應(yīng)力顯現(xiàn)條件下掘進支護方式的研究與應(yīng)用

龔亞光，王建宇，王永濤

(兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦，山東 兗州272102)

0 引 言

興隆莊煤礦是國家“六五”期間自行設(shè)計和建造的第一座年產(chǎn)300 萬t 的大型現(xiàn)代化礦井，1981 年12 月正式投產(chǎn)使用。現(xiàn)核定生產(chǎn)能力已躍升至年產(chǎn)660 萬t。隨著礦井服務(wù)年限的不斷增加,采掘活動日益增多,掘進工作面施工經(jīng)常會遇到一些特殊地質(zhì)條件，為確保掘進期間的施工安全，增強掘進巷道的穩(wěn)定性和安全性。通過對地質(zhì)條件、頂板變化和支護方式的分析、研究與總結(jié)，不斷改進優(yōu)化支護方式，為類似地質(zhì)條件下掘進施工積累了寶貴的經(jīng)驗。

1 10309 運順掘進工作面簡介

10309 運順掘進工作面位于劉家崗、大廟村南東，東灘礦以北。工作面標(biāo)高-392.7～-429.2m，所在煤層為下二疊系月門溝統(tǒng)山西組底部之3 煤，以亮煤為主，含鏡煤條帶，屬半亮型煤，煤層傾角2～8°,平均3°。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在距頂板2.8～3.0m 處存在厚度約0.03m 的炭質(zhì)細砂巖夾矸，煤層厚度一般為8.1～10.28m，平均9.3m。普氏硬度系數(shù)f=2～3。

本掘進工作面所在煤層直接頂共有2 層，下層為粉砂巖，厚度2.7～4.3m，上層為砂質(zhì)粘土，厚度18.7～23.7m；直接底為中粒砂巖，厚度3.2～4.6m；基本底為泥質(zhì)細砂巖，厚度5.8～7.9m。地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層總體為一單斜構(gòu)造，發(fā)育次一級的波狀起伏，煤層傾向NW～SE。兩側(cè)均為實體煤掘進，且掘進期間無斷層發(fā)育。

10309 運順掘進工作面為綜掘工作面，設(shè)計長度約1045m，巷道采用凈寬4.8m，高度為3.5m 的矩形斷面，采用錨網(wǎng)索帶聯(lián)合支護。

2 工程施工概述

10309 掘進工作面施工過程中，根據(jù)規(guī)程設(shè)計要求及現(xiàn)場應(yīng)力顯現(xiàn)等實際情況可大體分成3 個階段：①運順機頭硐室施工階段；②應(yīng)力集中顯現(xiàn)施工階段；③正常施工階段。本文將針對應(yīng)力集中顯現(xiàn)階段進行詳細地研究與分析。

2.1 運順機頭硐室施工階段

1）10309 運順掘進工作面施工期間，為滿足回采期間的設(shè)備安裝需要，在施工初期同時施工處機頭硐室。根據(jù)設(shè)計要求，機頭硐室長度約77m，共分為3 部分。

第一部分：長度約13m，采用上寬6m、下寬7.8m、保證巷道高度2.7m 位置6.6m 的大梯形斷面，巷道高度4.0-～4.2m，坡度按0°施工。采用一次截割全寬的方式進行施工。

第二部分：長度約19m，采用上寬7m、下寬8.8m、保證巷道高度2.7m 位置7.6m 的大梯形斷面，巷道高度4.0～4.2m，坡度按-3°施工。采用先導(dǎo)硐后擴寬的方式進行施工。期間從四采下部集運巷上方通過，實際凈煤柱約3.5m，在四采下部集運巷內(nèi)共架棚18 架。

第三部分：長度約45m，采用上寬4.8m、下寬6.0m、巷道高度4.0～4.2m 的直角梯形斷面，坡度按-3°施工。施工期間將漲緊硐室同時完成，漲緊硐室主體尺寸：長×寬＝5.0m×2.5m。

2）機頭硐室施工期間，雖然斷面相對較大，但并無明顯動力及應(yīng)力顯現(xiàn)情況出現(xiàn)，頂板完整，施工較為順利。

2.2 應(yīng)力集中顯現(xiàn)階段

機頭硐室施工結(jié)束后，開始按-6°施工，當(dāng)10309 運順施工至98m 位置時（為距10309 運順起點位置，下同），巷道兩側(cè)底角均找至3 煤底板。然后，巷道開始沿右?guī)偷? 煤底板施工，為確保底板平整，左幫底部截割巖石0.5m～1.0m 不等。

自該位置開始，巷道內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中顯現(xiàn)情況。主要表現(xiàn)為迎頭后方錨索斷裂、頂板下沉（即頂板離層儀讀數(shù)增大）、煤炮頻發(fā)等應(yīng)力顯現(xiàn)情況。針對出現(xiàn)的應(yīng)力集中顯現(xiàn)情況，通過對地質(zhì)條件、頂板變化和支護方式的分析、研究與總結(jié)，不斷改進優(yōu)化支護方式，最終實現(xiàn)安全掘進。支護方式優(yōu)化過程主要經(jīng)過以下3 個階段。

1）在98m-113m 施工期間，多次出現(xiàn)錨索斷裂、頂板下沉等情況出現(xiàn)。且經(jīng)統(tǒng)計，錨索斷裂位置基本在工作面頂板以上2.5m-3.0m 之間，錨索斷裂具有明顯徑縮現(xiàn)象?？梢酝茢嘣搮^(qū)域施工期間，錨索斷裂方式均為受拉力所致。為此，采取在85m-～113m 區(qū)域內(nèi)順巷布置2 條U 型鋼錨索梁及支設(shè)單體支柱的方式進行補強支護。

2）鑒于上述應(yīng)力顯現(xiàn)情況，為確保工作面施工安全，在113m～188m 施工期間，隨掘進施工，每隔一排（即排距為1.8m）布置一條U 型鋼錨索梁。修改支護方式后，仍出現(xiàn)錨索斷裂情況，但頂板下沉量減少，且錨索斷裂位置基本在錨索鎖具與鋼帶結(jié)合位置。由此，可以推斷該區(qū)域施工期間，錨索斷裂方式均為受剪切力所致。

3）鑒于上述應(yīng)力顯現(xiàn)情況，為確保工作面施工安全，在188m～236m 施工期間，頂部支護方式修改為，隨迎頭掘進每隔排布置一條20# 槽鋼錨索梁。支護參數(shù)修改后，未出現(xiàn)斷錨索情況，但頂板仍不穩(wěn)定，成型較差，需要每排施工超前錨桿用以控制頂板成型。尤其是196m～198m 頂板出現(xiàn)漏頂情況，漏頂高約2m、長度約3m。

鑒于上述應(yīng)力現(xiàn)象情況，經(jīng)過研究分析決定，自236m～356m 施工期間，修改支護參數(shù)如下：

1）將掘進設(shè)計斷面由凈寬4.8m 縮短至凈寬4.6m；

2）頂部錨桿的長度由2.4m 加長至2.8m。

3） 將20# 槽鋼錨索梁的長度由3.0m 縮短至1.5m，并且每排布置一條槽鋼錨索梁配合2 條錨索。

自此次修改支護方式后，頂板逐步趨于穩(wěn)定，成型變好?；径沤^錨索斷裂情況、頂板下沉量及煤炮明顯減少。由于可以推斷，該種支護方式符合現(xiàn)場需要，能夠滿足頂板支護強度要求。因此，在后續(xù)工作面掘進期間均按照上述支護方式進行施工，效果良好。

2.3 正常施工階段

經(jīng)過上述應(yīng)力顯現(xiàn)情況，多次優(yōu)化改進支護方式后，工作面頂板趨于穩(wěn)定。因此，在后續(xù)工作面掘進期間均按照上述支護方式進行施工，直至全部工程施工結(jié)束。

3 應(yīng)力顯現(xiàn)成因分析

3.1 導(dǎo)致應(yīng)力顯現(xiàn)明顯的成因分析

1）根據(jù)煤層柱狀圖可知，3 煤的上覆巖層中有一層厚度約18.7m～23.7m（平均厚度約21.75m）的砂質(zhì)粘土。掘進截割后上覆巖層應(yīng)力重新分布，但由于該巖層承壓較弱且具有遇水膨脹等特性，導(dǎo)致掘進巷道頂板變形嚴(yán)重，應(yīng)力顯現(xiàn)明顯。如圖1 所示。

圖1 煤層柱狀圖

2）該區(qū)域兩側(cè)均為實體煤掘進，掘進施工前原巖應(yīng)力無任何釋放。掘進截割后，巷道四周煤巖體的應(yīng)力重新分布，加之頂部支護強度不足，導(dǎo)致頂板受壓明顯，變形量較大等情況出現(xiàn)。

3.2 頂板變化方面分析

1）經(jīng)統(tǒng)計，錨索受拉力斷裂范圍，大體上為距掘進迎頭5～15m 范圍內(nèi)。換而言之，應(yīng)力顯現(xiàn)情況為隨工作面掘進顯現(xiàn)，即受采動影響所致。

2）根據(jù)頂板離層儀變化曲線分析，如圖2 所示。

圖2 頂板離層儀變化曲線

根據(jù)10309 運順的全部離層儀變化情況觀察，頂板下沉及變形大體可分為以下三個階段：

驟變階段：掘進0～7 天內(nèi)，頂板有下沉及變形量，且變化較大。

蠕變階段：掘進7～15 天內(nèi)，頂板有下沉及變形量，但變化相對較小。

平穩(wěn)階段：掘進15 天之后，頂板趨于平穩(wěn)，基本無下沉及變形量。

3.3 支護方面分析

1）應(yīng)力明顯顯現(xiàn)初期，錨索斷裂位置基本在2.5m～3.0m 之間，且錨索斷裂均出現(xiàn)明顯徑縮現(xiàn)象。但該區(qū)域施工期間無錨桿斷裂現(xiàn)象出現(xiàn)。如圖3 所示：

由于錨索徑縮現(xiàn)象明顯，基本可以證實錨索斷裂多為受拉力所致。因此大體可說明，淺部支護（頂板錨桿支護范圍內(nèi)）強度能夠滿足壓力變化，但深部支護（頂板錨索支護范圍內(nèi)）強度無法滿足壓力變化。

2）使用U 型鋼錨索梁隨迎頭掘進期間，錨索斷裂位置基本在錨索鎖具與鋼帶結(jié)合位置，且錨索斷裂位置均為平滑切口。如圖4 所示：

圖3 錨索徑縮現(xiàn)象

圖4 錨索受剪切力斷裂

因此，大體可說明，該區(qū)域施工期間，錨索斷裂多為受剪切力所致。

經(jīng)分析認(rèn)為，導(dǎo)致該問題出現(xiàn)的原因主要為：頂板受壓變形，導(dǎo)致U 型鋼翻滾對錨索進行剪切所致。

4 支護方式研究確定

1）縮小斷面：巷道凈寬縮小為4.6m 斷面，減少頂板承壓范圍；

2）使用槽鋼：避免U 型鋼翻滾剪切錨索；

3）使用2.8m 頂部錨桿［3］：加長頂部錨桿的長度，即加長頂板淺部支護范圍；

經(jīng)過多次支護方式調(diào)整及現(xiàn)場實際情況證實，以上措施能夠加強頂板的管控強度，提高支護的可靠性。支護效果較為明顯，且安全可靠。

5 其他安全防護措施

工作面掘進施工期間，除采取上述支護方式外，為確保人身安全，補充采取以下兩種防范措施。

1）在掘進機司機座位上方安裝防護罩，防止錨索斷裂下墜傷人。

2）采取全包圍防護網(wǎng)的方式，對錨索進行保護，防止錨索斷裂及讓壓環(huán)崩斷傷人。

如圖5 所示

圖5 其他安全防護措施

6 結(jié) 語

通過對10309 運順掘進工作面在特殊地質(zhì)條件下，應(yīng)力集中顯現(xiàn)情況的研究與分析后，采取了適當(dāng)?shù)闹ёo方式，取得了較為顯著的效果。至今，10309 運順掘進工作面已經(jīng)全部施工完畢，頂板管控效果明顯，未在出現(xiàn)錨索斷裂、頂板下沉及煤炮頻發(fā)等應(yīng)力顯現(xiàn)情況出現(xiàn)。由此可見，對10309 掘進工作面應(yīng)力顯現(xiàn)成因分析及支護方式優(yōu)化改進，符合現(xiàn)場的實際情況，為類似條件的掘進施工積累了豐富的經(jīng)驗，具有非常重要借鑒意義。