應力復雜區巷道斷面折線形和曲線形實踐分析

摘 要：通過對城山煤礦西二3#回風巷不同巷道斷面形狀的選擇及礦壓觀測，總結了應力復雜區域巷道的變形特點，并針對性地提出應力分布及卸壓相關建議。

關鍵詞：應力；矩形；拱形；應力分布；卸壓鉆；巷道觀測

一、概述

由城山煤礦掘進二段609隊2015年10月施工的西二3#左二面回風巷，巷道設計工程量255m，巷道方位N-353°，沿煤，施工方式：炮掘。地面標高+180，拉門口標高-650，該施工工作面西部為3B#層絞車道，南部3B#左一面下巷，東部為采空區，上部為大傾角皮帶道及24#、25#、36#、42#已開采煤層。拉門子施工時，頂板及兩幫支護良好，使用頂板離層儀觀測無明顯離層下沉，使用KBD5電磁輻射儀測量應力在臨界值內，當施工至40米時，左幫內移量增大，頂板狀況無明顯下沉，當施工至70米時，左右幫難以維護，頂板下沉明顯，頂板離層儀觀測下沉量達400mm，此時使用KBD5電磁輻射儀測量應力達22 mV，超過15 mV臨界值。從拉門口兩幫開始向工作面施工卸壓鉆，并補強幫頂支護，工作面前進方向施工三個卸壓鉆，工作面斷面形狀改施工拱形。使用頂板離層儀及KBD5電磁輻射儀監測，巷道頂板及兩幫得到了改善，應力得到了較好的卸壓轉移。

1.局部工程平面圖

2.區內地層產狀：

該施工區域煤層走向近似東西走向，由北向南傾斜，該施工工程區域范圍地質構造清晰，無斷層及其它地質構造存在。

3.煤層頂底板巖性：

該區3B#煤層冒落頂板為灰白色細砂巖及砂頁巖厚度4.0米左右，巖層堅固硬度 f=6.3底板為砂頁巖，厚度在3.5米左右，巖層堅固硬度 f=3.6 ，巖石抗壓強度小于30Mpa，巖石軟化系數小于0.6，節理裂隙不發育。

4.其他：

該巷道左右兩側均為采空區，與西側3#右一面采空區距離為150米，與東側3#左一面采空區距離為75米。巷道上方為西二3#大傾角皮帶道，法向距離15米，巷道布置于煤柱中。

二、原設計方案

原巷道斷面：3.4m寬x2.5m高（矩形）（如圖）

斷面圖（原斷面）

1、錨桿間排距的計算（煤礦作業規程技術手冊）

式中：

B—— ；

Q——錨桿錨固力，MN；（取220MN）

K——安全系數，一般取1.5-2；（取2）

H——錨桿有效長度，不小于不穩定巖層的厚度，m；（取24.5）

r——不穩定巖層平均容重，MN/m3。（取24.5）

計算得：B=1.49m

2、錨索間排距的計算（煤礦作業規程技術手冊）

式中：

B——錨索間排距，m；

Z——錨索錨入自然平衡拱范圍之外的額外深度。取0.91

a——巷道的半跨度，m；

b——頂板巖層的破壞深度，m。

計算得：B=2.8m

頂板支護參數：錨桿+W鋼帶+錨索聯合支護

螺紋鋼錨桿 φ20mm x 2000m

錨桿托盤 120mmx120mmx10mm

錨桿間排距 1000mm x 1000mm

錨索 φ17.8mmx5200mm

錨索間排距 1000mm x2000mm

鋼帶 4200mmx280mmx5mm（五眼眼距1000mm）

原設計現場情況：使用KPD5電磁輻射儀測量應力為20-25mV（臨界值為15mV），頂板破碎變形，多數φ17.8mm錨索拉斷（破斷力值為353KN）。

三、新設計方案

新方案巷道斷面：3.6m寬x3.2m高（半圓拱形）（如圖）

斷面圖（現斷面）

1、錨桿間排距的計算 （煤礦作業規程技術手冊）

式中：

B—— ；

Q——錨桿錨固力，MN；（取220MN）

K——安全系數，一般取1.5-2；（取2）

H——錨桿有效長度，不小于不穩定巖層的厚度，m；（取24.5）

r——不穩定巖層平均容重，MN/m3。（取24.5）

計算得：B=1.49m

2、錨索間排距的計算

式中：

B——錨索間排距，m；

Z——錨索錨入自然平衡拱范圍之外的額外深度。取0.91

a——巷道的半跨度，m；

b——頂板巖層的破壞深度，m。

計算得：B=2.6m

頂板支護參數：錨桿+W鋼帶+錨索聯合支護

螺紋鋼錨桿 φ20mm x 2000m

錨桿托盤 120mmx120mmx10mm

錨桿間排距 1000mm x 1000mm

錨索 φ17.8mmx5200mm

錨索間排距 1000mm x2000mm

鋼帶 4200mmx280mmx5mm

（五眼眼距1000mm）

應力轉移解決方案：工作面前方施工3個卸壓孔，孔深50米，孔徑φ75mm；兩幫采用施工卸壓孔，每5米兩幫各施工一個10米長卸壓孔，孔徑φ75mm。

應力轉移效果：使用KPD5電磁輻射儀測量應力為7-11mV（臨界值為15mV），兩幫施工卸壓鉆，能較好的分散應力集中區，聯合拱形斷面優點，很好的維護住頂板，較好的減緩頂板下沉和兩幫內移，達到了預期的設計要求。

四、總結：

1、將原矩形斷面改為拱形斷面，很好的形成組合拱，支承能力相應增大，圍巖強度得到提高。

2、巷道開挖前，深部巖體處于三向應力狀態，具有較高的強度。但是在巷道開挖后，水平應力解除后，巷道周圍圍巖徑向應力變為零，變為二向應力，強度明顯下降。且由于開挖巷道，破壞了原有承載結構，導致巷道圍邊圍巖出現應力集中，圍巖受力變形。當集中應力超過圍巖強度時，巷道周邊圍巖遭到破壞，其承載力降低，應力向深部轉移，應力集中程度隨之減弱，又由于破碎巖體的影響，所以深部圍巖的徑向應力從開始處逐步增加，深部圍巖處于三向應力狀態，巖石具有較高強度，抵御破壞強度增強。于是在高應力區形成自承載結構，承受掘巷引起的集中應力。同時，在它的支撐和保護下，又使卸壓區內的巖體得以保持穩定。另一方面，結構和完整性并未遭到完全破壞的卸壓區內的圍巖，仍然存在一定的殘余強度，并向巖體自乘結構提供側向約束力，增加巖體自乘結構的強度和穩定性，從而使圍巖的穩定性得到顯著提高。工作面前進方向和兩幫施工的卸壓孔，將高應力集中區的應力轉移向深部，降低巷道周圍應力，使拱形巷道斷面的支護效果發揮最大化。

作者簡介：

侯凱（1976—），男，黑龍江省人，高級工程師，現雞西礦業集團公司城山煤礦從事生產技術管理工作。endprint