礦山開采區巷道掘進對交錯巷道穩定性的影響分析

許 諾，侯殿坤

（內蒙古科技大學，內蒙古 包頭 014010）

巷道布置往往在礦井底部，存在巷道彼此間平行、斜交等近距離跨巷掘進的形式，進而形成交錯布置形式[1-3]。布爾臺礦三盤區12上礦山回風大巷與后掘二盤區礦產資源開采輔運巷呈空間交錯布置。交錯巷道巷間礦體受采掘二次擾動影響，近距離交錯巷道間地層應力疊加互擾較更加明顯、更易導致局部破壞，有限尺寸的巷道及礦體承載結構呈現失穩狀態[4-6]。結合研究礦區的巷道及地層的實際條件，對近距離交錯巷道掘進擾動對地層影響、礦體破壞失穩方式進行分析和研究，為類似工程實例提供理論依據與技術參考。

1 概況

布爾臺礦位于內蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮境內，井田面積193平方公里，可采儲量20億噸，年生產能力2000萬噸。礦井生產能力、主運輸系統能力、開采出的礦產資源洗選加工能力3項世界第一的特大型井工礦井，也是一座集生產、洗選、儲裝、外運綜合布局的特大型高產高效現代化井工礦井。布爾臺礦埋深290 m，均厚2.43 m。礦層直接頂主要為以砂質泥巖為主，局部為粉砂巖、中粒砂巖。爾臺礦三盤區12上礦回風大巷（矩形大巷，斷面尺寸5200 mm×2100 mm）與二盤區資源輔運巷道（三心拱直墻巷道，斷面尺寸5200 mm×3300 mm墻高2000）形成空間立體交錯分布，交錯位置間距5 m。掘進及交錯位置處于直接頂內。

表1 礦層頂底板巖性表

2 掘進巷道數值模擬

如圖1所示，三盤區12上礦回風大巷、二盤區12礦產資源輔運巷呈近距離空間交錯的空間范圍位置為研究對象，二者交錯位置為5m，上巷為先掘巷道，下巷為分步開掘巷道，在上巷采動影響外先掘進20 m，而后每步掘進2 m，模型尺寸為80×80×80 m。對三盤區轉運巷掘進采用FLAC3D數值計算軟件進行建模。因此，擬定了以下方案，建立交錯巷道數值計算模型，研究在埋深290 m條件下、側壓力系數為1、巷道交錯角度90°、巷道間距為5 m的交錯巷道的掘進對礦體的應力位移及破壞研究。

圖1 模型示意圖

表2 地層的力學參數

3 礦體的穩定性分析

3.1 應力分析

位于交錯位置遠端開掘時，呈現出單一巷道布置形式的受力特征，矩形巷道的邊角及巷幫有應力疊加現象，水平應力在上巷頂底板位置集中，兩幫釋放，垂直應力在上巷兩幫出現應力集中，頂底板出現應力釋放。當下巷逐漸掘進至交錯位置時，上巷道頂板礦體局部位置的側向水平應力集中值增加顯著，底板承重力力減弱，垂直應力在上巷兩幫位置疊加加劇。

綜上分析認為，當前條件下在三盤區回風大巷下方較近位置掘進巷道，且逐漸與三盤區回風大巷形成近距離交錯巷道形式，其交錯巷道位置及其附近礦體將受到Z方向垂直應力集中和下巷垂直應力的釋放、上巷X 方向水平應力集中和釋放、下巷Y方向水平應力集中和釋放的綜合擾動影響。掘進后使巷間礦體呈現出單側受力垂直自由面的不利受力。

3.2 位移分析

圖2 應力云圖

圖3 位移云圖

在未掘進到交錯位置的位移分布特征來看，回風大巷的頂板和兩幫的地層變形頂底板圍巖近移量達50mm，兩幫移近量30mm；逐漸掘進到巷道交錯位置，其上方回風大巷頂板移近量最大70mm，兩幫移近量最大40mm以內。當掘進跨巷后，形成交錯巷道布置形式，巷間礦體上部的上巷底板底鼓量增加減小，巷間礦體提下部的下巷頂板下沉量增加顯著。

綜上分析，得益于當前巷道布置位置的較好的工程地質條件，但上下巷形成近距離交錯巷道空間結構，礦體力學狀態及其承載結構將變得復雜特殊，這會加劇三盤區回風大巷的變形程度。交錯位置上巷頂底板兩幫變形增加顯著，交錯上巷底板底鼓相對該位置以外地層鼓起量有所降低，這說明巷道交錯位置的地質層存在整體擠壓加劇并伴隨向下沉陷位移的特征，如果不加以控制存在上下巷貫通是穩破壞的不利局面。

3.3 塑性區分析

遠離交錯布置位置的三盤區回風大巷道的整體塑性破壞在其巷道周圍淺部2m范圍內，出現了巷道周圍地質層塑性破碎圈，但地層破壞沒有波及深部礦體；當掘進到交錯位置上，上巷頂底板塑性區相交，巷道間的地層應力擾動及巷間礦體體積較小，導致上巷底板礦體內部破壞與下巷受擾動破壞接觸。

綜上分析，近距離交錯巷道極易發生塑性區接觸并貫通的不利局面，巷間礦體體積有限，受多次掘進擾動及巷道生產的動載荷影響，加之處于單向受力的情況，巷間礦體破壞十分嚴重，恢復其整體力學性質及承載能力將十分重要。

圖4 塑性區圖

4 結語

（1）掘進至交錯巷道條件下的巷間地層呈現側向受水平應力擠壓變形特征，巷道內礦體受二次擾動，巷道間的地層應力疊加顯著，這將對維護礦體穩定極為不利。

（2）下方輔運巷道頂板呈半圓拱型狀，改善了下方巷道頂板淺部地層應力拉伸破壞及下沉量的情況。但巷間礦體的破壞及多次擾動有整體滑落失穩的危險。因此，控制好巷間礦體成為穩定性關鍵。

（3）本礦交錯巷道處于礦體內部，強度低，地質構造較復雜，礦體多次擾動破壞，加之巷道必然存在動載荷影響，交錯位置需要加強支護以應對復雜的應力疊加破壞。