復(fù)雜條件綜采工作面切眼支護(hù)技術(shù)優(yōu)化研究

張紅軍

（山西保利裕豐煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042100）

引言

長期以來，綜采工作面切眼大斷面支護(hù)一直是熱點(diǎn)問題。隨著綜采技術(shù)的現(xiàn)代化，工作面支架逐步變大，長度逐步加長，為適應(yīng)大型支架的安裝需求，井工煤礦也在不斷探尋大斷面切眼的支護(hù)方案。隨著錨桿支護(hù)工程實(shí)踐的不斷豐富，對其機(jī)理的認(rèn)識(shí)也不斷全面和深入，適用于不同條件的各種錨桿支護(hù)理論相繼被提出并逐步得到發(fā)展和完善[1]。

1 復(fù)雜條件下綜采工作面大斷面切眼支護(hù)概述

1.1 研究背景

裕豐公司井田22 下02 綜采工作面布置于兩組撓褶帶附近，由于頂板受應(yīng)力影響，在施工切眼時(shí)存在大中型冒頂事故的風(fēng)險(xiǎn)，原有支護(hù)方案不能滿足本工作面的施工要求，提出了優(yōu)化后的支護(hù)方式為長錨索+工字鋼梁+單體液壓支柱的聯(lián)合支護(hù)來滿足實(shí)際需求。支護(hù)后巖移量僅為10 mm～70 mm。變形速度較小，圍巖松動(dòng)圈變小，支護(hù)后充分發(fā)揮了長錨索有效支護(hù)的作用，對巷道圍巖的穩(wěn)定性起到了關(guān)鍵性的作用。

裕豐公司井田位于河?xùn)|煤田南部，呂梁山隆起之南翼。由于受北東向構(gòu)造帶影響。井田總體為軸向北北東，兩翼傾角較陡的背向斜構(gòu)造；地層傾角一般10°～22°，局部地層傾角最高達(dá)30°。其井田內(nèi)的2 號下煤層頂板多為粉砂巖、泥巖，性脆，膠結(jié)較好，局部發(fā)育有撓褶帶構(gòu)造，穩(wěn)定性較差。2 號下煤層底板多為泥巖、粉砂巖。巖性灰黑色，塊狀，性脆。遇水易泥化，在一定條件下（頂板來壓）易發(fā)生底鼓現(xiàn)象，但隔水性能好，為不穩(wěn)定性底板，具體地質(zhì)構(gòu)造見表1。

表1 地質(zhì)構(gòu)造表

1.2 復(fù)雜條件下綜采工作面大斷面切眼支護(hù)現(xiàn)狀

隨著開采技術(shù)的不斷發(fā)展，綜合開采技術(shù)越來越先進(jìn)，而且開采效率也越來越高。但是，隨著我國開采深度不斷增加，地下的地勢也越來越復(fù)雜，因此對開采的技術(shù)要求也越來越高。在深部高應(yīng)力復(fù)雜地質(zhì)條件下采用大斷面切眼開采，無疑給開切眼的支護(hù)帶來了更大的難度。開采的設(shè)備越來越先進(jìn)、開采的效率和強(qiáng)度也越來越高，為了保證開采施工的安全，提高開采效率，從而對開采切眼的要求也越來越高。一些大型礦井如趙固二礦，斷面已經(jīng)達(dá)到了42.3 m2?，F(xiàn)如今，錨固技術(shù)是支護(hù)技術(shù)最重要也是最主要的技術(shù)之一，具有良好的支護(hù)效率和強(qiáng)度，成本較低，而且操作技術(shù)比較簡單，方便開采人員，具有較成熟的技術(shù)理論和經(jīng)驗(yàn)。錨固技術(shù)解決了傳統(tǒng)的支護(hù)技術(shù)存在的問題。錨桿支護(hù)理論主要有：基于錨桿的懸吊作用而提出的懸吊理論、減垮理論等；基于錨桿的擠壓、加固作用提出的組合梁理論、組合拱理論以及楔固定理論等；綜合錨桿的各種作用提出的松動(dòng)圈支護(hù)理論、錨固體強(qiáng)度強(qiáng)化理論、錨注理論、最大水平應(yīng)力理論以及錨桿桁架支護(hù)理論等[2-3]。但在實(shí)際工程當(dāng)中，如遇到特殊地質(zhì)條件，則不能有效地支護(hù)頂板，極易造成頂板冒頂事故。裕豐公司汲取一采區(qū)切眼施工時(shí)冒頂事故教訓(xùn)，經(jīng)過不斷地總結(jié)分析，最終優(yōu)化了切眼施工時(shí)支護(hù)技術(shù)，確保切眼施工安全。

1.3 復(fù)雜條件下綜采工作面大斷面切眼支護(hù)概述

目前，開切眼錨桿索支護(hù)理論主要有4 種，即，懸吊理論、組合梁理論、圍巖加固理論、加固拱理論，前兩種理論適用于頂板為層狀巖體的平頂開切眼。圍巖加固理論認(rèn)為由于錨桿作用，提高了圍巖力學(xué)參數(shù)，但因參數(shù)難于確定，實(shí)用性差。室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)測表明，加固拱理論適合于軟巖巷道。軟巖巷道由于巖性差異或高應(yīng)力的作用，巷道圍巖較大范圍的巖體發(fā)生破壞導(dǎo)致巷道變形。此時(shí)，支護(hù)系統(tǒng)必須有足夠的承載能力才能控制圍巖變形，保持巷道的形狀及其正常使用。

1）懸吊理論。懸吊理論是為了增強(qiáng)軟弱破碎巖層的頂板穩(wěn)定性，是將港道頂板表面的破碎巖層懸吊在頂板較穩(wěn)定的巖層中，從而形成一個(gè)比較穩(wěn)定的錨。

2）組合梁理論。組合梁由鋼和混凝土組合而成，能夠承受一定壓力的梁柱。組合梁具有承載力大、剛度大和抗震能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠?qū)Υ蟛缮顝?fù)合頂大斷面切眼進(jìn)行支護(hù)，保證施工的安全。

3）圍巖加固理論。圍巖加固理論又稱巖體加固理論，能夠發(fā)展圍巖發(fā)生破壞。圍巖加固后，彎矩大幅度減少，結(jié)構(gòu)受力減少，減震效果增加，而且對環(huán)節(jié)的影響較小，該理論在開采中經(jīng)常使用。

2 巷道冒頂?shù)脑蚍治?/h2>

裕豐公司綜采工作面開采煤層為二疊系下統(tǒng)山西組2 號下煤層。采用走向長壁采煤法，綜合機(jī)械化采煤工藝，全部垮落法控制頂板。工作面平均長度150 m，可采長度1 300 m。煤層厚度3.3 m～4.0 m，平均3.43 m。

切眼在設(shè)計(jì)凈寬度7.2 m，設(shè)計(jì)凈高度3.0 m，凈斷面為21.6 m2，切眼在施工煤機(jī)窩、上下口過渡支架處、上下口絞車硐室處時(shí)跨度較大，給支護(hù)帶來了很大的難點(diǎn)。由表1 柱狀圖可看出，煤層頂板主要為泥質(zhì)砂巖，松軟，局部夾粉砂巖。大跨度巷道如出現(xiàn)斷層、褶皺、淋水點(diǎn)時(shí)，錨網(wǎng)索支護(hù)顯得無能為力。容易出現(xiàn)局部松脫型漏頂，嚴(yán)重威脅到施工安全。

3 復(fù)合頂板離析和變形原因分析

3.1 復(fù)合頂板易離層

開切眼頂板是2 m～4 m 左右且含1 層～2 層煤線和砂質(zhì)泥巖等組成的復(fù)合頂板巖層，砂質(zhì)泥巖和煤線接觸面的黏結(jié)力小，在開切眼支護(hù)過程中砂質(zhì)泥巖與煤線兩者界面處易發(fā)生離層，離層發(fā)展到一定程度，在頂板巖層中部變現(xiàn)為縱向破壞，發(fā)育貫通后將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，最終引發(fā)頂板垮冒。不僅增加了開切眼返修加固工作量，而且對開切眼內(nèi)設(shè)備安裝工作具有潛在危險(xiǎn)。

3.2 頂板及兩幫變形量大

開切眼斷面為了滿足通風(fēng)、行人、大采高綜采設(shè)備的安裝等需要，設(shè)計(jì)尺寸（寬×高）為9.6 m×3.7 m，開切眼的支護(hù)面臨著更大的難題，大斷面開切眼頂板中部復(fù)合頂承受拉應(yīng)力大，頂板變形大，一般的錨桿索很難達(dá)到預(yù)想的效果，使頂板達(dá)成自穩(wěn)結(jié)構(gòu)。其次由于己16-17-24030 煤體強(qiáng)度低，開切眼兩幫相對移進(jìn)量大。開切眼斷面的增大帶來的支護(hù)難度并不僅僅是簡單相加，而是使開切眼圍巖應(yīng)力和變形急劇升高和增長。

4 復(fù)雜條件下綜采工作面大斷面切眼支護(hù)優(yōu)化分析

4.1 采工作面大斷面切眼支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

4.1.1 錨桿支護(hù)參數(shù)的選擇

由于復(fù)合頂板內(nèi)節(jié)理、裂隙發(fā)育，易于形成冒落拱，故采用平衡自然拱理論對開切眼頂?shù)装寮皟蓭偷膰鷰r破壞范圍進(jìn)行計(jì)算，為確定錨桿支護(hù)參數(shù)提供理論依據(jù)。根據(jù)秦巴列維奇理論建立開切眼計(jì)算模型，如圖1 所示。

圖1 開切眼圍巖破壞范圍計(jì)算模型

開切眼兩幫煤體受壓破壞深度計(jì)算見式（1）。

式中：H 為開切眼掘進(jìn)高度，H=3.7m；β 為媒體破壞內(nèi)摩擦角，β=11.4°；k 為開切眼應(yīng)力集中系數(shù)，取k=3.0；r 為復(fù)合頂板平均密度，取r=2 000 kg/m3；h 為開切眼平均埋深，取h=850 m；B 為采動(dòng)影響系數(shù)，取B=1.3；σc為煤體單軸抗壓強(qiáng)度，σc=10 MPa。

故求得a=2.1 m。

頂板圍巖為復(fù)合頂板，頂板垮落高度計(jì)算見式（2）。

式中：a 為開切眼跨度的1/2，a=4.6m；Rc1為頂板復(fù)合頂抗壓強(qiáng)度，Rc1=9 MPa；kp為復(fù)合頂板穩(wěn)定性系數(shù)，取kp=3.1。

開切眼頂板錨桿長度計(jì)算見式（3）。

式中：lw為錨桿錨入頂板松動(dòng)破壞以外長度和外露長度之和，一般取0.5 m～0.7 m。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果并參考其他類似支護(hù)工程，選擇錨桿長度Ld=2.6 m。合理的預(yù)緊力是錨桿良好支護(hù)效果的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)相關(guān)的研究，當(dāng)對錨桿施加的預(yù)緊力達(dá)到錨桿屈服載荷30%～50%時(shí)，錨桿支護(hù)效果比較理想。綜合考慮開切眼復(fù)合頂板結(jié)構(gòu)，支護(hù)選擇直徑為22 mm的高強(qiáng)讓壓錨桿，錨桿材質(zhì)為左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，經(jīng)過測試錨桿屈服強(qiáng)度為556 MPa，錨桿預(yù)緊力100 kN。

4.1.2 錨索支護(hù)參數(shù)的選擇

復(fù)合頂板開切眼錨索支護(hù)設(shè)計(jì)以懸吊理論為基礎(chǔ)，錨索長度Lm按照式（4）進(jìn)行計(jì)算：

式中：∑h1為需要錨固的不穩(wěn)定巖層的厚度，m；la為錨固到較穩(wěn)定巖層中的長度，取1.5 m；lc為錨索外露長度和托盤錨具厚度之和，取0.5 m。

根據(jù)復(fù)合頂板鉆孔柱狀圖，取∑h1=5.5 m，因此，錨索設(shè)計(jì)長度Lm=7.5 m。裕豐公司井田錨索采用1×19 結(jié)構(gòu)、直徑為22 mm 的大直徑高噸位錨索。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室檢測結(jié)果，其拉斷載荷達(dá)到607 kN，選擇的預(yù)緊力為150 kN。

4.1.3 開切眼錨桿索支護(hù)方案優(yōu)化

根據(jù)以上計(jì)算錨桿錨索長度結(jié)果，并參考相鄰工作面復(fù)合頂板支護(hù)參數(shù)，設(shè)計(jì)2 個(gè)方案對開切眼圍巖變形量及圍巖應(yīng)力分布進(jìn)行模擬。模擬方案見表2。

表2 開切眼圍巖優(yōu)化支護(hù)方案設(shè)計(jì)

4.2 切眼優(yōu)化措施

在對裕豐公司井田大采深復(fù)合頂大斷面切眼支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，必須要按照一定的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而能夠更好地保證設(shè)計(jì)質(zhì)量。在設(shè)計(jì)時(shí)，必須按照切眼成巷方式進(jìn)行設(shè)計(jì)模擬、必須要計(jì)算開切眼圍巖應(yīng)力分布等相關(guān)數(shù)據(jù)和測量開切眼圍巖變形情況等要點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量，從而保證裕豐公司井田的開采安全。

4.2.1 切眼成巷方式進(jìn)行模擬

開切眼的成巷方式主要分為一次成巷、邊擴(kuò)邊安和單邊擴(kuò)幫三種種形式，這三種成巷方式的差別主要體現(xiàn)在支護(hù)斷面寬度和支護(hù)方式上。而對于邊擴(kuò)邊安施工的開切眼，由于斷面較大，僅依靠錨桿錨索進(jìn)行支護(hù)，滿足不了安全保障和工程需要，需要使用單體支柱對復(fù)合頂板進(jìn)行減跨支護(hù)。根據(jù)裕豐公司井田斷面寬度和單體支柱不同，在設(shè)計(jì)時(shí)，對開切眼成像進(jìn)行了模擬。在模擬時(shí)，采用了計(jì)算機(jī)和虛擬技術(shù)對裕豐公司井田地下環(huán)境進(jìn)行模擬。

4.2.2 開切眼圍巖應(yīng)力分布

在設(shè)計(jì)時(shí)，必須要測量和計(jì)算裕豐公司井田地下的應(yīng)力等相關(guān)的數(shù)據(jù)，確保設(shè)計(jì)的可靠性和準(zhǔn)確性，能夠更好地發(fā)揮出設(shè)計(jì)的最大作用[4]。在測量和計(jì)算過程中，必須要采用精密的設(shè)備對裕豐公司井田機(jī)械地下數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，必須要按照相應(yīng)的測量方法進(jìn)行精確測量，也要運(yùn)用計(jì)算機(jī)和云計(jì)算等對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，從而保證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性[5-6]。

4.2.3 開切眼圍巖變形

在裕豐公司井田開采過程中，地下情況會(huì)隨著開采深度等變化而變化。因此，在支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，必須要考慮裕豐公司井田開切眼圍巖變形的情況，保證設(shè)計(jì)符合裕豐公司井田地下情況。

4.3 大采深復(fù)合頂大斷面支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

4.3.1 應(yīng)該加強(qiáng)對切眼支護(hù)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)技術(shù)的研究

利用計(jì)算機(jī)、遙感等先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)加強(qiáng)對復(fù)雜條件下綜采工作面大斷面切眼支護(hù)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)技術(shù)的研究。研究新型的支護(hù)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)支護(hù)效果和支護(hù)能力，從而增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)作用。加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究投入，從而在使用支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，成本更低、性能更好、更方便使用。運(yùn)用先進(jìn)的設(shè)備來完善設(shè)計(jì)技術(shù)，讓設(shè)計(jì)技術(shù)趨向智能化、流程化、自動(dòng)化，提高施工質(zhì)量，確保施工的安全。必須不斷地研究支護(hù)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)技術(shù)，在實(shí)際施工中發(fā)現(xiàn)存在的問題并積極解決，從而提高施工的質(zhì)量。

4.3.2 加強(qiáng)復(fù)雜條件下綜采工作面大斷面切眼支護(hù)設(shè)計(jì)的意識(shí)

復(fù)雜條件下綜采工作面大斷面切眼支護(hù)設(shè)計(jì)能夠提高支護(hù)的效果，也能夠更直觀地反映出支護(hù)技術(shù)存在的問題。因此，必須要加強(qiáng)對支護(hù)結(jié)構(gòu)和施工技術(shù)的重視，利用該施工技術(shù)來提高開采效率，提高施工的質(zhì)量和速度。必須要有相應(yīng)的施工技術(shù)和意識(shí)，只有這樣才能發(fā)揮出支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用。

4.3.3 對復(fù)雜條件下綜采工作面大斷面切眼支護(hù)減少進(jìn)行管理

在支護(hù)施工過程中，項(xiàng)目部應(yīng)該安排專人進(jìn)行管理和監(jiān)督，詳細(xì)記錄復(fù)雜條件下綜采工作面大斷面切眼支護(hù)整個(gè)的施工過程中的施工質(zhì)量控制情況以及新工藝、新材料的應(yīng)用情況。也要對施工的全過程進(jìn)行管理，保證設(shè)計(jì)的科學(xué)性和可行性。

4.4 切眼支護(hù)施工優(yōu)化措施

在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)前，必須要了解施工地的地理環(huán)境和地質(zhì)情況，必須要了解地下是否有地下水，或者光纖等。必須要保證施工的環(huán)境安全，保證地質(zhì)和地理環(huán)境符合施工標(biāo)準(zhǔn)。切眼支護(hù)施工時(shí)，根據(jù)地理?xiàng)l件的實(shí)際情況來進(jìn)行設(shè)計(jì)，必須要保證支護(hù)結(jié)構(gòu)符合實(shí)際情況。在支護(hù)前，采用先進(jìn)的設(shè)備對地下進(jìn)行檢測，當(dāng)出現(xiàn)斷層破碎帶、軟弱夾層和溶洞等不良的地質(zhì)條件時(shí)，在施工中必須要避免。當(dāng)避免不了時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況來制定合理的支護(hù)方案，要以確保施工安全為前提。在施工時(shí)，應(yīng)該充分考慮施工的空間，開挖分段措施、進(jìn)行分層開挖，進(jìn)行合理設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)。在施工時(shí)，必須要對支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)行合理規(guī)劃。

5 結(jié)語

綜上所述，復(fù)雜條件下綜采工作面大斷面切眼支護(hù)技術(shù)存在著一定問題，影響著裕豐公司煤礦開采的安全，也影響著裕豐公司的發(fā)展。因此，必須對切眼支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究，對其技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高支護(hù)的效果，從而保證施工安全，提高采礦的效率，促進(jìn)裕豐公司的發(fā)展。