破碎軟巖頂板大跨度切眼支護(hù)技術(shù)研究

楊文忠

（霍州煤電集團(tuán)河津薛虎溝煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 霍州 031400）

引言

近年來，隨著先進(jìn)煤炭開采設(shè)備的推廣應(yīng)用，綜采工作面煤炭開采速度以及產(chǎn)量等均明顯提升。先進(jìn)的、高功率綜采設(shè)備斷面尺寸較大，從而導(dǎo)致切眼跨度有所增加，大跨度切眼給巷道圍巖控制帶來新的挑戰(zhàn)[1-3]。特別是當(dāng)切眼頂板巖層為破碎軟巖時，圍巖控制難度更大。眾多的研究學(xué)者對大跨度切眼支護(hù)技術(shù)展開研究，并提出錨網(wǎng)索、單體支柱以及圍巖注漿等各種方式實(shí)現(xiàn)圍巖變形控制，現(xiàn)場應(yīng)用也取得一定成果[4-7]。切眼支護(hù)參數(shù)設(shè)計時應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場情況確定，為此本文以山西某礦51103 綜采工作面切眼支護(hù)為工程背景，針對頂板破碎松軟特點(diǎn)，對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，現(xiàn)場應(yīng)用取得較為顯著圍巖支護(hù)效果。

1 51103 綜采工作面概況

山西某礦設(shè)計產(chǎn)能1.2 Mt/年，現(xiàn)階段生產(chǎn)主要集中在5 采區(qū)，開采11 號煤層，厚度平均2.3 m。51103 綜采工作面為5 采區(qū)第2 個回采工作面，采面設(shè)計走向推進(jìn)長度1 108 m、切眼斜長218 m，采面切眼設(shè)計沿11 號煤底板掘進(jìn)，切眼掘?qū)?、掘高分別為6.0 m、2.7 m，凈寬、凈高分別為 5.8 m、2.6 m，具體切眼斷面見圖1。11 號煤層直接頂（厚度9.2 m）為砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，基本頂為中粒砂巖（厚度3.2 m）；直接底（厚度2.5 m）為碳質(zhì)泥巖，基本底（厚度5.8 m）為粗砂巖。

圖1 切眼斷面圖（單位：mm）

在51103 切眼布置范圍內(nèi)，受到區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，局部位置頂板巖層破碎，從而給切眼圍巖支護(hù)帶來制約。切眼圍巖控制時面臨的主要難題為切眼跨度大、頂板局部位置松軟且破碎、頂板巖層承載能力差等問題。因此，需要針對51103 切眼現(xiàn)場條件，針對性制定切眼圍巖支護(hù)措施。

2 切眼支護(hù)參數(shù)設(shè)計及模擬分析

2.1 切眼支護(hù)參數(shù)

51103 切眼圍巖支護(hù)采用錨網(wǎng)索+金屬梁支護(hù)方式，具體切眼圍巖支護(hù)參數(shù)采用工程類比法以及理論分析法確定[8-9]。確定的切眼支護(hù)斷面如圖2 所示，頂板支護(hù)采用長度2.5 m、直徑22 mm 螺紋鋼錨桿，布置間排距分別為600 mm、800 mm，錨固長度為1.2 m；采面幫錨桿為長度為1.7 m、直徑17 mm 的玻璃鋼錨桿，煤柱幫錨桿為長度1.6 m、直徑16 mm 圓鋼錨桿，采面幫及煤柱幫錨桿均按照700 mm、800 mm 間排距布置。采用14 mm 直徑鋼筋焊接成鋼筋托梁、用10號鐵絲編制成金屬網(wǎng)強(qiáng)化切眼表層圍巖支護(hù)。支護(hù)采用的錨索長度為6.5 m、直徑15.24 mm 的鋼絞線（7 股5 mm），錨索按照 800 mm、800 mm 間排距布置，其中靠近巷幫的2 根錨索均按照65°水平角布置。

圖2 切眼支護(hù)示意圖（單位：mm）

當(dāng)切眼掘進(jìn)遇到頂板嚴(yán)重破碎時，可輔助采用頂板注漿方式加固破碎頂板，具體注漿時需采用單體、工字鋼等對注漿區(qū)域進(jìn)行加固，避免注漿過程中出現(xiàn)冒頂或者頂板垮落等問題。注漿漿液為水泥單液漿，注漿壓力依據(jù)現(xiàn)場情況確定，建議注漿壓力控制在3～5 MPa。

2.2 圍巖支護(hù)效果模擬分析

采用FLAC 軟件對51103 切眼采取上述圍巖支護(hù)時圍巖穩(wěn)定性控制效果進(jìn)行分析，具體模擬結(jié)果如圖3 所示。

圖3 切眼支護(hù)后圍巖變形及應(yīng)力分布模擬結(jié)果

從圖3-1 看出，對切眼圍巖進(jìn)行支護(hù)后，切眼頂板、底板及巷幫位移量分別控制在39 mm、10 mm、10 mm，頂板變形區(qū)主要集中在錨桿、錨索支護(hù)范圍內(nèi)，表明切眼頂板布置的錨桿、錨索可有效控制頂板變形；切眼兩幫采用錨桿支護(hù)后可有效提高巷幫煤體強(qiáng)度，降低巷幫位移量并將巷幫應(yīng)力集中向深部位置轉(zhuǎn)移，降低水平擠壓力對切眼底板影響，減少底鼓量。

切眼圍巖支護(hù)后切眼頂板應(yīng)力釋放區(qū)范圍較小，應(yīng)力釋放區(qū)內(nèi)垂向應(yīng)力為0.005 7 MPa，切眼兩幫應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)垂向應(yīng)力峰值為15.88 MPa，具體如圖3-2 所示，同時應(yīng)力峰值向煤壁靠近；從圖3-3 看出，支護(hù)后切眼幫角及幫肩位置剪切應(yīng)力均有所增加，表明設(shè)計的支護(hù)參數(shù)可在一定程度提升幫角及幫肩位置巖體抗剪切變形能力；支護(hù)完成后切眼頂?shù)装?、巷幫最大主?yīng)力分別為1.11 MPa、5.17 MPa。

從圖3-4 看出，支護(hù)完成后切眼幫肩位置出現(xiàn)明顯的剪切破壞，且破壞區(qū)向上延伸高度約為2.5 m；幫角位置出現(xiàn)剪切破壞，向下延伸深度約為2.16 m；切眼頂?shù)装遄冃纹扑轭愋鸵岳炱茐臑橹?，其中頂板塑形破壞區(qū)范圍較底板大；巷幫塑形破壞區(qū)范圍約為1.08 m。從模擬結(jié)果來看，51103 切眼采取的圍巖支護(hù)參數(shù)可滿足破碎軟巖頂板大寬度切眼圍巖控制需要。

3 支護(hù)效果實(shí)測分析

在51103 切眼施工過程對頂板離層切頂圍巖收斂情況等進(jìn)行監(jiān)測。從切眼掘進(jìn)開始即間隔30 m 布置一頂板離層監(jiān)測儀，監(jiān)測頂板離層情況。從監(jiān)測結(jié)果看出，在切眼掘進(jìn)2～7 d 后頂板出現(xiàn)一定離層，在支護(hù)完成30 d 后頂板離層基本趨于平穩(wěn)，監(jiān)測期間發(fā)現(xiàn)頂板離層量控制在5～30 mm，離層量整體較小。從支護(hù)完成后切眼圍巖在支護(hù)完成3 d 時開始出現(xiàn)收斂，支護(hù)完成50 d 后圍巖變形基本穩(wěn)定，其中切眼頂?shù)装?、兩幫變形分別在55 mm、42 mm 以內(nèi)，圍巖變形量整體較小，表明采用的大跨度切眼支護(hù)技術(shù)可滿足圍巖控制需要。

4 結(jié)語

51103 切眼圍巖控制面臨頂板破碎松軟、切眼跨度大等難題，依據(jù)切眼現(xiàn)場圍巖情況、以往切眼圍巖控制經(jīng)驗(yàn)并通過工程類比對切眼支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計，采用數(shù)值模擬技術(shù)分析切眼圍巖支護(hù)情況。發(fā)現(xiàn)采用的切眼支護(hù)方案可提升切眼頂板及幫肩位置巖體強(qiáng)度及穩(wěn)定性，現(xiàn)場應(yīng)用后頂板離層及圍巖變形量均在較小范圍內(nèi)，可滿足切眼內(nèi)綜采設(shè)備安裝以及通風(fēng)需要。