大采高綜采工作面大斷面切眼支護(hù)技術(shù)研究
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潘偉明
（神華烏海能源利民煤焦有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，016100）
摘 要 針對(duì)大采高綜采工作面大斷面切眼支護(hù)難題，以利民煤礦16#煤層首采工作面為工程背景，根據(jù)頂板巖層結(jié)構(gòu)觀測(cè)結(jié)果，提出了高強(qiáng)度初始支護(hù)方案，并運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，證明了設(shè)計(jì)方案的可行性�，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，提出的支護(hù)方案能夠有效控制巷道圍巖變形，支護(hù)效果良好，并根據(jù)觀測(cè)結(jié)果對(duì)部分區(qū)域支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化。
關(guān)鍵詞 大采高工作面 大斷面切眼切眼支護(hù) 數(shù)值模擬 中圖分類號(hào) TD353
隨著煤礦高產(chǎn)高效工作面的持續(xù)推進(jìn)和機(jī)械化程度的進(jìn)一步提高，特別是采用大采高開采以來(lái)，工作面設(shè)備日趨大型化，工作面開切眼跨度也不斷增大，部分工作面切眼寬度增大至9～10 m，加大了支護(hù)維護(hù)難度，超大斷面切眼的支護(hù)問(wèn)題成為目前煤礦安全領(lǐng)域的重要難題。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，選取利民煤礦16#煤層大采高首采工作面切眼為工程對(duì)象，根據(jù)頂板巖層結(jié)構(gòu)觀測(cè)結(jié)果，提出了高強(qiáng)度初始支護(hù)方案，并數(shù)值模擬了該方案下切眼圍巖變形情況，并根據(jù)切眼支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)部分區(qū)域支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化，最終取得了工業(yè)性試驗(yàn)成功。
1 工程概況
利民煤礦16#煤層1603工作面為首采工作面，埋深327～334 m，煤層平均厚度6.04 m，為近水平煤層，工作面傾向長(zhǎng)240 m，采用大采高綜采開采方式。1603工作面開切眼為矩形斷面，設(shè)計(jì)切眼尺寸9.0 m×4.0 m（寬×高）。16#煤層厚度變異系數(shù)為26%，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般含3～4層夾矸，偽頂為1.9 m厚的砂質(zhì)泥巖，直接頂板為細(xì)粒砂巖，屬軟弱～堅(jiān)硬巖類，厚度4. 36 m;老頂為砂質(zhì)泥巖，厚度14.12 m，抗壓強(qiáng)度為27.6～71.5 M Pa，屬半堅(jiān)硬巖類；直接底為1.95 m厚細(xì)粒砂巖；本區(qū)煤層頂?shù)装鍘r石的力學(xué)強(qiáng)度較低，以半堅(jiān)硬巖石為主，巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)中等。
2大斷面切眼支護(hù)初始方案設(shè)計(jì)
2.1 頂板巖層結(jié)構(gòu)觀測(cè)
巖體中存在許多不連續(xù)結(jié)構(gòu)面，控制著巖體變形、破壞及其力學(xué)性質(zhì)，而且?guī)r體結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性質(zhì)的控制作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其本身性質(zhì)的控制作用。為準(zhǔn)確研究巖體的變形和力學(xué)性質(zhì)，對(duì)16#煤層切眼附近頂板進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)鉆孔窺視。窺視結(jié)果顯示，9m范圍內(nèi)頂板基本穩(wěn)定，破碎位置分布在1.0～1.4 m、6.6～8.4 m孔深位置的巖層交互帶和砂質(zhì)泥巖層。設(shè)計(jì)頂錨桿長(zhǎng)度2.4 m，處于完整巖石段的長(zhǎng)度為1.0 m，可將頂錨桿錨固在堅(jiān)硬頂板內(nèi)，設(shè)計(jì)的錨索長(zhǎng)度6.3 m或9.3 m，以避開較為軟弱的砂質(zhì)泥巖層。
2.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)
(1)基本支護(hù)技術(shù)方案設(shè)計(jì)。切眼全斷面錨桿共布置18根。頂板選用D22 mm×2400 mm的等強(qiáng)桿體的高強(qiáng)度無(wú)縱筋左旋螺紋鋼錨桿，頂錨桿間排距900 mm，錨固力設(shè)計(jì)為60 k N/根，選用1支K2335快速、1支22360中速樹脂錨固劑。
切眼后幫選用020 mm×2200 mm的等強(qiáng)桿體的高強(qiáng)度無(wú)縱筋左旋螺紋鋼錨桿，工作面?zhèn)葞停ㄇ皫停┻x用移20 mm×2000 mm的玻璃鋼錨桿，幫錨桿間距1050 mm，排距900 mm，每排布置4根錨桿，幫錨桿設(shè)計(jì)錨固力為50 k N/根，幫部選用1支22380錨固劑。
切眼頂板及切眼后幫均選用W鋼帶配合菱形金屬網(wǎng)（頂板圍巖狀況較差時(shí)可用鋼筋網(wǎng)代替）加強(qiáng)支護(hù)。W鋼帶厚度為3 mm，寬度為250 mm，長(zhǎng)度為3300 mm。菱形金屬網(wǎng)由10#鐵絲編織而成，網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm，網(wǎng)片尺寸為4.8 m×1.0 m或4.3 m×1.0 m。切眼前幫主要采用玻璃鋼錨桿配合木托板支護(hù)，木托板規(guī)格為500 mm×300 mm×50 mm。
(2)頂板加強(qiáng)支護(hù)方案。大斷面切眼頂板加強(qiáng)支護(hù)采用小孔徑錨索加強(qiáng)支護(hù)。錨索每排布置5根，錨索間距2.0 m，排距2.7 m。錨索規(guī)格為017.8 mm×6300 mm的預(yù)應(yīng)力鋼鉸線，外露長(zhǎng)度為300 mm。每根錨索用1支K2335、2支22360錨固劑，有效錨固長(zhǎng)度1. 65 m，張拉力均不低于120 k N。
3 支護(hù)方案數(shù)值模擬研究
3.1 模型建立
運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸為300 m×150 m×2 m(x×y×z)。模型x和z方向分別在邊界上限制水平，y方向上固定底邊界，上邊界為自由面，模型網(wǎng)格劃分采用四面體單元，網(wǎng)格劃分的原則是越靠近16#煤層的各巖層網(wǎng)格劃分越密。模型選用莫爾一庫(kù)侖本構(gòu)模型，煤、巖層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。
3.2 結(jié)果分析
通過(guò)模擬試驗(yàn)可以直觀了解設(shè)計(jì)支護(hù)條件下大斷面切眼圍巖的變形和應(yīng)力分布狀態(tài)，從而檢驗(yàn)支護(hù)設(shè)計(jì)方案是否合理可行�，F(xiàn)有支護(hù)方案下，模擬試驗(yàn)結(jié)果表明切眼頂?shù)装搴蛢傻捉翘幊霈F(xiàn)小范圍的高應(yīng)力集中，其中水平應(yīng)力峰值約為24 M Pa，兩幫垂直應(yīng)力峰值約為3 MPa;切眼頂板最大下沉量為47 mm，底板最大位移量為65 mm，切眼兩幫最大移近量79 mm。
大斷面切眼跨度大，掘出后頂板煤巖體更容易沿著破裂煤巖體裂隙等弱面滑動(dòng)產(chǎn)生變形，錨桿可以對(duì)圍巖裂隙弱面的滑動(dòng)起到控制作用，錨索在深部更穩(wěn)定圍巖懸吊及軸向力加壓作用，可提高圍巖整體的穩(wěn)定性。模擬結(jié)果的圍巖應(yīng)力分布表明，本支護(hù)方案很好地改變了圍巖的力學(xué)性質(zhì)，增強(qiáng)了圍巖的粘結(jié)力，并有效地抑制了切眼擴(kuò)容現(xiàn)象的發(fā)生，使切眼圍巖應(yīng)力分布更加合理，而錨索對(duì)頂板的懸吊作用可較好控制巷道頂板離層的發(fā)生，由此可知本支護(hù)設(shè)計(jì)方案是合理可行的，可應(yīng)用于切眼支護(hù)工程實(shí)踐。
4切眼圍巖支護(hù)效果監(jiān)測(cè)及優(yōu)化
4.1 切眼支護(hù)效果監(jiān)測(cè)
評(píng)價(jià)切眼穩(wěn)定性的重要指標(biāo)包括頂板最大下沉量和下沉穩(wěn)定時(shí)間，切眼掘進(jìn)后，在不同位置設(shè)置了頂板下沉量觀測(cè)測(cè)站，以監(jiān)測(cè)切眼頂板下沉量，切眼掘進(jìn)20 m后安裝了錨桿、錨索受力監(jiān)測(cè)儀器，以監(jiān)測(cè)錨桿、錨索受力變化。隨切眼掘進(jìn)，共在切眼開始掘進(jìn)處、掘進(jìn)20 m、40 m、60 m和80 m處布置了5個(gè)測(cè)站。切眼頂板下沉量監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1所示。
切眼開口處頂板最大下沉量約為35 mm，下沉穩(wěn)定時(shí)間為8 d；距開口20 m處、40 m處、60m處頂板最大下沉量分別為45 mm、46 mm和44mm，下沉穩(wěn)定時(shí)間都為12 d；距開口80 m處監(jiān)測(cè)時(shí)間短，監(jiān)測(cè)的初始下沉值為43 mm，未有明顯上升趨勢(shì)。整體來(lái)看，切眼頂板下沉量未超過(guò)50 mm，頂板圍巖基本完整，下沉穩(wěn)定時(shí)間小于12 d，頂板受掘進(jìn)采動(dòng)影響周期短。
圖2為切眼內(nèi)錨桿、錨索荷載監(jiān)測(cè)曲線，監(jiān)測(cè)對(duì)象為切眼中部頂板3根錨桿和1根錨索的受力，監(jiān)測(cè)的錨桿荷載基本無(wú)明顯增加情況，錨索荷載有一定增加，但增加幅度不明顯，說(shuō)明現(xiàn)有支護(hù)方案可阻止頂板離層和下沉，支護(hù)方案有效。
4.2 支護(hù)方案優(yōu)化
影響大斷面切眼支護(hù)效果的因素除掘進(jìn)工藝外，還包括圍巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)和巷道支護(hù)質(zhì)量。如切眼遇軟弱構(gòu)造帶，受構(gòu)造應(yīng)力作用，圍巖內(nèi)生裂隙較多，造成頂板和兩幫較為破碎，影響切眼圍巖完整性，要求初始支護(hù)方案應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。由于工人安裝操作不當(dāng)，也會(huì)導(dǎo)致初始錨固力不合格問(wèn)題，造成支護(hù)構(gòu)件不能正常發(fā)揮效用，因此，對(duì)1603工作面切眼支護(hù)進(jìn)行了優(yōu)化。
(1)掘進(jìn)期間，根據(jù)頂板情況實(shí)施兩級(jí)頂板管理，正常頂板采用初始支護(hù)方案，地質(zhì)異常區(qū)域采用加強(qiáng)支護(hù)方案，如切眼掘進(jìn)至45 m時(shí)，遇變坡段，傾向角度增大至130，此區(qū)域頂板較為破碎，錨索長(zhǎng)度增大至9.3 m，其它參數(shù)不變，以增加對(duì)頂板深部離層的控制。
(2)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過(guò)程中，采用錨桿無(wú)損檢測(cè)儀對(duì)切眼內(nèi)錨桿軸向受力和錨固段長(zhǎng)度進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明部分錨桿的軸向力偏小，說(shuō)明錨桿預(yù)緊力不達(dá)標(biāo)。高預(yù)應(yīng)力是巷道支護(hù)系統(tǒng)的要素之一，要求預(yù)緊力應(yīng)達(dá)到錨桿屈服強(qiáng)度的30%～50%，設(shè)計(jì)要求錨桿的預(yù)緊力矩應(yīng)達(dá)到300 N．m，因此，后期施工應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)預(yù)緊力管理，在不增加成本的情況下，提高現(xiàn)有支護(hù)方案的效能。
5結(jié)論
(1)根據(jù)煤層賦存條件，提出了高強(qiáng)度大斷面切眼支護(hù)方案，并采用數(shù)值 模擬手段，對(duì)該方案下切眼圍巖應(yīng)力分布及變形特征進(jìn)行了研究，證明了設(shè)計(jì)方案的可行性。
(2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，提出的支護(hù)方案能夠有效控制巷道圍巖變形，支護(hù)效果良好，滿足施工要求，并根據(jù)地質(zhì)條件，對(duì)部分區(qū)域支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化。
(3)根據(jù)地質(zhì)條件，提出初始支護(hù)方案，結(jié)合前期數(shù)值模擬和施工中的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)大斷面切眼支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化是可供借鑒的可行方法。
