特大斷面切眼受載變形特征與支護技術(shù)研究

楊建輝，石 蒙，蔣 威，丁維波

(1.陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000； 2.陜西陜煤榆北煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；3.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

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[1-3]，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)[4，5]。目前，我國最大的采煤機單個滾筒直徑已經(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[6-8]。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)定性保障及支護技術(shù)方面，我國學者進行了大量研究。楊永剛等研究了高、低位復合頂板不同地質(zhì)條件下大斷面切眼的塑性區(qū)分布及位移，并相應(yīng)地優(yōu)化了錨桿(索)支護參數(shù)[9]；李偉等將錨網(wǎng)索聯(lián)合支護應(yīng)用在龍固礦井首采1301N工作面大斷面切眼，并論證了可靠性[10]；魏世義[11]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)合支護技術(shù)，有效控制了深井破碎頂板大斷面切眼圍巖。對于大斷面開切眼巷道，學者們對于不同地質(zhì)條件下的巷道圍巖支護進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，對于斷面尺寸達到50m2左右的特大斷面切眼巷道圍巖變形特征與支護方面研究較少。

因此，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)的支護技術(shù)進行了研究，研究成果通過現(xiàn)場實測進行了驗證。

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)計掘進寬度10.5m，高度4.6m，掘進斷面達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，平均抗壓強度為31.35MPa，RQD指數(shù)達到75%；基本頂為細粒砂巖，層厚31.69m，平均抗壓強度為33.25MPa，RQD指數(shù)可達80%。工作面布置如圖1所示。

圖1 122106工作面布置

122106工作面的頂板屬于堅硬頂板，厚度較大，強度較高，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。切眼掘進斷面已達48.3m2，屬于特大斷面巷道，長達10.5m的跨度嚴重影響了頂板穩(wěn)定性，易出現(xiàn)頂板一次性大面積下沉甚至垮落等災(zāi)害事故。此外，自工作面切眼貫通起，122106工作面切眼內(nèi)還需進行探放水、水壓預裂以及設(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一步動力擾動。

1.2 122106切眼原支護方案

122106切眼沿煤層底板掘進，采用錨網(wǎng)索支護。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，規(guī)格分別為MSZ2335、MSZ2370；托板采用規(guī)格為120mm×120mm×10mm鋼板制成；網(wǎng)片規(guī)格為直徑?6.5mm的圓鋼焊接而成鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔100mm×100mm；錨桿排距800mm，間距800mm。錨索材料為?17.8mm，17股預應(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，長度2.4m；錨固方式為樹脂加長錨固，采用兩支錨固劑，規(guī)格分別為MSZ2335、MSZ2370；采用菱形塑料網(wǎng)護幫；錨桿排距800mm，每排6根錨桿，間距800mm，如圖2所示。

圖2 122106切眼原支護方案(mm)

由于缺乏實例參考與理論依據(jù)，原支護方案在支護參數(shù)選取方面較為保守，較大的支護密度帶來的直接問題是巷道支護工作時間過長，繼而遲滯巷道掘進速度，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與支護速度，使工作面安全快速投產(chǎn)，是巷道支護參數(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制進行研究，在保障圍巖穩(wěn)定性、提高支護效率的考量下，進行了合理的巷道支護設(shè)計，研究成果通過現(xiàn)場觀測的方法進行了驗證。

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?；谑?2)，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的變化進行計算，計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同附參條件下頂板煤梁穩(wěn)定性系數(shù)Sq變化曲線

由圖3可知，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，頂板抗拉強度對穩(wěn)定性系數(shù)的影響越來越小。

3 切眼變形特征數(shù)值模擬計算

3.1 數(shù)值模型構(gòu)建

上述研究表明，跨度過大是影響特大斷面切眼穩(wěn)定性的主要原因。當跨度超過9m以后，頂板力學性能對切眼穩(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，各巖層物理力學參數(shù)見表1。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3m、5m、7m、9m、11m以及13m。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)的頂板垂直位移進行統(tǒng)計。

圖4 122106切眼數(shù)值模型圖(m)

表1 巖層物理力學參數(shù)

3.2 巷道圍巖裂隙擴展規(guī)律

巷道掘出后，原巖應(yīng)力重新分布，其周邊巖體的力學特征由三維受力轉(zhuǎn)變?yōu)槎S受力，進而出現(xiàn)一系列的新裂隙生成、原生裂隙擴展及貫通現(xiàn)象。為了掌握大跨度巷道圍巖裂隙擴展規(guī)律，為相應(yīng)的支護設(shè)計優(yōu)化提供科學支撐，通過數(shù)值模擬得到了不同跨度條件下巷道圍巖裂隙擴展情況如圖5所示。

圖5 不同跨度條件下巷道圍巖裂隙擴展情況

如圖5所示，原生裂隙發(fā)生破壞后(滑移、錯動、開裂)裂隙由藍色轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨ｋS著頂板跨度的增加：①兩幫煤體破壞范圍變化不大，基本保持在3～5m范圍內(nèi)，其中上幫破壞范圍略大于下幫；②頂板破壞范圍由類橢圓形轉(zhuǎn)變?yōu)榈固菪危译S著跨度增加而增加，當跨度超過9m后，煤體上方直接頂開始出現(xiàn)破壞現(xiàn)象；③巷道底板為粉砂巖，受跨度增加影響較小，僅表層直接底出現(xiàn)輕微破壞現(xiàn)象。

3.3 巷道圍巖變形情況

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)，如圖6所示，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：

圖6 不同頂板跨度條件下巷道變形特征

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 高強低密減跨支護技術(shù)與應(yīng)用

4.1 特大斷面切眼支護設(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+高強錨網(wǎng)索+W鋼護板”的大斷面煤巷高強度、高預緊力、低密度減跨支護技術(shù)，設(shè)計巷道支護參數(shù)如圖7所示。該技術(shù)主要包括以下內(nèi)容：

圖7 122106切眼支護方案(mm)

1)“二次成巷+單體液壓支柱”支護。為了克服巷道一次掘出跨度過大，頂板穩(wěn)定性差的問題，切眼巷道分兩次掘進，第一次掘進寬度5.7m，第二次掘進寬度4.8m，第一次掘進后及時加固裸露圍巖，提高圍巖強度，以保障第二次掘進過程中巷道的安全穩(wěn)定。同時，考慮到最大變形出現(xiàn)的位置，當巷道全部掘出后，在巷道中部架設(shè)單體液壓支柱，支撐大跨度頂板，提高其穩(wěn)定性。

2)“高強錨網(wǎng)索+W剛護板”支護。根據(jù)康紅普院士的高預應(yīng)力強力支護理論[12-15]，提出了綜合考慮了巷道支護強度與支護速度的高強度、高預緊力、低密度錨網(wǎng)索支護，使用高強錨桿以提高支護體承載能力，提高錨桿、錨索預緊力以及時控制巷道圍巖的早期變形與離層現(xiàn)象，降低支護密度以提高支護速度、節(jié)省支護時間進而提高巷道掘進速度。同時，使用短鋼帶配合錨網(wǎng)索支護以提高支護體護表面積，進一步加強支護效果。

相比于原支護方案，新方案對錨桿錨索分別施加預緊力以提高支護體利用效率及支護效果，在極大程度上降低了巷道支護密度，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900mm，總體上大大減少了支護時間，顯著提高了巷道掘進速度。

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用與驗證

為驗證巷道支護效果，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處安裝四個巷道圍巖位移觀測測站及錨桿錨索應(yīng)力監(jiān)測測站。

4.2.1 巷道圍巖位移觀測

通過“十字布點法” 對特大斷面切眼巷道圍巖穩(wěn)定性變化狀況進行監(jiān)測，監(jiān)測時間為兩個月(自擴刷完畢起直至工作面安裝完畢)，以250m測站監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，切眼圍巖表面位移監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。

圖8 切眼表面位移監(jiān)測結(jié)果

自貫通起至工作面安裝完畢期間的兩個月時間內(nèi)，切眼圍巖位移整體變化不大，各部位位移量均小于30mm，肉眼觀測不出明顯的變形破壞，巷道整體穩(wěn)定性良好。在切眼擴刷后35d左右，工作面先后經(jīng)歷了水力壓裂、探放水、單體液壓立柱更換與移位等作業(yè)，頂?shù)装迮c兩幫位移量出現(xiàn)了小幅上升，但圍巖整體持續(xù)穩(wěn)定，巷道支護效果良好。

4.2.2 錨桿錨索受力監(jiān)測

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行觀測統(tǒng)計，以掌握圍巖應(yīng)力變化情況。250m處測站頂板錨桿受力變化如圖9所示。

圖9 250m處測站頂板錨桿受力變化

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支護時安裝，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刷階段。由圖6可知：①錨桿的力學表現(xiàn)，或者說承載性能，與其預緊力的大小緊密相關(guān)，6根錨桿的受力值均以其預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緊力；②在對切眼進行礦壓觀測的102d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，掘進方式應(yīng)避免一次成巷。

2)隨著頂板跨度的增加，兩幫煤體破壞范圍變化不大，基本保持在3～5m范圍內(nèi)，其中上幫破壞范圍略大于下幫；頂板破壞范圍逐漸增加，由類橢圓形轉(zhuǎn)變?yōu)榈固菪?，當跨度超過9m后，煤體上方直接頂開始出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。

3)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度、高預緊力、低密度減跨支護技術(shù)，優(yōu)化了原支護方案，總體上大大減少了支護時間，顯著提高了巷道掘進速度；巷道支護效果與研究成果通過現(xiàn)場監(jiān)測得到了驗證。