大興煤礦大斷面開切眼支護(hù)技術(shù)研究

張海波

（棗莊大興礦業(yè)有限責(zé)任公司，山東 棗莊 277319）

開切眼作為設(shè)備安裝的重要場所，其斷面有別于普通巷道斷面，跨度普遍在6.0 m 以上。相比于回采巷道，切眼對(duì)于支護(hù)有更高的要求。切眼的穩(wěn)定性一直是研究的熱點(diǎn)話題，何富連[1-2]等研究了切眼大小對(duì)圍巖的影響，按裂隙發(fā)育程度將圍巖劃分為三個(gè)區(qū)域；王炯[3-4]等人提出了協(xié)同支護(hù)的支護(hù)觀點(diǎn)，切眼整體采用錨網(wǎng)支護(hù)，變形突出部分采用錨索加強(qiáng)支護(hù)的方式，控制了切眼的變形；張向東[5]等針對(duì)大斷面普通支護(hù)存在的困難，提出采用高強(qiáng)度錨桿索，提供預(yù)應(yīng)力的支護(hù)方式；王在峰[6-7]等針對(duì)大斷面切眼支護(hù)，提出了一次掘進(jìn)支護(hù)與二次擴(kuò)幫聯(lián)合支護(hù)的方式。以上人員對(duì)于切眼的裂隙演化以及支護(hù)方式進(jìn)行了大量的研究，然而對(duì)于大斷面切眼，尤其是圍巖穩(wěn)定性較差的特殊情形缺少一定的研究，需要結(jié)合工程情況做進(jìn)一步的研究。

本文以2 北303 工作面大斷面切眼作為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬研究303 工作面切眼在采用加強(qiáng)支護(hù)前后圍巖的變化規(guī)律，并通過現(xiàn)場實(shí)測(cè)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。本文的研究結(jié)果可為大興煤礦后續(xù)進(jìn)一步改進(jìn)切眼的支護(hù)方案提供理論指導(dǎo)。

1 概況

切眼布置在3 煤，煤層平均厚度為4400 mm。303 切眼西側(cè)為2 北301 采空區(qū)，東側(cè)為2 北305未采區(qū)域，北側(cè)為邊界煤柱，南側(cè)為上山。切眼的實(shí)際位置如圖1。

圖1 切眼位置

切眼按矩形斷面設(shè)計(jì)，巷道開挖寬度7700 mm，開挖高度2900 mm，巷道凈斷面為7500 mm×2800 mm。在施工的過程中，采用錨網(wǎng)支護(hù)。由于圍巖巖性較差，以及2 北301 工作面回采的采動(dòng)影響，切眼圍巖松散破碎，局部頂板煤體垮落，亟需尋找一種合適的切眼支護(hù)方式，保證工作面設(shè)備的正常安裝。

2 開切眼穩(wěn)定性影響因素

2 北303 工作面埋深約為-700 m。該區(qū)域處于巖漿巖侵入?yún)^(qū)，屬于風(fēng)化破碎區(qū)，裂隙發(fā)育，煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性差，支護(hù)難度較大。經(jīng)綜合分析，影響開切眼穩(wěn)定性的因素如下：

（1）圍巖強(qiáng)度。圍巖強(qiáng)度是巷道圍巖在抵抗高地應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)出的穩(wěn)定性程度，其中圍巖移近量、巷道穩(wěn)定性系數(shù)均是衡量圍巖穩(wěn)定程度的指標(biāo)。切眼圍巖受工作面特殊地質(zhì)條件的影響較大，圍巖強(qiáng)度低是切眼支護(hù)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。

（2）巷道斷面大小。巷道斷面積和圍巖收斂量呈正相關(guān)。巷道高度增大時(shí)，兩幫移近率也加快。盡管巷道斷面形狀很多，但煤巷大多采用矩形或斜矩形作為常用斷面形狀，巷道跨度越大巷道頂板越不容易穩(wěn)定。

（3）原有支護(hù)強(qiáng)度。切眼的斷面比普通巷道斷面更大，原有的錨桿+錨索的支護(hù)方式存在預(yù)應(yīng)力不足、不能有效控制圍巖變形的問題。圍巖強(qiáng)度和巷道斷面在工作面確定的情況下無法改變，只有進(jìn)一步調(diào)整切眼的支護(hù)方式，選擇合理的巷道支護(hù)參數(shù)才能實(shí)現(xiàn)大斷面支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）采動(dòng)影響程度。相鄰工作面回采時(shí)，會(huì)對(duì)切眼的穩(wěn)定性造成影響。隨著相鄰工作面距切眼的距離不斷減少，采動(dòng)影響更加劇烈，尤其在頂板堅(jiān)硬的條件下，會(huì)存在應(yīng)力傳播路徑，容易在切眼中形成應(yīng)力集中的高應(yīng)力區(qū)，加劇切眼的變形。

3 開切眼加強(qiáng)支護(hù)方案

2 北303 工作面切眼設(shè)計(jì)為矩形斷面，切眼正常掘進(jìn)期間斷面為3850 mm×2900 mm。頂板支護(hù)方式為高強(qiáng)錨桿+鋼筋網(wǎng)+錨索，錨桿間排距為900 mm×900 mm，錨索間距為2 m。巷道幫部為鋼絲網(wǎng)+錨桿支護(hù)，玻璃鋼錨桿間排距為1200 mm×900 mm，樹脂鋼錨桿間排距為800 mm×900 mm。

二次擴(kuò)刷后，巷道斷面為7700 mm×2900 mm。在距幫部200 mm 的位置，按照斜75°的方向?qū)⒒夭蓚?cè)頂板錨桿打進(jìn)頂板。左幫部每間隔800 mm 布置一個(gè)錨桿，總計(jì)3 根，全部沿垂直頂板的方向打進(jìn)煤體。右?guī)筒浚ㄍ七M(jìn)方向）在距頂板300 mm 處按照1200 mm 的間距布置兩根Φ16 mm×1200 mm 玻璃鋼錨桿。頂板支護(hù)中，頂錨支護(hù)采用Φ20 mm×2000 mm 高強(qiáng)錨桿，間排距為900 mm×900 mm。支護(hù)圖如圖2，每米巷道支護(hù)耗材見表1。

圖2 切眼支護(hù)方案示意圖（mm）

表1 每米巷道支護(hù)耗材

4 切眼穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

4.1 數(shù)值模型建立

以2 北303 工作面工程地質(zhì)條件為研究背景，在數(shù)值模型中采用摩爾庫倫準(zhǔn)則，將開切眼斷面設(shè)置為寬×高=8 m×3 m 的矩形，模型長×寬×高設(shè)置為220 m×160 m×60 m，上覆巖層等效荷載17.5 MPa。各地層參數(shù)見表2。開切眼北邊有50 m的保護(hù)煤柱，開切眼走向長度100 m，沿走向與開切眼隔10 m的保護(hù)煤柱后，模擬了切眼加強(qiáng)支護(hù)后，圍巖的變形規(guī)律。切眼模擬支護(hù)如圖3。

圖3 切眼支護(hù)數(shù)值模擬模型

表2 地層參數(shù)

4.2 模型結(jié)果分析

圖4 依次是303 工作面切眼在無支護(hù)條件和加強(qiáng)支護(hù)條件下切眼的圍巖發(fā)育情況。如圖4（a）、（b）所示，在無支護(hù)條件下，頂板最大下沉量為465 mm；在有支護(hù)條件下，頂板最大下沉量為133.5 mm。如圖4（c）、（d）所示，在無支護(hù)條件下，幫部最大位移量為273 mm；在有支護(hù)條件下，幫部最大位移量為227 mm。如圖4（e）、（f）所示，在無支護(hù)條件下，切眼變形嚴(yán)重，塑性區(qū)具有對(duì)稱分布特征，頂板和兩幫以拉、剪破壞為主；在有支護(hù)條件下，塑性區(qū)發(fā)育范圍進(jìn)一步減小?？梢哉J(rèn)為通過加強(qiáng)支護(hù)方案，2 北303 切眼的圍巖變形得到控制。

圖4 303 工作面切眼有無支護(hù)效果對(duì)比圖

5 工程實(shí)測(cè)結(jié)果

為了更加直觀地看出加強(qiáng)支護(hù)后2 北303 工作面整個(gè)開切眼內(nèi)頂板各個(gè)位置的變形量以及切眼左右?guī)筒康淖冃瘟?，通過十字布點(diǎn)法進(jìn)行觀測(cè)，在切眼中監(jiān)測(cè)圍巖的變形，數(shù)據(jù)如圖5。

圖5 切眼圍巖變形量

從圖5 中可以看出，整個(gè)切眼中監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的變形量隨時(shí)間不斷變化最后趨于平緩，可劃分為急速增長階段（0～22 d）、快速增長階段（22～50 d）、緩慢增長階段（50～75 d）；兩幫移近量約為160 mm，頂板下沉量約為200 mm。說明加強(qiáng)支護(hù)后，切眼的變形得到有效的控制。

6 結(jié)論

（1）大興煤礦2 北303 工作面切眼處于巖漿巖侵入?yún)^(qū)，屬于風(fēng)化破碎區(qū)，裂隙發(fā)育，煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性差，支護(hù)難度較大，常規(guī)的錨桿索難以有效控制圍巖變形。

（2）圍巖變形可根據(jù)劇烈程度劃分為急速增長階段、快速增長階段以及緩慢增長階段。在切眼形成的初期一定要加強(qiáng)支護(hù)，減少圍巖變形。

（3）通過高強(qiáng)錨桿+鋼筋網(wǎng)+錨索的聯(lián)合支護(hù)，切眼變形得到抑制，頂板、兩幫變形控制在200 mm 以內(nèi)。