赵长红，吕兆海

(1.宁夏煤炭基本建设有限公司，宁夏 银川 750004；2.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，宁夏 银川 750000)

交岔点主要分为两类，第一类为井筒或车场在掘进期间按标准道岔布置方式掘进甩车场或绕道而形成的交岔点，这类交岔点通常按照标准设计进行支护，通常由两个标准断面、一个渐变断面及柱墩组成；第二类交岔点通常是为解决巷道通风、行人、运料等问题而连通两条已有的巷道形成的“十字”或“丁字”形交岔点。交岔点处巷道顶板悬露面积较大，应力集中程度较高，极易造成顶板围岩的变形和破坏，尤其是二次开挖扰动造成围岩应力重新分布与叠加，进一步加剧了巷道变形失稳。交岔点支护范围内受力复杂，围岩稳定性差，如何有效控制交岔点大断面围岩稳定性引起了国内外专家高度关注，许多学者对不同巷道支护技术进行了研究。张伟等[1]提出在应力集中作用下，巷道交岔点围岩破坏区域范围较大，围岩稳定性最差，为达到有效控制围岩可采用整体锚固支护原则；王景义等[2]提出采用锚索改棚技术提高围岩整体性，充分调动围岩承载能力的设计思路，可有效控制围岩的变形破坏；王炯等[3]认为受浅部支护理论及支护技术水平的限制，传统锚网索支护下的大断面交岔点处局部支护状况恶化，关键部位产生破坏，采用锚网索耦合支护技术交岔点变形得到有效控制；谢文兵等[4]提出锚注加固软岩硐室支护方案能使围岩由塑性变形的极限平衡状态转为稳定平衡状态；林惠立[5]认为地质构造复杂、膨胀型黏土矿物和应力集中是大断面硐室群变形破坏的主要原因；黎劲东等[6]提出了全断面封闭抗压是吸水膨胀性软岩巷道支护的关键技术；吕兆海等[7]提出了交岔点分区加固支护工艺。但是针对复杂膨胀性围岩条件下交岔点的变形破坏及支护研究相对较少，设计和支护技术还不太成熟。关于复杂膨胀性围岩条件下交岔点的支护机理还需进一步研究。

根据清水营煤矿主斜井与二号检修联络巷贯通形成的“丁字形”交岔点的实际情况，结合主斜井围岩特性，巷道围岩遇水膨胀扩容导致原支护结构变形失稳的演化特征，提出了复杂膨胀性围岩条件下交岔点采用“柔性支护+异形、支撑支架+全断面封闭抗压”方式，有效控制了围岩变形，确保了交岔点围岩长期稳定。

1 工程概况

清水营煤矿主斜井主体沿二煤底板布置，二煤厚度5.25m，煤层倾向角度23°～30°，顶底板煤岩体节理裂隙发育，顶板为砂岩含水层，岩石易软化、强度低、坚固性差；底板主要成分为高膨胀性的伊利石、绿泥石，其中伊利石40.4%，绿泥石29.8%，石英29.8%，伊利石、绿泥石为膨胀性矿物，占底板成分的70%以上。主斜井断面形状为半圆拱形，净宽4.2m、净高3.4m、坡度25°。维修过程中主体采用“锚网索喷+29#U钢支架”全断面封闭支护，局部采用钢管混凝土支护。二号检修联络巷下口为矩形断面，净宽4.2m、净高3.0m，与主斜井斜交贯通，交叉点平面布置如图1所示。交岔点处原支护采用“锚网喷+锚索梁”进行支护，受地质条件及地下水的影响巷道整体变形严重。

2 交岔点围岩变形因素及特性分析

2.1 交岔点变形特点

原有支护条件下交岔点范围内受围岩叠加应力及围岩吸水膨胀扩容压力的影响，巷道底鼓、帮部内敛失稳诱发巷道整体来压，浆皮开裂，顶板下沉，造成交岔点局部失稳。

图1 交岔点平面布置图(mm)

2.2 交岔点变形原因分析

交岔点受巷道围岩应力、二次扰动应力等影响，应力场分布复杂，更易发生变形破坏，交岔点附近围岩产生较大变形的主要原因表现在以下几个方面：

1)支护强度及支护形式。在吸水膨胀性软岩巷道中，一般要求采用全断面封闭抗压的支护方式提高围岩稳定性。但在交岔点的支护过程中一般采用锚网索喷联合柔性支护，支护系统的承载能力达不到围岩变形所要求的强度。另外交岔点底板支护强度有限，导致了巷道底板围岩吸水膨胀持续变形，从而诱发两帮收敛破坏，最终导致交岔点整体变形失稳。

2)围岩性质。交岔点所处岩层的强度和结构状态对其稳定性起着决定性作用[8-11]。由于主斜井及联络巷形成的交岔点整体布置在强度较低、膨胀性较高的岩层中，其围岩岩性软弱，围岩原始含水率高，围岩载荷-强度比大，自身的承载能力存在一定的局限性。

3)应力场分布。交岔点开挖为巷道相互交岔的空间问题，联络巷在贯通形成交岔点的过程中造成应力叠加，扩大了围岩的扰动范围，受二次开挖扰动及围岩吸水膨胀应力的影响，应力场分布更加复杂。地应力重新分布后，易在巷道交岔点的角点处产生应力集中，而且巷道开挖与施工相互扰动，增加了围岩变形控制难度。

4)地下水。由于巷道围岩以高膨胀性的伊利石、绿泥石为主，巷道围岩长期受地下水的渗透、侵蚀作用，巷道围岩吸水膨胀扩容，导致膨胀的围岩强度降低，同时围岩膨胀扩容产生的压力加剧了支护体的破坏。

2.3 交岔点支护难点

1)受应力场重新分布的影响，交岔点围岩发生塑性变形的范围广，围岩变形速度快，支护体短时间内需承受较大荷载[12-14]。

2)吸水膨胀性软岩，一般采用全断面封闭的可缩性钢支架进行抗压支护，但是受交岔点空间及断面的影响，难以架设全断面封闭的可缩性钢支架进行加强支护[15-17]。

3)与巷道相比，交岔点的开挖空间更大，围岩应力更为复杂，支护体结构与施工工艺设计更为繁琐。

3 复杂膨胀性围岩交岔点控制技术

3.1 复杂膨胀性围岩交岔点变形控制理论

1)水理作用是导致复杂膨胀性围岩巷道变形的主要因素，在巷道的支护过程中加强巷道淋水及渗水的治理，尽早封闭巷道围岩，避免地下水与巷道围岩直接接触，可有效控制围岩吸水膨胀产生膨胀应力并防止膨胀性围岩自承能力的降低。

2)若要维持复杂膨胀性围岩巷道的长期稳定，就必须控制膨胀性围岩巷道的蠕变变形。文献[18，19]研究表明围岩蠕变速度与围岩内径向应力梯度成正比，当径向应力梯度下降到一定数值时，蠕变速度为0，巷道可达到长期稳定。围岩蠕变速度与径向应力关系为：

式中，V为围岩蠕变速度，mm；λ为围岩蠕变系数；σr为距巷道中心r处深部围岩径向应力，MPa；σr0为巷道周边围岩径向应力，MPa；r为巷道深部围岩距巷道中心的距离，mm；r0为巷道等效半径，mm。

由式(1)可知，在巷道围岩蠕变系数λ一定时，可以通过增大支护体对围岩的支护反力以提高巷道周边围岩的径向应力从而降低围岩径向应力梯度，保持巷道围岩的稳定。

因此，在复杂膨胀性围岩交岔点的支护中，前期必须尽快封闭围岩防止围岩吸水膨胀并采用强度较高的柔性支护防止其产生较大蠕变变形；后期采用强度较高的支护体提高围岩径向应力。针对以上特点在复杂膨胀性围岩交岔点支护中采取“有限让压+全断面封闭抗压”的支护思路。“有限让压”就是通过锚网索支护实现有限度的柔性让压技术，进而有效控制膨胀性巷道围岩的蠕变，使围岩内切向应力峰值点向巷道围岩深部转移。“全断面封闭抗压”就是通过喷浆封闭隔绝围岩继续吸水膨胀，保持围岩相对较高的自承能力，并通过架设全断面封闭的刚性支架限制巷道围岩的蠕变进而控制巷道围岩内径向应力，降低围岩径向应力梯度，使巷道围岩达到长期稳定的状态。

3.2 膨胀性软岩交岔点变形控制技术

在膨胀性复杂围岩条件下，采用合理的支护方式既可以保证巷道围岩应力的有效释放，也可对巷道围岩采取强有力的支护方式限制其蠕变破坏，保持巷道的长期稳定。

3.2.1 柔性有限让压支护技术

交岔点整体采用锚网索喷支护，为有效控制巷道围岩变形，采用“有限让压”的柔性支护思想。在交岔点支护过程中全断面采用Φ22mm×2500mm的BHRB400高强高预应力锚杆进行支护，锚杆间排距800mm×800mm，每根锚杆采用2节MSK23/70型树脂药卷进行锚固，预紧力矩200kN·m，锚索采用Φ21.98mm×7300mm钢绞线，每根锚索采用4节MSK23/70型树脂药卷进行锚固，锚索梁采用29#U型钢，锚索间排距1600mm×2400mm，采用强度C20、厚度50mm的喷浆层进行初次封闭，隔离巷道围岩与地下水的接触；高预应力锚网支护发挥了主动支护特点，有效控制巷道围岩变形。

3.2.2 刚性全断面封闭抗压支护技术

为保证支护效果，交岔点刚性支护采用“钢管混凝土支架+钢筋网+400mm厚混凝土喷浆层”，钢管内注C30混凝土。交岔点支架分为异形支架和支撑架。异形支架为非封闭支架，呈“C”形；支撑架为封闭式支架，形状为近圆形。支撑架与异形支架之间以挡板对接，非封闭式的异形支架与封闭式的支撑架共同组合形成封闭的支护结构，如图2、图3所示。

其中，支撑架采用Φ245mm×10mm无缝钢管制作，搭接架共计5架为1-5号，异形支架主体采用194mm×10mm的无缝钢管制作，搭接架间距700mm，支架均加焊Φ40mm的抗弯圆钢。

图2 钢管混凝土支撑支架图(mm)

图3 钢管混凝土异形支架图(mm)

4 施工工艺及效果分析

4.1 交岔点支护工艺

4.1.1 支护工艺流程

交岔点钢管混凝土支架的安装顺序：支撑架→异形支架底梁→异形支架立柱→异形支架顶梁。交岔点支架施工工艺：①首先拆除交岔点原支护材料，对巷道进行挑顶、扩帮后进行锚网喷支护；②在二号检修联络巷口安装支撑架。通过锁腿锚杆进行固定，然后将异形支架底梁按照支撑架已焊接的卡槽位置进行安装；③安装异形支架立柱；④最后安装异形架顶梁，对支架进行调整；⑤支架位置微调，确保架设位置及迎山角符合要求；⑥采用锁腿锚杆进行固定，逐架安装完成后，对支架壁后空隙以木板背实；⑦预留注浆孔及排气孔，对钢管混凝土支架外侧挂钢筋网进行喷浆封闭，防止在注浆过程中由于受力不均导致倒架；⑧连接管路使用混凝土输送泵向支架内灌注 C30混凝土；⑨地坪以下采用 C30混凝土浇筑底板，地坪以上支架内侧挂钢筋网，施工400mm 厚混凝土喷浆层。

4.1.2 支护工艺控制重点

1)在倾斜区域施工钢管混凝土支架过程中，对整个支架预留注浆、排气孔后应进行喷浆封闭，防止在注浆过程中因受力不均导致钢管混凝土支架倾倒或迎山角发生变化，影响支护质量。

2)在注浆过程中要注意排气孔中浆液连续外流，确保钢管混凝土支架内混凝土充填饱满，以顶部排气孔流出约5kg混凝土作为标志。

3)注浆过程中要严格控制混凝土配合比及碎石粒径，河砂粒径0.35～0.5mm，碎石粒径≤20mm，混凝土搅拌均匀。确保混凝土坍落度满足施工要求，防止因配合比不当或碎石粒径偏大造成堵管。

4.1.3 钢管混凝土支架架设标准

钢管混凝土支架架设标准：①钢管顶弧段与立柱对接齐整，使套管底端准确滑落至定位卡销处，误差不大于5mm，最后安装顶杆并紧固螺栓；②钢管混凝土支架安设迎山角符合设计要求，迎山角5°；③钢管混凝土支架安装完成后，支架壁后空隙以木板背实，防止支架滑动；④钢管混凝土支架的连接板、撑拉杆齐全有效，防止发生倒架；⑤混凝土输送泵向支架内灌注C30混凝土，混凝土充填饱满、密实；⑥喷浆层密封钢管混凝土表面，防治钢管混凝土支架锈蚀，保护层厚度不小于50mm。

4.2 效果分析

清水营煤矿主斜井与二号检修联络巷交岔点于2018年6月施工完毕，通过近半年的观测，巷道表面混凝土喷层没有开裂迹象，巷道收敛量低于30mm，交岔点围岩变形及支护效果如图4所示。

图4 交岔点支护效果图

5 结 论

1)在复杂膨胀性围岩条件下，交岔点支护的重点是通过采用非封闭异形支架和封闭式支撑架，形成全封闭抗压支护体系，达到全断面抗压支护效果。

2)在复杂膨胀性围岩条件下，采用有限让压的柔性支护是基础，采用全断面封闭的刚性支护是关键。

3)在交岔点施工期间，支撑架与异形支架共同形成的支护系统确保了围岩稳定性。其中支撑架的强度及刚度是保证交岔点支护系统的关键。

4)在倾斜区域中架设钢管混凝土支架，应在预留注浆、排气孔的前提下进行喷浆封闭，防止支架在注浆过程中因受力不均导致倾倒或错动，影响支护质量。