复杂条件下孤岛周围巷道支护技术研究

孟益平， 祝金龙， 郭家标

（1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥230009；2.淮北矿业股份有限公司 临涣煤矿，安徽 淮北235135）

0 引 言

巷道作为一种地下运输通道，其稳定性关系到工程生产的安全。地下资源开采中，因为巷道支护力度不够或支护不及时导致的巷道坍塌，危害生产安全的事故屡见不鲜。随着巷道支护技术的发展，浅部和结构简单的巷道支护安全性能越来越高，然而由于浅部资源的逐渐减小，巷道开挖深度化，地质条件复杂化是必然趋势。由于实际工程的原因，巷道常常需要集中分布，在这些地段岩体整体结构常常比较复杂，由于如高地应力、弱岩性等深部复杂条件的影响，支护时需要考虑的因素众多，支护难度很大。如何对这些结构和地质环境复杂的地下巷道结构进行合理支护，减小大变形事故的发生是现行深部巷道工程面临的一个问题。本文以孤岛（如图1）这种特殊地段为例，分析其变形规律及支护对策。

地下孤岛是指三条及三条以上巷道交叉围成的独立的岩柱结构。孤岛作为一种结构复杂的特殊地段，其支护难度很大。孤岛岩柱易压溃破碎，周围有多个易变形的交叉点，周围巷道相对于普通巷道更易变形，这些都给孤岛的支护带来了极大地难题，特别是在孤岛地段有采动影响时，变形更加严重。由于孤岛结构特殊，各部位变形相互影响，有必要将孤岛作为一个整体来进行研究。

目前，国内外很少有关于孤岛地段整体上的支护技术的研究，但随着锚网索与注浆加固等联合支护方式的研究逐渐深入和深部支护技术的不断发展［1－4］，巷道支护加固技术有了较大的进步。对于交叉点大断面巷道而言，多种技术联合支护方法不断完善［5－12］；对于复杂应力条件下的巷道而言，平面锚索桁架和双控锚索技术开始应用于巷道支护工程中，且围岩控制效果良好［13－15］。由于孤岛结构复杂，各部位变形相互影响，当周围有采动作用时，交叉点需要更加强有力地支护措施，且孤岛其他部位也需要实施加固，这样才能有效地提高整个孤岛结构的稳定性。本文通过研究孤岛的破坏机理，结合数值分析和工程应用，提出孤岛的支护方法。

1 孤岛的数值模拟

孤岛是由多条巷道及中间岩柱组成，由于孤岛结构的复杂性，无法利用对称性简化模型，因此建立孤岛整体结构进行计算分析。根据圣维南原理，巷道只对周边岩石产生影响，远处岩石的应力场不会影响巷道的变形。研究表明，巷道截面尺寸两倍以内的范围是巷道变形影响集中区域。运用ANSYS有限元软件先建立长×宽×高为52×31×29m的模型作为周围岩体，在利用布尔运算建立三条直墙半圆拱形巷道和中间岩体模型。普通断面巷道半圆拱部分半径为2m，直墙柱部分高为1.5m，交叉点渐变巷道的最大断面半圆拱部分半径为5m，直墙柱部分高为1.5m。孤岛模型及网格划分图如图2和图3所示。

设定孤岛模型上边界地应力大小为10MPa，并施加重力荷载。模型周围为水平链杆，底部固定。模型的材料常数设置如表1所示。

表1 物理参数

支护材料中，锚杆为直径20mm的高强树脂螺纹钢锚杆，长度为2m，间排距为0.7m×0.7m；锚索直径为17.8mm的钢铰线，长度为5m，间距为1.4m，预应力为100KN，排距为1.2m；锚索梁采用11号矿用工字钢；U型棚为36U型钢，排距为0.5m。

经过计算，无支护情况下孤岛整体和巷道位移矢量和变化如图4和图5，竖向应力变化如图6。

孤岛中存在“T”形、“十”字形和“Y”形交叉点。由变形云图可以看出，巷道交叉点的变形远大于普通巷道的变形，“Y”形交叉点变形最大，约比普通巷道变形大30%。

从竖直应力变化云图上可以发现，中间岩柱的竖向应力较大，约为同一水平面上一般岩体应力的2倍。

比较变形云图中的普通断面巷道变形，可以发现，岩柱周围的巷道比远离岩柱的普通断面巷道变形大9%到18%。

2 孤岛的破坏机理及控制对策

2.1 破坏机理

孤岛中多条巷道布置于一片有限区域，巷道与巷道距离较近，巷道交叉所产生的交叉点截面尺寸较大，周围巷道围成的中间岩柱结构上较孤立，孤岛的变形方式不同于一般巷道结构，其破坏机理如下。

（1）交叉点大断面巷道顶板破坏下沉

孤岛周围巷道的交叉点大断面由于巷道跨度和顶板悬露面积大，巷道应力复杂，顶板易破坏下沉。巷道交叉点顶板在支护不及时或支护强度不够时，受顶板上部荷载作用，岩体中裂纹扩展，特别是在周围有采动影响时，顶板破坏更加严重。

（2）孤岛岩柱变形

孤岛地段的岩柱在成型后，受到巷道顶板卸压区和两帮支承压力区相互叠加的影响，应力集中系数较开凿前提高了很多，且孤岛岩体从三向受压状态变为单向受压状态，很容易导致岩柱横向鼓出，在岩柱中纵向裂纹扩展时，岩柱长细比增大，岩柱更容易发生变形。孤岛中间岩柱是周围巷道的帮部岩体，它的变形状况直接影响周围巷道的稳定性，且孤岛岩柱是天然的支护体，应充分利用其对顶板的支撑能力。

（3）周围普通断面巷道变形

孤岛地段周围普通断面巷道有一侧帮部是孤立岩柱，巷道整体结构上不对称，受地应力与采动影响，巷道极易发生不对称变形。岩柱受压变形，会加大交叉点巷道大断面面积，引发周围普通断面变形。岩柱、交叉点的变形会带动普通断面巷道的变形，反之亦然。由此，为周围各条巷道提供强有力的支护是保证孤岛整体稳定的必要措施。

2.2 控制对策

孤岛结构上并不规整，各部位岩体相互影响，巷道距离较近，变形容易发生叠加，特别是中间岩柱对周围巷道变形产生了极大的影响，巷道周围存在着多个交叉点，最大交叉点顶板位置发生大变形。此外，孤岛同时承受动压和高地应力影响。以往的支护措施，如锚喷、锚网索、锚架注支护以及应用于普通交叉点（不含孤立岩柱）的等支护方法不能完全的适用于该特殊地段。由此，支护时应该对巷道围岩实行“强支硬顶”，综合各种有效的支护方法，要充分发挥中间岩柱对顶板的支撑能力，防止中间岩柱发生大变形，合理的加固岩柱。

根据孤岛的破坏机理，周围巷道和孤岛岩柱都需加固。对于孤岛岩柱，可以采用双控锚索（如图7）的加固方法；对于周围巷道，受地质结构和采动影响，除了采用一般支护方法外，还应使用空间锚索桁架（如图8）。

2.2.1 空间锚索桁架

空间锚索桁架是一种区别于一般平面锚索桁架的装置。锚索梁，锚索，U型棚共同组成了空间锚索桁架结构。锚索一端固定于深部岩体，一端固定于锚索梁上。锚索梁沿巷道走向布置于U型棚内侧，则锚索梁与U型棚组合成覆盖巷道围岩的网状结构，这种排布方式使U型棚被动支护结构同时具有了锚索桁架体系的锚索梁的功能，对围岩起到主动支护作用。

为说明锚索桁架各部位的连接方式，作为一种特别的支护方法，特叙述其架设程序（如图9），具体过程如下。

（1）架设U型棚：上梁，过顶，挖腿窝，栽腿子，腰帮。栽棚腿时，U形棚卡缆力矩应不小于300N.m。

（2）以工字钢为锚索梁，在其上预留孔位置点好眼，然后用锚杆钻机打、锚杆钎子和旋转式钻头配合在围岩上钻好孔。

（3）锚固时，先在每钻孔内装入3卷树脂锚固剂。安装时用钢绞线锚索轻轻将树脂送入眼底，再用搅拌器将钢绞线与锚杆机连接起来，然后开动钻机边搅拌边推进，把钢绞线送入眼底（约20～30秒），然后停1～2分钟后，落下钻机，卸下搅拌器，完成锚索的内锚固。

（4）三人配合共同将锚索梁托起并升上劲（钢绞线放入预留孔内），然后再装托盘、托板、锁具，并使它们紧贴U型钢棚，锚索托盘为A3钢，正中钻孔，挂上张拉千斤顶，开泵进行张拉，直至达到设计预紧力再停止张拉，卸下千斤顶，用液压剪将外露的钢绞线剪掉，外露长度不超过150mm～350mm，并用胶皮管将外露部分套住。

空间锚索桁架可以扩大锚索的作用面积，优化锚索对围岩的作用方式，相对于单体锚索而言，空间锚索桁架更具有优势，可用有限元软件分析空间锚索的作用机理。如图10，建立巷道模型，计算岩体区域尺寸为20m×20m×5m。分别用空间锚索桁架和单体锚索加固围岩，沿巷道走向1～4m的布置锚索桁架的巷道顶部围岩等效应力变化曲线如图11所示。

从曲线图上可以看出，在布置了单体的巷道中，无锚索和U型棚支护的围岩段顶板等效应力较大；而在布置了空间锚索桁架的巷道中，由于锚索梁的支护传递作用，等效应力较小。而在总体上，前者最大等效应力较大，顶板容易变形破坏；后者的等效应力变化平缓，顶板结构更稳定。因此，空间锚索桁架支护方法能合理地控制巷道围岩的变形，改善岩体的受力状态，有效地减小巷道顶板大变形区域。

2.2.2 双控锚索支护技术

中间岩柱的稳定性是保证周围巷道整体稳定性的关键，根据其受力特点与变形机理，必须增加中间岩柱水平方向的侧向约束，从而改善岩柱的应力状态。何满潮等针对地下这种孤立岩柱结构提出了双控锚索的支护方法，经过证明，这种支护方法有效地改善了岩柱的受力状况［16］。双控锚索就是用两段加固的预应力锚索横向贯穿岩柱的稳定性控制技术。

3 孤岛支护的数值模拟

按照以上所选的支护方法进行数值模拟分析。巷道的方法为锚杆＋空间锚索桁架，中间岩柱的支护方法为双控锚索。如前文所述，喷浆在深部巷道支护中的主要作用是防止围岩风化，其支护能力较弱，而注浆可以将破碎围岩胶结成一个整体，但形成的胶结体岩性较弱，故为了简化数值模拟，说明空间锚索桁架和双控锚索的作用，不考虑注浆和喷浆在模型中的支护作用。

按照以上设置的参数进行建模，支护材料与岩体进行耦合，支护布置情况如图11所示。经过计算，支护后的孤岛变形如图12所示。

与无支护孤岛相比，可以发现，支护后的各条巷道围岩位移场均有所改善。支护后，最大变形位置仍位于“Y”形交叉点最大断面处，其变形值减小了12mm左右，相比于支护前减小了15%。三个交叉点处最大位移面积均有不同程度的减小。中间岩柱周围普通巷道顶板位移量减小了10mm左右，比支护前减小了20%。

可见，对于孤岛这一复杂巷道结构，空间锚索桁架＋双控锚索的这一支护方法有效地控制了围岩的变形。

4 工程应用

4.1 工程概况

淮北临涣矿东部孤岛（如图11）工程位于九采区煤仓附近，临涣煤电原为架线电车牵引矿车运输煤炭，现东翼采区技改后，采用皮带连续运输，故开挖东翼3#皮带机巷，巷道与原巷道夹角为12.4°，相交于九采区煤仓。巷道地面标高＋27m，井下标高－440m，岩性为9煤层底板铝质泥岩及粉砂岩。交岔点附近巷道重叠交错，上方部分工作面已回采。皮带大巷与东九大巷夹角偏小，交岔点支护难度大，由于受采动影响，附近巷道出现过局部掉顶、浆皮开裂等现象，已进行几次锚喷修复，针对以上情况，对此段巷道专门进行施工支护设计。

4.2 支护方法及材料技术参数

周围巷道打上锚杆，架设空间锚索桁架并喷浆注浆；孤岛岩柱用双控锚索加固，岩柱尖角处浇筑混凝土。

U型棚均采用36U型钢。腰帮过顶采用钢筋网、铁背板，铁背板规格为：长×宽×厚＝800×50×10mm。锚杆φ20mm×L2400mm，间排距700mm×700mm。钢筋网φ＝10mm，网孔100mm×100mm。锚索φ17.8mm×L6500mm，间距为1.5～1.6m，排距1.2m。喷浆厚度为150mm。注浆锚杆长度为2.0m，间排距1.6×1.2m。注浆水灰比0.75～1：1。

4.3 现场应用效果

通过宏观观测交岔点无明显变形、开裂、片帮、炸皮、底鼓现象。对交岔点的测点的数据结果分析，3号大断面交叉点变形监测曲线如图12所示。从监测曲线图可以看出，自交岔点施工61天后，巷道位移量趋于稳定。

5 孤岛底鼓治理技术

随着采深增加，底鼓问题越来越严重。在巷道维护成本中，底板维护也占了很大的比重。巷道底板的变形主要与底板岩性，巷道埋深，采动压力等因素有关［17］。可以根据现有的技术方法治理孤岛巷道底鼓问题。

目前采用的底鼓控制方法主要有：底板锚杆、底板注浆、封闭式支架、切缝、打孔、松动爆破等主要技术措施，并且在特定条件下取得一定效果［18］。在我国，通过技术实践，证明底板反拱、注浆、底角锚杆是合理有效的支护方法，而在德国等其他国家，底板锚杆支护、碎石层加固等技术取得了成功的应用［19］。此外，底板锚索开始应用于巷道底鼓，研究表明预应力锚索加固巷道底板的方法和工艺，保证了加固效果，提高了底板加固施工的速度，降低了成本，是一种有效、快速、经济的深井巷道底鼓防治［20］。

对于孤岛巷道，根据巷道底板的岩性，巷道埋深等因素，应合理的选择支护方法。特别是对于地应力大，底板岩石松软，抗变形能力很差的巷道，可以考虑综合各种支护方法，治理巷道底鼓问题。

6 结 论

（1）孤岛岩柱结构上具有独立性，其所承受的上部荷载远大于周围岩体，受高地应力和采动影响，易破坏变形，岩柱的变形会直接影响周围巷道的稳定性。孤岛中的交叉点巷道跨度大，其顶板是孤岛的大变形部位；受中间岩柱影响，岩柱周围的巷道比普通断面巷道变形大。由此，加固中间岩柱，为周围巷道提供强有力的支撑是孤岛支护的关键。

（2）相对于单体锚索支护，空间锚索桁架可以扩大锚索的作用面积，减少巷道围岩的应力集中现象，优化锚索对围岩的作用方式。空间锚索桁架在深部复杂条件下的围岩破碎的巷道和顶板悬露面积大的巷道有较大的应用前景。

（3）双控锚索支护岩柱，可以改善岩柱的力学性能，增强其对顶板的支撑能力，进而减小顶板位移，而空间锚索桁架支护巷道，承担一部分围压，可以缓解岩体对岩柱的压力，进而减小岩柱所受应力，从而维护孤岛岩柱的稳定。双控锚索和空间锚索桁架共同发挥作用，对复杂条件下的孤岛形成有力的支护强度，共同改善巷道和中间岩柱的力学性能，降低变形量。这种支护方法在淮北临涣煤矿得到成功应用，可以为其他复杂地下巷道结构支护提供一定的借鉴。

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