特大斷面切眼受載變形特征與支護(hù)技術(shù)研究

楊建輝

摘要：為了解決特大斷面切眼巷道支護(hù)難題，以曹家灘煤礦122106切眼為工程背景，結(jié)合理論分析與離散元數(shù)值模擬研究了不同頂板跨度條件下巷道受載變形特征，提出了“二次成巷+單體液壓支柱+高強(qiáng)錨網(wǎng)索+W鋼護(hù)板”的大斷面煤巷高強(qiáng)度、高預(yù)緊力、低密度減跨支護(hù)技術(shù)，提高了支護(hù)效率，顯著加快了巷道掘進(jìn)速度。研究表明，當(dāng)頂板跨度超過9m后其穩(wěn)定性大幅下降，極易出現(xiàn)表層煤體破壞垮冒的現(xiàn)象;錨桿的承載性能與預(yù)緊力緊密相關(guān)，預(yù)緊力越大，越有利于錨桿發(fā)揮其承載性能;通過現(xiàn)場實測對研究成果進(jìn)行了驗證，巷道未出現(xiàn)明顯變形，支護(hù)體受載始終穩(wěn)定。

Abstract： Response to the reasonable supporting of the open-off cut with large cross-section， based on the 122106 open-off cut in Caojiatan coal mine， this paper studies the loading and deformation characteristics of the roadway in the conditions of different roof span through theoretical analysis and discrete element numerical simulation. A high strength， high pre-tightening force and low density spanning reduction support technology， such as "secondary roadway + single hydraulic prop + high-strength Anchor Mesh Cable + W steel shield"， has been proposed to support the large section coal roadway. Consequently， support efficiency has been improved and then the roadway driving speed has been accelerated significantly. The research shows that when the roof span exceeds 9m， the stability of the roof decreases dramatically， and the phenomenon of surface coal failure and collapse is easy to occur; the bearing capacity of the bolt is closely related to the pre-tightening force， and the larger the pre-tightening force， the better the bearing capacity of the bolt is; research results are verified by field measurement. The roadway did not appear obvious deformation， and the supporting body remain stable under loading.

關(guān)鍵詞：特大斷面切眼;大跨度頂板;離散元;二次成巷

Key words： extra large section open-off cut;large span roof;discrete element;secondary tunneling

中圖分類號：TD323? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）36-0160-04

0? 引言

隨著國家對煤炭企業(yè)的規(guī)劃和煤炭資源產(chǎn)業(yè)的整合，現(xiàn)代化特大型礦井在煤炭行業(yè)中的比重逐漸加大[1-2]，隨之而來的礦井生產(chǎn)集中化、工作面設(shè)備大型化的發(fā)展趨勢已不是傳統(tǒng)的巷道斷面尺寸所能適應(yīng)[3-4]。目前，我國最大的采煤機(jī)單個滾筒直徑已經(jīng)超過3.2m，最大的液壓支架整體長度可達(dá)8.5m以上，寬度超過2m，將設(shè)備從地面運輸?shù)焦ぷ髅嬉约霸诠ぷ髅姘惭b的過程中，均需要更寬、更高的巷道斷面[5]。因此，特大斷面巷道、切眼的出現(xiàn)逐漸呈現(xiàn)出常態(tài)化，同時也為保障巷道圍巖穩(wěn)定帶來挑戰(zhàn)。

近年來，在切眼巷道穩(wěn)定性保障及支護(hù)技術(shù)方面，學(xué)者們進(jìn)行了大量研究。楊永剛等人研究了高、地位復(fù)合頂板不同地質(zhì)條件下大斷面切眼的塑性區(qū)分布及位移，并相應(yīng)的優(yōu)化了錨桿（索）支護(hù)參數(shù)[6-7];李偉等人將錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)應(yīng)用在龍固礦井首采1301N工作面大斷面切眼，論證了其可靠性[8];魏世義以趙固二礦大采高大斷面切眼為背景，提出了大斷面開切眼錨網(wǎng)索加挑棚聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，有效控制了深井破碎頂板大斷面切眼圍巖[9]。對于大斷面開切眼巷道，學(xué)者們對于不同地質(zhì)條件下的巷道圍巖支護(hù)進(jìn)行了較為全面的研究，然而，上述研究中的切眼巷道斷面面積普遍在30m2左右，對于斷面尺寸達(dá)到50m2左右的特大斷面切眼巷道圍巖變形特征與支護(hù)方面研究較少[10-11]。

因此，本文以曹家灘煤礦122106首采面特大斷面切眼巷道（斷面尺寸48.3m2）為背景，綜合采用理論分析和數(shù)值模擬對曹家灘煤礦特大斷面切眼巷道變形特征及相應(yīng)的支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究，研究成果通過現(xiàn)場實測進(jìn)行了驗證。

1? 工程背景

1.1 工程概況

曹家灘煤礦122106工作面切眼長度為350m，斷面設(shè)計為矩形斷面。設(shè)計掘進(jìn)寬度10.5m，高度4.6m，掘進(jìn)斷面達(dá)48.3m2。122106工作面是首采工作面，主采2-2煤，設(shè)計生產(chǎn)能力為15Mt/a。切眼附近煤層埋深340m左右，厚度8m，煤層傾角1～3°。結(jié)合切眼附近鉆孔地質(zhì)資料可知，煤層上方直接頂為具水平層理的灰色粉砂巖，層厚5.95m，平均抗壓強(qiáng)度為31.35MPa，RQD指數(shù)達(dá)到75%;基本頂為細(xì)粒砂巖，層厚31.69m，平均抗壓強(qiáng)度為33.25MPa，RQD指數(shù)可達(dá)80%。工作面布置如圖1所示。

122106工作面的頂板屬于堅硬頂板，厚度較大，強(qiáng)度較高，且完整性良好。但是切眼上方頂煤厚度在3.4m左右，按巷道分類122106工作面切眼屬于煤頂煤巷。切眼掘進(jìn)斷面已達(dá)48.3m2，屬于特大斷面巷道，長達(dá)10.5m的跨度嚴(yán)重影響了頂板穩(wěn)定性，易出現(xiàn)頂板一次性大面積下沉甚至垮落的災(zāi)害事故。此外，自貫通起，122106工作面切眼內(nèi)還需進(jìn)行探放水、水壓預(yù)裂以及設(shè)備安裝等工程，歷時超過3個月的過程中，會對切眼附近圍巖造成進(jìn)一步動力擾動。

1.2 122106切眼原支護(hù)方案

122106切眼沿煤層底板掘進(jìn)，采用錨網(wǎng)索支護(hù)。其中，頂板錨桿桿體為20#左旋無縱筋335號螺紋鋼筋，長度2.4m，桿尾螺紋為M22;錨固方式為樹脂加長錨固，采用兩支錨固劑，一支規(guī)格為MSZ2335，另一支規(guī)格為MSZ2370;托板采用規(guī)格為120×120×10mm鋼板制成;網(wǎng)片規(guī)格為直徑？準(zhǔn)6.5mm的圓鋼焊接而成鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔100×100mm;錨桿排距800mm，間距800mm。錨索材料為？準(zhǔn)17.8mm，1×7股預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度7.3m;錨索托板采用300mm×300mm×20mm鋼板制成。錨索排距2400mm，一排布置5根，間距2400mm。巷道兩幫采用桿體直徑為20mm玻璃鋼錨桿支護(hù)，長度2.4m;錨固方式為樹脂加長錨固，采用兩支錨固劑，一支規(guī)格為MSZ2335，另一支規(guī)格為MSZ2370;采用菱形塑料網(wǎng)護(hù)幫;錨桿排距800mm，每排6根錨桿，間距800mm。

由于缺乏實例參考與理論依據(jù)，原支護(hù)方案在支護(hù)參數(shù)選取方面較為保守，較大的支護(hù)密度帶來的直接問題是巷道支護(hù)工作時間過長，繼而遲滯巷道掘進(jìn)速度，延緩了曹家灘煤礦首采面的貫通工程。作為新建大型主力礦井的首采面，在切眼貫通過程中如何均衡掘進(jìn)與支護(hù)速度，使工作面安全快速投產(chǎn)，是巷道支護(hù)參數(shù)選取的重要原則。因此，本文結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬等方法對特大斷面切眼受載變形機(jī)制進(jìn)行研究，在保障圍巖穩(wěn)定性、提高支護(hù)效率的考量下，進(jìn)行了合理的巷道支護(hù)設(shè)計，研究成果通過現(xiàn)場觀測的方法進(jìn)行了驗證。

2? 大跨度頂板受載特征

由固支巖梁理論可知，頂板煤梁的最大拉應(yīng)力發(fā)生在梁的兩端，其值為：

式中，σmax為頂板煤梁的最大拉應(yīng)力，MPa;q為上覆巖層載荷，由組合梁理論[6]計算得其值為0.692MPa;L為頂板煤梁的跨度，m;h為頂板煤梁的厚度，m。

由此，定義切眼頂板穩(wěn)定性系數(shù)Sq，其值為頂板煤體的極限抗拉強(qiáng)度Rt與其最大拉應(yīng)力σmax之比，即

顯然，Sq值越大，頂板穩(wěn)定性越高?；谏鲜?，采用正交分析，對各參數(shù)不同賦值條件下頂板穩(wěn)定性系數(shù)Sq的變化進(jìn)行計算，計算結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，在頂板煤梁厚度和上覆巖層載荷一定的條件下（h=3.4m，q=0.692MPa），切眼煤梁跨度越大，頂板穩(wěn)定性系數(shù)Sq值越小。隨著切眼跨度的增加，頂板抗拉強(qiáng)度對穩(wěn)定性系數(shù)的影響越來越小，當(dāng)切眼跨度超過9m以后，不同抗拉強(qiáng)度下的Sq值已相差不大，普遍保持在較小的數(shù)值。

3? 切眼變形特征數(shù)值模擬計算

3.1 數(shù)值模型構(gòu)建

由上文可知，跨度過大是影響特大斷面切眼穩(wěn)定性的主要原因，當(dāng)跨度超過9m以后，頂板力學(xué)性能對切眼穩(wěn)定性的影響已不明顯，切眼穩(wěn)定性系數(shù)Sq值普遍偏小。為進(jìn)一步探究頂板跨度對切眼圍巖穩(wěn)定性影響，以122106工作面切眼地質(zhì)條件與工程實際為基礎(chǔ)，建立離散元數(shù)值模型如圖4所示。模型尺寸80m×50m，兩側(cè)限制水平位移，底部限制垂直位移，上部施加垂直載荷8.5MPa以模擬覆巖壓力。切眼巷道沿煤層底板開挖，巷道尺寸為a×b，模擬過程中取b=4.6m不變，頂板跨度a分別取值5m、7m、9m、11m。同時，在切眼頂板表面設(shè)置一條14m長的觀測線，對兩幫及巷道范圍內(nèi)的頂板垂直位移進(jìn)行統(tǒng)計。

3.2 模擬結(jié)果分析

通過對比分析四組數(shù)值模擬結(jié)果以及觀測線統(tǒng)計數(shù)據(jù)（圖5），可以發(fā)現(xiàn)不同頂板跨度條件下，切眼巷道圍巖穩(wěn)定性變化具有如下特征：

①巷道周圍煤巖體破壞主要發(fā)生在頂板煤體中。由頂板表面向上，破壞范圍逐漸減小，整體呈“拱形”分布，煤層與上方直接頂之間未出現(xiàn)明顯破壞現(xiàn)象。

②頂板變形沿巷道中軸對稱分布，巷道中部變形最大。隨著頂板跨度增加，頂板變形逐漸增加，當(dāng)頂板跨度由9m增至11m后，頂板表層的煤體出現(xiàn)失穩(wěn)大變形現(xiàn)象。

③頂板跨度的增加對兩幫煤體的影響較小。隨著頂板跨度的增加，位于兩幫上方的頂板垂直位移量始終保持在7mm以內(nèi)，總體增量小于3mm，考慮到變形協(xié)同，可以認(rèn)為兩幫煤體的穩(wěn)定性始終良好。

綜上，大跨度頂板的穩(wěn)定性是切眼巷道支護(hù)的關(guān)鍵。切眼巷道的設(shè)計跨度為10.8m，一次掘出極易出現(xiàn)表層煤頂冒落破壞的現(xiàn)象。

4? 高強(qiáng)低密減跨支護(hù)技術(shù)與應(yīng)用

4.1 特大斷面切眼支護(hù)設(shè)計

針對122106工作面切眼跨度過大、煤頂穩(wěn)定性差的工程實際，結(jié)合前文分析，提出“二次成巷+單體液壓支柱+高強(qiáng)錨網(wǎng)索+W鋼護(hù)板”的大斷面煤巷高強(qiáng)度、高預(yù)緊力、低密度減跨支護(hù)技術(shù)，設(shè)計巷道支護(hù)參數(shù)如圖6所示。

相比于原支護(hù)方案，新方案對錨桿錨索分別施加預(yù)緊力以提高支護(hù)體利用效率及支護(hù)效果，在極大程度上降低了巷道支護(hù)密度，單一斷面錨桿總數(shù)減少4根，錨索總數(shù)減少1根，且排距由800mm增至1000mm，總體上大大減少了支護(hù)時間，顯著提高了巷道掘進(jìn)速度。

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用與驗證

為驗證巷道支護(hù)效果，在巷道初掘與闊刷過程中，除正常的巷道圍巖位移監(jiān)測之外，分別在122106切眼0m、150m、250m、350m處安裝四個錨桿錨索應(yīng)力監(jiān)測測站，分別采用MC-500B型錨桿測力計MC-500A型錨索測力計對錨桿錨索受力進(jìn)行監(jiān)測，安裝位置位于錨桿（索）托板與螺母之間。定期對測站位置錨桿錨索受力進(jìn)行觀測統(tǒng)計，以掌握圍巖應(yīng)力變化情況。典型的，250m處測站頂板錨桿受力變化如圖7所示。

為了收集完整的礦壓資料，所有的錨桿測力計均是在巷道掘進(jìn)支護(hù)時安裝，其中、1、2、3號錨桿測力計安裝于切眼巷道初掘階段，4、5、6號錨桿測力計安裝于切眼巷道擴(kuò)刷階段。由圖7可知：

①錨桿的力學(xué)表現(xiàn)，或者說承載性能，與其預(yù)緊力的大小緊密相關(guān)，6根錨桿的受力值均以其預(yù)緊力為起點小幅增加，個別錨桿在觀測初期出現(xiàn)受力波動（2和3），但波動過后其受力仍接近初始預(yù)緊力;

②在對切眼進(jìn)行礦壓觀測的102天中，錨桿受力總體呈緩慢上升趨勢，但受力增值較小，由此可以判斷切眼圍巖穩(wěn)定性保持良好;

③第二次掘巷后錨桿受力未出現(xiàn)波動，均表現(xiàn)為穩(wěn)定小幅增長，二次成巷的巷道穩(wěn)定效果良好。

5? 結(jié)論

①結(jié)合理論分析與數(shù)值模擬結(jié)果，對比分析不同頂板跨度時的切眼巷道變形特征可知：大跨度煤頂是巷道整體穩(wěn)定的薄弱環(huán)節(jié)，頂板跨度超過9m以后巷道頂板穩(wěn)定性大幅降低，表層煤頂出現(xiàn)變形失穩(wěn)現(xiàn)象，因此，122106切眼巷道（跨度10.5m）一次掘出時極易出現(xiàn)頂板煤體破壞垮冒的現(xiàn)象，掘進(jìn)方式應(yīng)避免一次成巷。

②綜合122106切眼工程實際與研究結(jié)果，提出的大斷面煤巷高強(qiáng)度、高預(yù)緊力、低密度減跨支護(hù)技術(shù)，優(yōu)化了原支護(hù)方案，總體上大大減少了支護(hù)時間，顯著提高了巷道掘進(jìn)速度。

③通過現(xiàn)場監(jiān)測對巷道支護(hù)效果與研究成果進(jìn)行驗證，結(jié)果表明：錨桿的承載性能與預(yù)緊力緊密相關(guān)，預(yù)緊力越大，越有利于錨桿發(fā)揮其承載性能;在實施“二次成巷+單體液壓支柱+高強(qiáng)錨網(wǎng)索+W鋼護(hù)板”的支護(hù)措施后，122106工作面切眼自貫通至開始回采期間穩(wěn)定性保持良好。

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