保證5201綜放工作面回撤期間主運大巷支護結構的穩定和運輸安全，對主運大巷的表面位移進行了監測。3個監測斷面圍巖表面收斂位移與時間關系如圖8所示。

圖8 圍巖表面收斂位移與時間關系曲線

由圖8分析可知，3個監測斷面的圍巖表面收斂位移均呈現“頂底板移近量大于兩幫收斂值”的分布規律。巷道變形經過一段時間調整期之后達到穩定狀態，應變速率在1.00mm/d以下，總體變形在控制范圍內。其中B1斷面頂底板移近量達到63.02mm，水平收斂位移最大達到55.48mm；B2斷面頂底板移近量達到65.00mm，水平收斂位移最大達到51.48mm；B3斷面頂底板移近量達到55.01mm，水平收斂位移最大達到45.43mm。

4 結論

1)考慮主運大巷開挖對昌平運料巷圍巖穩定造成的相互迭加影響，數值模擬分析了主運大巷和昌平運料巷的變形與穩定機制，為確定昌平運料巷合理的超前預加固措施提供了依據。

2)立體斜交岔點受力條件復雜，在多重應力疊加效應下，產生了較大的應力集中情況。數值模擬結果表明：交岔點處圍巖塑性區范圍較大，圍巖穩定性較差。

3)結合數值模擬計算結果，并運用動態施工力學理論研究主運大巷在開挖施工過程中的穩定性，為確定合理的主運大巷斜交穿越昌平運料巷的掘進施工工藝和合理的支護技術措施提供理論依據。提出了先對上部巷道進行錨網索噴預加固，而后對交岔點處進行型鋼梁和型鋼支架的聯合支護方案。

4)現場監測結果表明，此方案有效地控制了交叉點圍巖的變形與破壞，保證了圍巖與支護結構的長期穩定及安全。

[1] 王成，張農，李桂臣.巷道交岔點的數值模擬分析與支護[J].采礦與安全工程學報，2008.25(4):384-387.

[2] 韓立軍,付厚利.動壓下集中交岔點加固技術研究[J].礦山壓力與頂板管理,2001,18(3):34-36.

[3] 陳炎光,陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制[M].徐州:中國礦業大學出版社,1994:429-436.

[4] 郭保華，陸庭侃，田采霞.巷道交岔點穩定性影響因素的數值分析[J].采礦與安全工程學報，2008,25(2)：192-196.

[5] 張生來.軟巖巷道交岔點大冒頂處理實踐[J].礦山壓力與頂板管理,2003,20(4):22-23.

[6] 夏宇君，吳俊松，耿東坤，等.富水軟巖大斷面交岔點巷道失穩控制實踐[J].煤炭科學技術，2011,39(7):31-34.

[7] 萬世文.錨索托梁加強支護的應用及技術關鍵[J].煤炭科學技術，2007,35(9):26-28.

[8] 黃乃斌,孔德惠.大斷面交岔點頂板變形與加固控制技術研究[J].采礦與安全工程學報,2006,23(2):249-252.