伊田煤業(yè)沿底留厚頂煤開切眼支護(hù)技術(shù)研究

靳會(huì)科

（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司臨汾分公司，山西 臨汾 041204）

1 工程概況

伊田煤業(yè)2107 工作面井下標(biāo)高1140～1150 m，工作面埋深170～320 m。2107 工作面開采9+10+11號(hào)煤層，含3～5 層夾矸，煤層厚5.85～7.85 m，煤層傾角0～14°。煤層頂板為0.43 m 泥巖和12.5 m K2石灰?guī)r，底板為7.47 m 泥巖和5.47 m 砂質(zhì)泥巖。2107 工作面切眼沿11 號(hào)煤層底板布置，矩形斷面。勘探資料顯示，2107 切眼處存在DF18 斷層和DF63 斷層，落差均為0～3 m，斷層影響區(qū)域內(nèi)可能存在頂板破碎、煤巖層結(jié)構(gòu)紊亂等現(xiàn)象。

伊田煤業(yè)以往工作面順槽巷道和開切眼沿頂留底煤掘進(jìn)，巷道頂板為K2 石灰?guī)r，其強(qiáng)度高，完整性好，頂板管理難度小。但在工作面回采過程中由于采動(dòng)壓力影響，順槽巷道極易出現(xiàn)大范圍底鼓現(xiàn)象，為掌握相關(guān)數(shù)據(jù)，在2107 工作面順槽巷道和開切眼施工時(shí)采用沿底留頂煤掘進(jìn)試驗(yàn)。巷道頂板留4 m 煤頂，煤頂強(qiáng)度低，且開切眼跨度大，圍巖控制難度加大，以往的支護(hù)難以滿足需要。

2 圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)

對(duì)2107 工作面切眼頂板進(jìn)行鉆孔窺視[1-3]，掌握頂板巖層結(jié)構(gòu)。窺視地點(diǎn)位于2107 工作面回風(fēng)順槽，結(jié)果如圖1 所示。窺視結(jié)果顯示：11#煤工作面回采巷道頂板整體上呈現(xiàn)出下弱上強(qiáng)的規(guī)律；頂煤厚度3.3～4.2 m 左右，平均約3.96 m，煤層整體性較好，局部頂煤節(jié)理裂隙較發(fā)育，頂煤與上覆石灰?guī)r接觸面處較為破碎，一般有微裂隙擴(kuò)張；頂煤之上為石灰?guī)r，石灰?guī)r層厚度大于5 m，致密堅(jiān)硬，整體性強(qiáng)，局部范圍節(jié)理裂隙較發(fā)育。

3 錨桿支護(hù)參數(shù)確定

3.1 支護(hù)方案

目前錨桿支護(hù)長(zhǎng)度多在2～3 m 之間，主要是通過錨桿支護(hù)在頂板巖層形成組合梁來承載。根據(jù)頂板結(jié)構(gòu)窺視可知，開切眼上部存在3.3～4.2 m 的厚頂煤，錨桿支護(hù)范圍的頂煤內(nèi)由于煤體強(qiáng)度較低，其形成的組合梁承載能力有限。窺視可知，頂煤與上覆石灰?guī)r接觸面處較為破碎，且工作面開切眼跨度大，僅采用錨桿支護(hù)不易于頂板的穩(wěn)定，必須進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)。錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的強(qiáng)度、支護(hù)范圍對(duì)于維護(hù)切眼頂板穩(wěn)定尤為重要。巷道圍巖是一個(gè)支護(hù)整體共同作用，當(dāng)巷幫支護(hù)強(qiáng)度不足時(shí)，兩幫變形增大，勢(shì)必會(huì)引起巷道頂板下沉量增加，從而增大巷道頂板失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，開切眼開掘后，必須及時(shí)對(duì)巷幫進(jìn)行支護(hù)，保證預(yù)緊力，防止巷幫塑性區(qū)的擴(kuò)大。

通過以上分析可知，開切眼巷道頂板錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)范圍、巷幫錨桿的支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)范圍是研究重點(diǎn)。

圖1 鉆孔窺視圖

3.2 支護(hù)參數(shù)分析

（1）理論分析

2107 工作面切眼分兩次掘進(jìn)，一次掘進(jìn)寬度為4500 mm，二次掘進(jìn)寬度為3000 mm，埋藏深度按最大值320 m 考慮。結(jié)合圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)情況及巷道頂板物理力學(xué)性質(zhì)，按照巷道頂壓和側(cè)壓計(jì)算公式[4]，計(jì)算得到2107 工作面切眼巷道頂壓為387 kN/m，巷幫側(cè)壓為31.8 kN/m。

結(jié)合礦上常用錨桿型號(hào)，頂錨桿長(zhǎng)度取2.4 m，考慮外露端，錨桿支護(hù)排距不大于有效長(zhǎng)度的一半，故頂錨桿間排距應(yīng)不大于1.1 m。對(duì)每排3 根和4根錨索，排距為2 m 和1.8 m，分別進(jìn)行校核確定每排3 根，排距1.8 m 時(shí)，頂板安全系數(shù)1.3，滿足需要。結(jié)合斷面形狀，建議頂錨桿間距取1.0 m，排距取0.9 m。按照安全系數(shù)為2，計(jì)算得到巷幫錨桿間排距不小于1.5 m，結(jié)合頂板錨桿支護(hù)間排距，初步確定巷幫錨桿排距取0.9 m，間距不大于1.5 m。

（2）數(shù)值模擬分析

對(duì)巷道開挖后的圍巖應(yīng)力分布和屈服情況進(jìn)行分析：在巷道頂板、底板范圍內(nèi)形成垂直應(yīng)力降低區(qū)域，頂?shù)装逯胁?.75 m 范圍內(nèi)垂直應(yīng)力明顯降低；兩幫垂直應(yīng)力降低不明顯，1.0～4.0 m 范圍形成應(yīng)力升高核區(qū)，垂直應(yīng)力峰值位于1.75 m 處。巷道周邊形成水平應(yīng)力降低區(qū)，尤其兩幫1.5 m 范圍水平應(yīng)力明顯降低，巷道斷面兩底角處出現(xiàn)水平應(yīng)力升高核區(qū)，如圖2 所示。切眼頂板和兩幫圍巖均有一定破壞，頂板表現(xiàn)為拉剪破壞，剪切破壞深度3.25 m，拉破壞區(qū)深度為0.3 m；兩幫表現(xiàn)為剪切破壞，破壞深度為1.5 m，如圖3 所示。

圖2 圍巖應(yīng)力分布云圖

圖3 圍巖區(qū)域破壞分布圖

通過對(duì)開切眼開挖后圍巖應(yīng)力分布情況和塑性區(qū)分布范圍分析可知：① 頂板上覆5.0 m 左右存在應(yīng)力降低區(qū)，剪切破壞深度為3.25 m，故錨索應(yīng)錨固到5.0 m 以上位置，錨固段長(zhǎng)度取1.5 m，錨索外露長(zhǎng)度0.3 m，則頂錨索長(zhǎng)度不宜小于6.8 m；② 巷道兩幫垂直應(yīng)力峰值距巷幫1.75 m，1.5 m 內(nèi)水平應(yīng)力降低明顯，出現(xiàn)剪切破壞，故巷幫兩幫錨桿支護(hù)深度不小于1.8 m。

3.3 支護(hù)參數(shù)確定

通過以上分析，綜合確定2107 工作面開切眼錨桿索支護(hù)參數(shù)（圖4），在巷道中部采用大板棚進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，具體如下：

（1）頂板支護(hù)

切眼頂板采用螺紋鋼錨桿，錨桿規(guī)格為Ф20×2400 mm，間排距1000 mm×900 mm，一次掘進(jìn)時(shí)頂板支5 根錨桿，二次掘進(jìn)時(shí)為4 根。兩側(cè)頂錨桿距幫150 mm，外偏20°，其余垂直布置。錨桿采用加長(zhǎng)錨固，錨固力不小于100 kN，預(yù)緊力矩不小于300 N·m。配套Ф14 mm 的鋼筋焊接而成梯子梁，一次切眼長(zhǎng)4300 mm，二次切眼長(zhǎng)3200 mm。采用10#金屬經(jīng)緯網(wǎng)護(hù)表，搭接長(zhǎng)度不小于100 mm。錨索規(guī)格Ф18.9×7300 mm，每排3 根，間排距1950×1800 mm，垂直布置。采用樹脂加長(zhǎng)錨固，錨固力不小于300 kN，預(yù)緊力不小于150 kN。托盤規(guī)格為300×300×16 mm。

在距老塘幫4350 mm 處，順巷打設(shè)一排高度3150 mm、型號(hào)為DZ35-300/100 單體柱大板棚（一梁3 柱）加強(qiáng)支護(hù)。第一根單體柱大板梁頭間距500 mm，單體柱排距為1500 mm，大板規(guī)格為4000×180×160 mm，大板梁頭間距500 mm。

（2）巷幫支護(hù)

在老塘側(cè)巷幫采用螺紋鋼錨桿， 規(guī)格Ф20×2000 mm，間排距為800×900 mm，每排4根，上部距頂板250 mm，均與巷幫垂直。錨固方式、參數(shù)和預(yù)緊力同頂板支護(hù)。在工作面回采側(cè)巷幫采用玻璃鋼錨桿，規(guī)格Ф20×2000 mm。錨固方式同頂板支護(hù)，錨固力不小于70 kN，預(yù)緊力不小于40 N·m。采用Ф12 mm 的鋼筋焊接的梯子梁，長(zhǎng)度2800 mm。老唐側(cè)采用10#金屬經(jīng)緯網(wǎng)護(hù)表，搭接長(zhǎng)度不小于100 mm。

一次切眼前進(jìn)左幫（臨時(shí)幫）打設(shè)玻璃鋼錨桿點(diǎn)錨進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，五花布置：第一排3 根玻璃鋼錨桿，間排距為1100 mm×900 mm，上部距頂板400 mm；第二排2 根玻璃鋼錨桿，間排距為1200 mm×900 mm，上部距頂板900 mm。其他參數(shù)同上。

圖4 切眼支護(hù)斷面圖（單位：mm）

4 支護(hù)效果分析

為分析支護(hù)效果，對(duì)2107 工作面開切眼一次掘進(jìn)期間和二次掘進(jìn)后的圍巖變形進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，如圖5 所示。由圖5（a）可見，在切眼一次掘進(jìn)后，巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃尉焖僭黾樱? d 后巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃伍_始逐步放緩，約20 d 后巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃乌呄蛴谑諗?。最大頂板移近量?5 mm，兩幫收縮量為75 mm。由圖5（b）可見，切眼二次掘進(jìn)成巷后，由于巷道斷面增加，在掘進(jìn)過后10 d 內(nèi)圍巖變形均較為劇烈，之后隨著臨時(shí)架棚支護(hù)的作用，巷道圍巖變形速度趨緩，在約30 d 后巷道圍巖變形趨于收斂。最大頂板移近量為139 mm，兩幫收縮量為83 mm。通過對(duì)比分析可知，二次掘進(jìn)切眼成巷后，由于切眼跨度加大，巷道頂?shù)装逡平棵黠@大于巷道兩幫變形量，在錨網(wǎng)+錨索+架棚臨時(shí)支護(hù)的共同作用下，切眼巷道圍巖穩(wěn)定。

圖5 實(shí)測(cè)巷道圍巖變形曲線圖

5 結(jié)論

（1）通過圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)、巷道支護(hù)參數(shù)校核以及數(shù)值模擬分析，確定切眼巷道頂板補(bǔ)強(qiáng)錨索每排3 根，排距為1.8 m，錨索長(zhǎng)度不小于6.8 m；兩幫錨桿間排距不大于1.5 m，錨桿長(zhǎng)度不小于1.5 m。并由此確定了2107 工作面切眼支護(hù)參數(shù)。

（2）切眼成巷約30 d 后，巷道圍巖變形趨于收斂，最大頂板移近量為139 mm，兩幫收縮量為83 mm。巷道頂?shù)装逡平棵黠@大于巷道兩幫變形量，在錨網(wǎng)+錨索+架棚臨時(shí)支護(hù)的共同作用下，切眼巷道圍巖穩(wěn)定。