復(fù)雜地質(zhì)條件下大斷面綜采工作面切眼施工及支護技術(shù)研究

李 彪

（霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 呂梁 033200）

隨著機械化、智能化采煤技術(shù)的快速發(fā)展，綜采工作面回采設(shè)備的尺寸也顯著增大，這就需要施工更大斷面的切眼以滿足綜采設(shè)備的安裝及通風(fēng)需要[1]。切眼斷面尺寸及其圍巖條件是決定切眼施工工藝選擇及支護參數(shù)確定的關(guān)鍵因素，切眼斷面越大、圍巖條件越復(fù)雜，其施工及支護難度越大[2]。眾多學(xué)者進行了大量研究，提出采用兩次或多次成巷的施工方式[3]。龐龐塔礦5106 綜采工作面切眼施工期間因斷面大，需穿越斷層構(gòu)造帶等特點，對大斷面過斷層切眼施工及圍巖控制技術(shù)進行了研究，以期為類似工況切眼施工及圍巖控制提供參考。

1 工程概況

5106綜采工作面開采5號煤層，平均厚度5.7 m，平均傾角13°，煤層厚度變化不大，屬較穩(wěn)定煤層，煤層節(jié)理發(fā)育，結(jié)構(gòu)中等，煤層中部夾一層0.35～0.85 m 的碳質(zhì)泥巖。煤層頂?shù)装迩闆r詳見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

5106 工作面東西向布置，東側(cè)為5 號煤一采區(qū)大巷，南側(cè)為5104 工作面采空區(qū)，北側(cè)為5108 工作面。工作面共設(shè)三條回采巷道，工作面傾斜長度為200 m，采用綜采一次采全高采煤工藝，全部垮落法管理頂板。為滿足工作面設(shè)備安裝及通風(fēng)需求，5106 工作面切眼設(shè)計凈斷面為10.8 m×4.5 m（寬×高）。根據(jù)生產(chǎn)地質(zhì)資料，5106 工作面切眼施工期間需穿過5106-F1 正斷層（H=4.0 m，∠65°）和5106-F2 正斷層（H=3.2 m，∠57°）。5106 工作面切眼過斷層期間，受斷面大及圍巖破碎等影響，施工及圍巖控制困難，需采取有效措施控制圍巖變形，確保5106 工作面切眼穩(wěn)定及回采安全。

2 大斷面切眼施工工藝及其圍巖控制技術(shù)

為確保5106 工作面切眼施工安全及成形效果，設(shè)計采用二次成巷工藝進行施工，即首先施工切眼導(dǎo)硐，待切眼導(dǎo)硐施工完成后再沿工作面推進方向一側(cè)將其二次擴刷至切眼設(shè)計斷面尺寸。

2.1 切眼導(dǎo)硐施工及支護設(shè)計

切眼導(dǎo)硐凈斷面5800 mm×4500 mm，沿5106工作面最西側(cè)施工，采用“錨網(wǎng)索+單體柱”聯(lián)合支護。切眼導(dǎo)硐支護斷面如圖1，支護參數(shù)如下：

圖1 切眼導(dǎo)硐支護斷面（mm）

1）頂板。為確保頂錨桿錨固端位于頂板穩(wěn)定的粉砂巖中，采用Ф22 mm×3600 mm 左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1000 mm×1000 mm，150 mm×150 mm×10 mm 的球型鋼板托盤，施加預(yù)緊力不小于160 kN。頂錨索采用Ф21.6 mm×7500 mm 預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，間排距為1800 mm×2000 mm，180 mm×180 mm×12 mm 的球型鋼板托盤，施加預(yù)緊力不小于300 kN。

2）巷幫。西幫錨桿采用Ф20 mm×2400 mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1000 mm×1000 mm；西幫錨索采用Ф21.6 mm×5000 mm 預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，間排距為2000 mm×2000 mm；東幫采用Ф20 mm×2400 mm 玻璃鋼錨桿，間排距為800 mm×1000 mm。

3）其他。沿切眼導(dǎo)硐中線布置一排單體支柱，間距為3000 mm。頂板和兩幫錨桿配合使用規(guī)格為15 mm×150 mm×5200 mm 的W鋼帶及規(guī)格為900 mm×3000 mm 的菱形金屬網(wǎng)。

2.2 切眼導(dǎo)硐二次擴刷及支護設(shè)計

待切眼導(dǎo)硐施工完畢后，沿其東側(cè)巷幫向東擴刷5000 mm 以達到切眼設(shè)計斷面尺寸。在切眼導(dǎo)硐擴刷期間，距切眼導(dǎo)硐中線所布置的單體柱5000 mm 布置第二排單體柱，切眼導(dǎo)硐擴刷范圍頂板支護方式及支護參數(shù)與切眼導(dǎo)硐相同，擴刷后的切眼東幫與切眼導(dǎo)硐東幫支護方式及參數(shù)一致。擴刷完成后的切眼支護斷面如圖2。

圖2 擴刷后的切眼支護斷面（mm）

2.3 過斷層破碎帶注漿支護設(shè)計

受地質(zhì)構(gòu)造活動的影響，5106-F1 正斷層及5106-F2 正斷層周圍巖體完整性較差，破碎程度較高，5106 工作面切眼在穿過上述兩斷層破碎帶期間面臨圍巖變形大，甚至引發(fā)冒頂、片幫等災(zāi)害事故，給切眼安全快速施工帶來較大威脅。為提高斷層破碎帶圍巖整體性，提高圍巖自支承能力，增強圍巖和支護相互作用效果，在5106 工作面切眼過斷層期間采用WTD 中空注漿錨桿對切眼圍巖進行加固，注漿錨桿型號為Ф25 mm×3500 mm，間排距為2000 mm×2000 mm，注漿漿液采用水灰比為0.7:1 的水泥單液漿，注漿壓力控制在2～4 MPa。

2.4 大斷面切眼支護強度驗算

5106 工作面切眼斷面較大，且在施工過程中需穿過斷層破碎帶，為確保圍巖變形控制效果，對5106 工作面切眼支護強度進行驗算。當(dāng)5106 工作面切眼由切眼導(dǎo)硐擴刷至設(shè)計斷面尺寸后，采用公式（1）計算最大冒落高度下切眼頂板覆巖質(zhì)量G：

式中：D為切眼設(shè)計斷面寬度，取10.8 m；h為切眼頂板巖層最大冒落帶高度，結(jié)合5 號煤層頂板覆巖情況，取3.2 m；γ為切眼頂板巖層平均容重，取22 kN/m3。將數(shù)據(jù)帶入式（1）計算得到5106 工作面切眼在擴刷至設(shè)計斷面尺寸后，G=760.32 kN/m。為確保所采用支護方案對5106 工作面切眼頂板圍巖的支護效果，在進行支護強度驗算時不考慮錨桿及其他支護措施，只考慮錨索對切眼頂板的支護效果，可通過公式（2）計算單位長度頂板錨索作用到切眼頂板的支護強度P：

式中：N為切眼頂板每排錨索數(shù)量，取6；P1為錨索錨固力，取350 kN；η為錨索錨固效率，取0.8；d為切眼頂板錨索排距，取2 m。將數(shù)據(jù)帶入式（2）可得P=840 kN/m ＞G=760.32 kN/m。

當(dāng)5106 工作面切眼按照設(shè)計斷面尺寸施工完畢后，在不考慮頂板錨桿及其他支護措施，僅考慮錨索支護效果，即切眼頂板支護全部由錨索承擔(dān)的情況下，錨索支護安全系數(shù)為P/G=840/760.32=1.1。

3 工業(yè)性試驗

在5106 工作面切眼過5106-F1 正斷層破碎帶前后，每隔50 m 布置一組測站，共布置三組測站。其中1#測站位于5106-F1 正斷層破碎帶之前，2#測站位于5106-F1 正斷層破碎帶內(nèi)，3#測站位于5106-F1 正斷層破碎帶之后，對切眼正常段掘進及過斷層破碎帶掘進期間表面圍巖變形情況進行為期30 d 的現(xiàn)場觀測，觀測結(jié)果如圖3。

圖3 不同測站巷道圍巖表面位移情況

由圖3 可知，在不同地質(zhì)條件下5106 工作面切眼掘進期間，其頂?shù)装逑鄬σ平考皟蓭拖鄬σ平侩S觀測時間均呈現(xiàn)出先增大、后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。具體表現(xiàn)為在0～15 d 范圍內(nèi)，切眼頂?shù)装寮皟蓭拖鄬σ平砍试龃筅厔?；?5 d 以后，切眼頂?shù)装寮皟蓭拖鄬σ平炕沮呌诜€(wěn)定。此外，5106 工作面切眼在過5106-F1 正斷層破碎帶之前，其頂?shù)装寮皟蓭拖鄬σ平孔畲笾捣謩e為92.64 mm和51.64 mm；在過5106-F1 正斷層破碎帶期間，其頂?shù)装寮皟蓭拖鄬σ平孔畲笾捣謩e為138.72 mm和81.62 mm；在過5106-F1 正斷層破碎帶之后，其頂?shù)装寮皟蓭拖鄬σ平孔畲笾捣謩e為109.82 mm和64.11 mm。切眼成型效果較好，無冒頂片幫現(xiàn)象發(fā)生。由此可見，5106 工作面切眼在過5106-F1 正斷層破碎帶期間其頂?shù)装寮皟蓭拖鄬σ平孔畲笾惦m比過斷層前后的圍巖相對移近量顯著，但仍在切眼施工允許的變形范圍內(nèi)，表明通過先施工切眼導(dǎo)硐，再二次擴刷的施工工藝，采用“錨網(wǎng)索+注漿+單體支柱”的聯(lián)合支護方式能有效控制其過斷層破碎帶期間的圍巖變形。

4 結(jié)語

1）提出采用先施工切眼導(dǎo)硐，再進行二次擴刷的大斷面工作面切眼施工工藝；

2）提出“錨網(wǎng)索+注漿+單體支柱”的聯(lián)合支護方式控制大斷面切眼過斷層破碎帶圍巖變形；

3）5106 工作面切眼在正常段掘進期間，頂?shù)装寮皟蓭拖鄬σ平孔畲笾捣謩e為109.82 mm 和64.11 mm；在過斷層破碎帶期間，頂?shù)装寮皟蓭拖鄬σ平孔畲笾捣謩e為138.72 mm 和81.62 mm。切眼圍巖變形均在設(shè)計范圍。