大断面交叉(岔)巷道围岩稳定性研究.pdf

太原理工大学 硕士学位论文 大断面交叉岔巷道围岩稳定性研究 姓名高鲁 申请学位级别硕士 专业 指导教师康天合 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 大断面交叉岔巷道围岩稳定性研究 摘 要 煤矿井下存在有大量的交叉（岔）巷道，交叉巷道在巷道交叉点位 置处具有巷道顶板和两帮裸露面积大，交叉点处应力集中程度较高， 围岩变形破坏严重，支护困难等特点。本文结合唐安煤矿井下交叉巷道 的实际情况，以交叉巷道围岩稳定性作为研究课题，通过理论分析和数 值模拟，对交叉巷道围岩受力和破坏特征以及影响交叉巷道围岩稳定性 的主要因素进行了系统的分析和研究，并在此基础上对唐安煤矿井下 3 煤层中皮带运输大巷与 3405 工作面进风顺槽位置处的大断面交叉巷道进 行了锚杆支护设计，并通过数值模拟验证了其支护效果。研究结果对今 后煤矿井下交叉巷道围岩支护有着重要的理论意义和一定的参考价值。 主要研究结果如下 1、交叉巷道开挖后应力重新分布，三角区内出现明显的垂直应力集 中区，其中三角区端部位置处应力集中程度最高；三角区内围岩的破坏 呈弧形或近似弧形，从断裂力学的角度分析了交叉巷道顶板的破坏机 理；得到交叉巷道围岩重点支护区域为巷道交叉三角区、交叉点顶板 以及交叉点影响范围内的所有巷道巷道围岩；通过分析提出以交叉巷道 围岩表面变形量显著增大的范围作为交叉巷道围岩需要加强支护的范 围；得到影响交叉巷道围岩稳定性的主要因素是地应力大小、围岩强 度、交叉角度、巷道断面尺寸以及巷道交叉形式和巷道围岩支护方式。 2、通过数值模拟实验，具体分析了不同影响因素对交叉（岔）巷道 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 其巷道围岩稳定性的影响规律，得出结论各种类型的交叉巷道中，十 字形交叉巷道围岩稳定性最差，除随着围岩强度增高，稳定性提高外， 其他各因素增大时，稳定性都呈下降趋势；在锚固支护方面，锚杆锚索 的支护的支护方式明显优于单一的锚杆支护，锚索能对巷道交叉点位置 处的顶板起到充分的悬吊作用，三角区内的补强锚索能增加三角区围岩 的整体强度，控制三角区内围岩的塑性变形，并使得三角区内两帮围岩 承载能力提高，对上方顶板形成有限支承，减小三角区内围岩的最大破 坏深度和顶板的有效跨度。 3、根据上述研究结果，并结合唐安煤矿井下 3405 工作面的地质力 学条件，提出了此处交叉巷道相应的锚固方案，并通过数值模拟的方法 验证了锚固方案的锚固效果，得出结论对于交叉巷道而言，合理的锚 固方式可以有效的改善巷道交叉点处的围岩应力状态，减少巷道交叉点 的塑性破坏和大面积裸露顶板的下沉量，增大三角区围岩的承载能力， 验证支护效果的同时也进一步说明了煤矿巷道锚杆支护的优越性。 关键词巷道交叉（岔）点，围岩稳定性，有效跨度，三角区最大破坏 深度，锚固方式 太原理工大学硕士研究生学位论文 III STUDY ON THE LARGE SECTION INTERSECTION CROSSING ROADWAY SURROUNDING ROCK STABILITY ABSTRACT Under the Coal Mine there are many intersection crossing roadways,the characteristics in the intersection position hasThe tunnel roof and the walls of tunnel bare areas are very great,the intersection point of stress concentration are in serious condition,causative the intersection roadway surrounding rock deation failure is very serious,supporting work is very difficult.In this pa- per combines with intersection roadway in the TangAn Coal Mine,let the stab- ility study on surrounding rock of the large section intersection crossing roa- dway as a research topic,through the theory analysis and numerical simulation, to analysis and research the intersection roadway surrounding rock force recei- ved,failure characteristics and the influence of intersection roadway surround- ing rock stability in systematically,and based of the reasearch results to make a bolt support design of the intersection point between the belt main haulage roadway and 3405 coal face subleve roadway in the TangAn Coal Mine 3 seam coal,and thorugh the numerical simulations to show the effectiveness of 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV this cables supporting.The results of this reaearch for the future intersection roadway cables supporting has important significance and a certain rference value. The main results are generalized as follows 1. The intersection roadway stress redistribution after excavation,signific- ant vertical triangular region stress concentration area,which end position tria- gle highest stress concentration;Triangle area surrounding the destruction of an arc shaped or a similar arc shaped,from the fracture mechanics point of view of the failure mechanism of the intersection roadway roof;get therange of surrou- uding rock need to be reinforced timbering asthe triangle of intersection road- way,the roof of intersection point and the impact of all the roadway within the surrounding rock;through analyzing make the intersection roadway surface de- ation amount significantly increases range as the way of surrounding rock need to be reinforced timbering;The main factors influence the intersection roadway surrounding rock stability is the size of earth stress magnitude,stren- gth of surrounding rock,cross angle,the size of roadway,the intersection of roadway and the support . 2.Througe the numerical simulation experiments, concrete analys-is of different influential factors to the stability influence rules of surrounding rock on the intersection crossing roadway,concluded that all types of intersection roadway, cruci intersection roadway surrounding rock stability is the most nustable,except with the surrounding rock strength increases,the stability incr- ease,other factors increases,the stability tended to decrease; in the anchored st- 太原理工大学硕士研究生学位论文 V ructure,the cable and anchor cable supporting way is better than the supporting single cable supporting, anchor cable supporting position to the intersection of roadway roof department played the role of full suspension, triangular area of reinforcing cable can increase the overall strength of rock Triangle, Triangle area surrounding control plastic deation, and so the two triangular areas to help improve the bearing capacity of rock, the ation of a limited bearing on the top roof, reducing the maximum triangular area surrounding the effecti- ve destruction of the depth and span of the roof. 3. According to the resules of the above research, combined with the geo- mechanical conditions of Tang’An Coal Mine’s 3405 mining face, presented the supporting scheme for the intersection roadway, and through the numerical simulations verify the anchor program of the anchoring effect and concluded For the intersection roadway, the reasonable supporting scheme can effectively improve the anchoring roadway intersections in the surrounding rock stress and reduce the roadway intersection of plastic damage and large exposed roof subsidence, increasing the bearing capacity of the trigone area surrounding rock, triangle further illustrates the superiority of bolting. KEY WORDSthe roadway intersection crossing point, the stability of surrounding rock,effective particle velocity span,the large damage depth of triangle area,anchorage mode 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 前言 随着我国经济社会的全面快速发展，作为我国经济社会发展中一项重要支柱的煤 炭产业，在我国一次性能源消耗中所占的比重超过了 70。据相关部门的可靠预 测，在未来 2050 年之内，我国一次能源生产和消费的格局不会改变，煤炭产业将 始终处于主体地位，这意味着煤炭工业发展的快慢将直接影响到国计民生。随着科学 技术的进步和煤矿生产机械化水平的不断提高，在提升煤矿产能的同时，进一步确保 煤矿的安全高效生产将是今后煤炭工业发展的重要目标。 煤矿的安全高效生产离不开组成煤矿生产脉络的各种巷道。对于井下巷道而言， 由于运煤、运料、行人和通风等实际工作需要，常常会在井下形成两两相交或由一条 主要巷道分岔而形成的巷道，这样的巷道被称之为交叉岔巷道。巷道相交或分岔的 位置被称之为巷道交叉（岔）点。下文中为方便叙述，均称为交叉巷道和巷道交叉 点。 煤矿井下常见的巷道交叉（岔）形式，按照其在平面内的不同交岔样式大致可以 分为下几种十字形交叉巷道、T 形交叉巷道、Y 形交叉巷道和 L 形交叉巷道[1-4] ， 井下交叉巷道就是由这几种基本形式构成。对于同种类型的交叉巷道，在巷道具体交 叉样式的基础上，按照断面形式和交叉角度分为不同断面形式和不同交叉角度两 图 1-1 煤矿井下巷道交叉形式 a.十字形交岔巷道；b. T 形交岔巷道；c .Y 形交岔巷道；d.L 形交岔巷道 Fig.1-1 The different intersection roadway in the Coal Mine a b cd θ θ θ θ 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 种；按交叉点处巷道断面结构形式，可分为普通交叉点和穿尖交叉点两种，其中。图 1-1 为煤矿井下几种常见的交叉（岔）巷道平面图，图 1-2 为半圆拱形交叉巷道交叉 点不同断面结构示意图。 根据全国统配煤矿资料统计，巷道顶板事故中掘进头和各类巷道交叉点是事故多 发的主要地点。其中因为交岔点巷道围岩失稳导致的顶板事故，大致占巷道顶板事故 总数的 30～40。作为一种井下常见的巷道布置方式，之所以在巷道交叉点事故频 发，这是因为在巷道交叉部位处的受力和破坏规律上与普通巷道相比有着它自身的一 些特点，其区别于普通巷道的独特之处在于 1）交叉点处顶板暴露面积较大，顶板破碎地带的应力集中程度较严重，容易导 致顶板围岩变形和破坏的进一步加剧； 2）在巷道交叉形成的三角区内，围岩的破坏比一般巷道要严重许多，由于此区 域内围岩的严重变形破坏，导致三角区围岩对巷道顶板的支承能力下降，巷道破坏进 一步加剧； 3）交叉巷道的施工过程复杂，要形成完整的巷道交叉点，需在交叉点位置处进 行多次开挖工作，每一次的巷道开挖都会对原巷道围岩内已处于平衡状态的应力重新 分布，多次的应力重新分布，使得巷道交叉点附近围岩中应力相互叠加，加剧围岩内 应力的集中程度，从而加剧巷道围岩的破坏，围岩稳定性下降。 正是由于上述这些特点，使得巷道交叉点处的围岩受力和破坏情况同普通巷道相 1 1 2 2 2 2 1 1 1-12-2 1-12-2 a普通交叉点 b穿尖交叉点 图 1-2 交叉点不同断面结构示意图 Fig.1-2 Intersection point different section structure schematic diagram 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 比要复杂的多，因此其巷道支护也变得困难许多。因此不能没有正确的掌握交叉巷道 围岩的受力和破坏规律，就会导致所采取的原有巷道支护失效，很容易使交叉巷道围 岩发生严重的变形破坏、甚至冒顶等安全生产事故，对煤矿的正常生产和工人安全造 成极大的危害。 因此，有针对性的研究交叉巷道围岩稳定性，根据交叉巷道围岩的受力和破坏特 征，选取合理的支护方式和支护参数，提高交叉巷道围岩稳定性，保障矿井安全生 产，同时减少巷道支护时不必要的材料消耗。 1.2 巷道围岩稳定性研究现状 1.2.1 围岩稳定性研究现状 巷道围岩稳定性是指在巷道开挖后，无支护情况下巷道围岩形成稳定的裸体巷道 的性能。当巷道开挖后，岩体内部原始的应力平衡状态被打破，开挖巷道周边围岩所 受应力将重新分布，出现应力状态改变和高应力集中现象，当应力水平超出巷道围岩 的承载能力时，巷道围岩即出现变形，当应力水平达到或超过围岩强度范围较大时， 就会形成了一个连续贯通的塑性区和滑动面，产生较大位移，其形式可表现为开挖体 的逐渐闭合、片帮及顶板冒落等；甚至坚硬的脆性岩石受高的作用发生爆炸性的破 坏，最终导致巷道围岩失稳破坏。国内许多外学者都对围岩的破坏形态、机理及其稳 定性进行了深入的研究[5-19]。有关围岩稳定性的研究理论主要有以下几个方面 1.2.1.1 自然平衡拱理论[14] 该理论的前提假定巷道周围岩体为松散体；适用于深埋隧道，围岩压力与地 层深度无关；该理论认为巷道开挖后，巷道周围岩石被扰动而形成一定的松散区， 松散区内的巷道顶部形成一个冒落拱，如果边墙稳定形成的冒落拱跨度与巷道宽度一 致。若边墙不稳定，则冒落拱的跨度向外延伸至滑移面外缘，角度为 45。 1.2.1.2 弹性体理论与弹塑性体理论[15] 弹性体理论基础假定岩体为连续的、均质的弹性体，而后根据地下结构的不同 形状进行应力分析。此种理论将所有超过岩石抗拉强度的应力区域内的全部岩石，都 认为是形成的围岩压力。 弹塑性体理论基础巷道开挖后，如果巷道内壁不作用任何力，则巷道周围岩石 的应力由于应力重分布的作用，逐渐形成一个塑性区。塑性区的外围，因应力变化不 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 大，仍然是弹性区。在塑性区与弹性区接触处，应力是连续的。当巷道内有径向力作 用时，塑性区的范围将有所变化。 1.2.1.3 围岩松动圈理论[16-17] 由于非弹性变形区为一种极限平衡状态，是不稳定的，当围岩周边位移发展到一 定程度时，将引起 c、ϕ值急剧下降围岩松动塌落，原来的非弹性变形区形成围岩松 动圈，围岩松动圈的半径按不支护时形成的最大非弹性变形区半径 s R 计算，其计算 公式如下 1 sin 2sin 0 1 sin s PCctg RR Cctg ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ −  −⋅   1-1 式中 0 R 巷道外接圆半径 s R 松动圈半径 P上覆岩层自重应力 1.2.1.4 最大水平应力理论[18] 该理论认为，锚杆加固对于提高围岩自身的最大承载能力没有明显的效果，但在 围岩产生塑性破坏后，对提高围岩的残余强度及承载能力有显著作用。在巷道周围， 锚杆与其锚固范围内的岩石构成一种锚固支护体，当这个锚固体中的岩石在围岩集中 应力作用下发生破坏时，其承载能力降低并产生变形，同时围岩的集中应力向深部转 移，使锚固体卸载。在此过程中，锚固体通过锚杆的约束作用和抗剪作用，使塑性破 坏后易于松动的岩石构成具有一定承载能力和适应自身变形卸载的锚固平衡拱。 1.2.1.5 关键块理论[19] 关键块本身在几何形状上具备滑动可能的块体。 基本原理根据已知的节理倾角、倾向等勘测资料，利用分析方法，找出那些具 备滑动可能的关键块。该理论把关键块的集合形状、空间位置、岩体的节理裂隙的发 育程度等参数以节理锥JP、开挖锥EP和切割锥BPJPEP∩表示。当一凸形块体 切割锥为空集，而节理锥非空时，块体是可以滑动的，即JPφ≠，BPφ，否则， 块体稳定。 1.2.2 巷道围岩锚固支护研究现状 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 随着煤炭工业的快速发展，煤矿开采深度的不断增加和井下生产所需巷道断面的 不断增大，围岩的稳定性只有借助适当的人为支护才能达到稳定。在众多支护方式 中，锚杆支护因其对巷道围岩强度的主动支护、围岩强化作用以及支护成本低、成巷 速度快、劳动强度低、提高巷道断面利用率以及明显改善作业环境和安全生产条件等 优点，成为世界各国矿井巷道的一种主要支护形式，代表了煤矿巷道支护技术的主要 发展方向。 1.2.3.1 锚杆支护机理的研究现状 随着锚杆支护的实践应用，锚杆支护的理论也在不断的产生和完善[20-22]。目前国 内外关于锚杆支护理论主要有以下几种形式 1、悬吊理论 1952 年路易斯阿 帕内科LouisA panek等发表了悬吊理论，悬吊理论认为锚杆 支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在巷道上部稳固的岩层中，在预加张紧力 的作用下，每根锚杆承担其周围一定范围内岩体的重量，锚杆的锚固力应大于其所悬 吊的岩体的重力。 2、组合梁理论 假设巷道顶板岩石的空间分布为层状结构，每层岩石都有一定的抗压强度、抗拉 强度和抗剪强度，但相互问缺少粘结力或粘结力很弱。基于此，按照材料力学理论可 知无锚杆时巷道顶板岩石为叠合梁结构，在受到其上部岩层的应力作用后，各层单 独变形，层与层之间很容易产生滑移从而导致离层；当顶板采用锚杆支护时，锚杆穿 过各层状岩层形成组合梁，共同抵抗围岩应力，所以变形较小，从而起到支护的作 用。 3、减跨理论 在悬吊作用理论及组合梁作用理论的基础上，提出了减跨理论，该理论认为锚 杆末端固定在稳定岩层内，穿过薄层状顶板，每根锚杆相当于一个铰支点，将巷道顶 板划分成小跨，从而使顶板挠度降低。 4、组合拱理论 该理论认为在沿拱形巷道周边布置锚杆后，在预紧锚杆力的作用下，每根锚杆 都有一定的应力作用范围，只要取合理的锚杆间距，其应力作用范围会相互重叠，从 而形成一连续的挤压加固带一即厚度较大的组合拱，该加固带的厚度是普通砌碹支护 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 厚度的数倍。故能更为有效地抵抗围岩应力，减少围岩变形，其支护效果将会好于普 通的砌碹支护。 5、 “刚性梁”理论 该理论是基于岩体中存在的水平应力，由美国的郭颂博士提出的。其主要内容 有 ①锚杆预应力的大小对顶板的稳定性具有决定作用。当预应力达到一定的程度 时，锚杆长度范围内的顶板离层得到控制，建立了刚性梁顶板，它本身形成一个压力 自撑结构。 ②“刚性梁”顶板可充分利用水平应力来维护顶板的稳定性。水平力的存在，在 一定程度上保护着顶板，使其代表顶板岩层处于横向压缩状态。 ③在“刚性梁”项板的条件下，顶板的垂直应力被转移到巷道两侧煤体纵深，巷 道两侧的压力减少。与无预应力锚杆支护的“先护帮，后护顶”的原则相反，该理论 主张“先护顶，后护帮”的原则。在一定的极限范围内顶板的稳定性与巷道宽度关系 不大。 1.2.3.2 锚固支护技术发展现状 锚杆索支护作为一种有效的技术经济优越的采准巷道支护方式，自美国 1912 年在 Aberschlesin阿伯施莱辛的 Friedens弗里登斯煤矿首次使用锚杆支护顶板至今 已有 90 多年的历史。19451950 年，机械式锚杆研究与应用；19501960 年，采矿 业广泛采用机械式锚杆，并开始对锚杆支护进行系统研究；19601970 年，树脂锚杆 推出并在矿山得到了应用；1 9701980 年，发明管缝式锚杆、胀管式锚杆并得到了 应用，同时研究新的设计方法，长锚索产生；19801990 年，混合锚头锚杆、组合锚 杆、桁架锚杆、特种锚杆等得到了应用，树脂锚固材料得到改进。 美国、澳大利亚以及加拿大等国由于煤层赋存条件好，加之锚杆支护技术不断发 展和日益成熟，因而锚杆支护使用非常普遍，在煤矿巷道的支护比重中几乎达到了 100％。 澳大利亚锚杆支护技术已经形成比较完整的体系，处于国际领先水平。澳大利亚 的煤矿巷道几乎全部采用 W 型钢带树脂全长锚固组合锚杆支护技术，尽管其巷道断 面比较大，但支护效果非常好。对于复合顶板、破碎顶板及其巷道交叉点、大断面硐 室等难维护的地方，采用锚索注浆进行补强加固，控制了围岩的强烈变形。美国一直 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 采用锚杆支护巷道，锚杆消耗量很大。锚杆种类也较多，有胀壳式、树脂式、复合锚 杆等。组合件有钢带和桁架。具体应用时，根据岩层条件选择不同的支护方式和参 数。 锚杆支护发展最快的是英国。在 1987 年以前，英国煤矿巷道支护 90％以上采用 金属支架，而且主要是矿工钢拱型刚性支架。由于回采工作面单产低、效率低、巷道 支护成本高，因而亏损严重。为了摆脱煤炭行业的这种困境，在巷道支护方面积极发 展锚杆支护，到 1987 年，英国从澳大利亚引进了成套的锚杆支护技术，从而扭转了 过去的被动局面，煤巷锚杆支护得到迅速发展，经过近 10 年实验的基础上，又做了 改进和提高，到 1994 年在巷道支护中所占的比重已达到 80％以上。锚杆支护技术的 广泛采用给英国煤矿带来巨大的活力和经济效益。 德国是 U 型钢支架使用最早、技术上最为成熟的国家，自 1932 年发明 U 型钢支 架以来，U 型钢支架发展迅速，支护比重很快达到了 90％以上，从井底车场一直到 回采工作面两巷均采用 U 型钢可缩性支架。但是自 20 世纪 80 年代以来，随着矿井 开采深度日益增加，维护日益困难。面临这种困难，德国采用不断增加金属支架的型 钢质量，逐步减小棚距的做法，这不仅使巷支护费用增高，而且施工，运输更加困难 和复杂。即便如此，巷道维护困难的状况仍然难以改观，于是寻求成本低，运输和施 工简单方便、控制围岩变形效果好的锚杆支护变得尤为重要。到 20 世纪 80 年代初 期，锚杆支护在鲁尔矿区实验成功后获得推广，现己应用到千米的深井巷道中，取得 了许多有益的经验。 法国煤巷锚杆支护的发展也很迅速，到 1 986 年其比重已达 50％。采区巷道支护 中同时发展金属支架、锚杆支护、混凝土支架的俄罗斯，锚支护的发展也引人瞩目。 他们研制了多种类型的锚杆，在俄罗斯第一大矿一库兹巴斯矿区巷道支护所占比重已 达 50％。 我国在煤矿岩巷中使用锚杆支护也已有近 50 余年的历史。从 1956 年起在煤矿岩 巷中使用锚杆支护，20 世纪 60 年代锚杆支护开始进入采区，但由于煤层巷道围岩松 软，受采动影响后围岩变形量很大，对支护技术要求很高，加之锚杆支护理论、设计 方法，锚杆材料、施工机具、检测手段等还不够完善，因而发展缓慢。 “八五”期 间，原煤炭工业部把煤巷锚杆支护技术作为重点项目进行攻关，在“九五”期间，原 煤炭工业部将“锚杆支护”列为煤炭工业科技发展的五个项目之一，对锚杆支护的可 太原理工大学硕士研究生学位论文 8 行性和适用性进行了深入细致的研究，取得了一大批水平较高的科研成果。特别是 1996～1997 年我国引进了澳大利亚锚杆支护技术，在邢台矿务局进行了现场演示， 并完成了与锚杆支护技术有关的 1 5 个项目，使我国的煤巷锚杆支护技术有较大提 高。同时，困难条件下锚杆一锚索支护技术得到了应用，并取得令人满意的支护效果 和经济效益。1995 年，我国国有重点煤矿当年新掘巷道中锚杆支护所占比重为 28.19 ％，其中岩巷中占 57.2％，半煤岩巷占 27.65％，煤巷占 15.15％。到 1998 年，煤巷 锚杆支护比重提高到了 20.14％，半煤岩巷中则提高到了 29.74％。 至今日，人们不仅成功地在稳定和中等稳定以上的岩巷中使用锚杆，而且在软岩 巷道、以及受采动影响的煤巷中也成功地使用了锚杆支护技术。一批技术先进的国有 重点矿区的煤巷锚杆支护率在逐年稳步提高。由于对巷道围岩强度的强化作用，可显 著提高围岩的稳定性，并且有支护成本较低、成巷速度快、劳动强度减轻、提高了巷 道断面的利用率、简化回采面端头维护工艺、明显改善作业环境和安全生产条件等优 点，可提高矿井的经济效益，因而成为矿井巷道的一种主要支护形式。也代表了煤矿 巷道支护技术的主要发展方向。 1.2.3.3 锚杆锚索联合支护 锚固支护技术的不断成熟，使得巷道围岩的主动支护不仅仅是简单的锚杆支护， 而是发展成为锚杆锚索联合支护。 其中对于锚杆来说当锚杆能深入到上部稳定岩层时，锚杆的作用主要表现为 ①将临近巷道顶板上表面的下位分层岩层与稳定岩层相连，阻止塑性破坏岩层垮落； ②锚杆提供径向和切向约束，阻止破坏区内岩层的扩容、离层及滑动，提高岩层的水 平承载能力，使稳定岩层内的应力分布均匀。当锚杆上端部所处的岩层为非稳定岩层 时，锚杆的作用主要是①阻止锚杆锚固区范围内的岩层扩容、离层及滑动，从而提 高岩层的水平承载能力，在破坏范围内形成一个承载层，它可以阻止上部破坏岩层的 进一步扩容和离层；②该承载层形成后，会使上部岩层内的应力分布区域均匀，从而 有利于巷道的稳定。 对于锚索来说与锚杆相比，锚索具有锚固深度大，锚固力大，可施加较大的预 紧力等诸多优点，可以挤紧和压密岩层中的层理、节理、裂隙等不连续面，增加不连 续面 之间的摩擦力，从而提高围岩的整体强度。是困难巷道工程支护加固不可缺少 的重要手段。 太原理工大学硕士研究生学位论文 9 1.2.3 交叉巷道围岩稳定性研究现状 1.2.3.1 围岩受力和破坏情况 随着交叉巷道开挖工作的进行，当第一条巷道开挖后，开挖巷道围岩内的应力平 衡状态由原来的三向应力状态转化为二向应力状态，应力重新分布，顶板下位岩层主 要受水平应力的作用，岩层容易失稳而破坏。当交岔点处第二条巷道掘进时，会引起 围岩内应力的再次重新分布，造成支撑压力的相互叠加，顶板岩层承受的水平应力进 一步增大。研究表明，交岔点处第二条巷道掘进后，围岩内应力集中系数比第二条巷 道开掘前增大 4050[2]。增加幅度最大的区域位于巷道相交并且呈锐角的区域， 使得此三角区域的破坏是巷道交叉部位破坏最严重的区域，该区域的受力和破坏情况 随着巷道交叉形式、围岩强度、交叉角度、巷道断面、侧压系数、应力大小等因素的 变化而变化[23-27]。 1.2.3.2 现有交叉巷道的主要支护方式 通过查阅文献[2847]，目前被广泛应用于交叉巷道围岩的支护方式主要以锚固支 护为主，根据具体支护形式和适用条件大致可分为以下几种 1 锚杆网的支护方式此方法适合于巷道围岩强度较高，且交叉点范围内巷道 断面较小的交叉巷道。 2 锚索悬吊 U 型钢梁的支护方式此方法适用于在现有锚索锚固范围内存在有 厚度较大的稳定岩层，且巷道围岩本身较完整的巷道使用。 3 锚杆锚索网的支护方式此方法适用于在现有锚索或锚杆的锚固范围内存 在有厚度较大的稳定岩层，巷道围岩较破碎的巷道使用。 4 锚杆锚索金属网钢带钢架及喷浆的支护方式此方法的目的也在于使交 叉巷道围岩其形成一个完成整体，提高其承载能力。适用于锚杆或锚索范围内存在有 厚度较大的稳定岩层。 5 锚杆锚索钢带金属网注浆喷浆的支护方式通过对交叉部位围岩内注 浆，提高其围岩强度，并对交叉处的牛鼻子重新浇筑混凝土加固，布置锚杆，挂钢筋 带，并用托盘压紧，初喷一层混凝土。此方法可以在一定程度上提高巷道交叉部位的 围岩强度，增加巷道围岩的承载能力，适用于大部分交叉巷道。 1.2.3.4 交叉巷道设计工作的改进 目前井下巷道交叉点的设计工作都是根据采矿设计手册中的交叉点设计计算 太原理工大学硕士研究生学位论文 10 及作图方法设计而成，以往采用这种设计的交叉点工程量大，交叉点处巷道断面大， 受力状态不好，且有部分空间在实际应用中并无太大用处。文献[4850]便通过分析原 有交叉巷道的设计中的不足和缺陷，在满足矿井通风和运输需要的前提下，通过减小 交叉巷道间最大断面的无效间隙，减小巷道交叉点位置处的大拱高度、跨度、和断面 面积，使交岔点设计工作趋于完善，从而提高交叉巷道的围岩稳定性。 1.3 现存的主要问题 综上所述，目前对于交叉巷道围岩稳定性的研究，目前仍没有一个全面系统的研 究。已有交叉巷道围岩稳定性影响因素的研究，都只是简单的分析了各因素在无支护 情况下，对围岩稳定性的影响规律，没有在分析结果的基础上给出交叉巷道围岩应重 点支护的部位以及与之相适应的支护方式；在交叉巷道支护方式的研究方面，也都是 在具体工程实际的基础上给出相应的支护设计，没有从交叉巷道围岩的受力和具体破 坏形式入手，使支护设计具有很强的针对性和一定的盲目性。 故本文主要针对交叉巷道围岩的受力和破坏特征，通过分析交叉巷道围岩的受力 和破坏特征以及影响其稳定性的各因素的作用规律，找出交叉巷道围岩需重点加强支 护的区域以及与之相适应的合理支护方式。 1.4 本文主要研究内容、方法及意义 本文以兰花集团唐安煤矿 3煤层内的交叉巷道为主要研究对象，在前人工作基 础上，采用理论分析和数值分析，对交叉巷道围岩稳定性进行研究和分析。本论文中 巷道围岩参数、巷道断面形式以及断面尺寸的变化等都除部分来自参考文献外，其他 均取根据该矿井下实测数据。 1.4.1 主要研究内容 具体研究内容和方法如下 1、通过理论分析，研究交叉巷道围岩的应力分布状况，并通过围岩受力情况分 析围岩的破坏形式，通过对交叉巷道围岩受力和破坏特征研究，找出交叉巷道在支护 设计时需要重点注意的部分，以及交叉巷道需要加强支护的范围； 2、运用 FLAC3D数值模拟程序，对影响交叉巷道围岩稳定性的各因素进行数值 模拟研究，得到关于巷道埋深、侧压系数、交叉角度、围岩强度、断面尺寸等因素对 太原理工大学硕士研究生学位论文 11 无支护交叉巷道围岩稳定性及交叉巷道围岩需要加强支护范围的影响规律。 3、通过比较不同锚固支护方案对交叉巷道围岩的支护效果，找出最适合于交叉 巷道围岩支护的锚固支护方案。 4、通过对唐安煤矿井下 3煤层中 3405 工作面进风顺槽与皮带大巷位置处的大 断面交叉巷道锚固的支护设计的模拟研究，验证此种锚固支护的锚固效果。 1.4.2 拟采用的研究方法 本论文拟采用理论分析和数值计算FLAC3D相结合的方法对交叉巷道围岩的稳 定性进行分析和模拟研究。 1.4.3 本课题研究意义 本论文完成后，将对影响交叉巷道围岩稳定性的各个因素做全面的分析研究，并 选择出最适合于交叉巷道围岩的支护方式；对提高交叉巷道围岩稳定性，改善交叉巷 道支护技术与支护质量，减少和杜绝在此类区域内出现各种因支护不到位出现的事 故，减少不必要的支护费用和巷道维修工作量等产生积极的影响并带来显著的技术经 济效益。为今后交叉巷道的支护提供有价值的参考方