高飛

(西山煤電集團(tuán)公司杜兒坪礦，山西太原030022)

采空區(qū)下63318工作面大跨度切眼支護(hù)技術(shù)

高飛

(西山煤電集團(tuán)公司杜兒坪礦，山西太原030022)

隨著礦井綜采設(shè)備性能的不斷提升，工作面回采方式逐漸向大采高發(fā)展，這就使得切眼的支護(hù)難度也在不斷地增加，如何快速地實(shí)現(xiàn)一次開(kāi)切眼就成了現(xiàn)階段需要解決的問(wèn)題之一。本文以杜兒坪礦采空區(qū)下63318綜采工作面中等斷面切眼為例，采用錨網(wǎng)索+鋼帶聯(lián)合支護(hù)的形式對(duì)大跨度切眼圍巖進(jìn)行支護(hù)，并應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)確定了合理的支護(hù)參數(shù)，在切眼巷道支護(hù)完成時(shí)，采用十字布點(diǎn)法對(duì)巷道斷面收斂情況進(jìn)行觀測(cè)，支護(hù)效果顯著，工作面切眼巷道圍巖穩(wěn)定性得到有效控制。

采空區(qū);切眼;聯(lián)合支護(hù)技術(shù);支護(hù)設(shè)計(jì)

1 地質(zhì)條件

杜兒坪礦63318工作面掘進(jìn)穿過(guò)的煤層為古生代二疊系下統(tǒng)山西組3#煤，煤層厚度變化較大，平均厚度2.77 m，煤巖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含1～3層總厚0.2～ 1.70 m的夾石，巖性為砂質(zhì)泥巖，工作面煤巖層平均傾角5°．工作面地表內(nèi)有杜兒坪礦90－2#鉆孔，南部有90－4#鉆孔，與工作面相距166 m，及杜兒坪90－5#鉆孔與工程面相距150 m，3個(gè)鉆孔封堵情況均為良好，蓋山厚度464～576 m，平均518 m．工作面位于北三盤(pán)區(qū)，施工3#煤，南鄰63316副巷相距27 m，東鄰北三3#煤軌道巷相距166 m，北部及西部相鄰3#煤實(shí)體煤柱。上部為62318、62320、62506、62508、62510采空區(qū)，2#煤與3#煤層間距為1.5～10.5 m，平均6.5 m．巷道布置見(jiàn)圖1．

圖1 63318工作面巷道布置圖

2大跨度切眼斷面破壞機(jī)理及支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 大跨度切眼斷面破壞機(jī)理

大跨度巷道是相對(duì)而言的，見(jiàn)表1，當(dāng)巷道寬度＞5.5 m時(shí)稱(chēng)之為大跨度巷道，據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明:當(dāng)巷道跨度＞5.5 m時(shí)，巷道極容易出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，巷道破碎嚴(yán)重，不容易支護(hù)。大跨度巷道受埋深、地質(zhì)特征影響表現(xiàn)尤為明顯。杜兒坪63318工作面蓋山埋深在460 m以上，地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果顯示，平均最大與最小水平主應(yīng)力為13.65 MPa和7.68 MPa，平均垂直主應(yīng)力是12.6 MPa，與以往巷道相比，大跨度巷道容易在巷道頂角處出現(xiàn)應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致巷道遭到破壞。

表1 巷道按跨度類(lèi)型分類(lèi)表

1)巷道跨度尺寸效應(yīng)。

巷道跨度對(duì)頂板巖層彎曲下沉的影響見(jiàn)圖2，均布載荷代表巷道受到上覆巖層的作用力，頂板簡(jiǎn)化成兩端固定支護(hù)的無(wú)限長(zhǎng)薄板進(jìn)行分析。

圖2 巷道頂板撓度計(jì)算模型圖

巷道頂板撓度可由以下公式計(jì)算:

式中:

w—巷道頂板撓度，m;

n、an—為系數(shù);

l—頂板巖層寬度，m．

頂板張應(yīng)力可按以下公式計(jì)算:

式中:

S—巷道頂板巖層張力，kN/m;

H—巖層厚度，m;

E—巖層彈性模量，MPa;

μ—泊松比。

以上兩式經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可以求得頂板巖層最大撓度為:

從上式可以看出，巷道跨度越大，巷道的最大撓度也越大，由此可見(jiàn)，巷道跨度越大頂板彎曲變形越嚴(yán)重，也越容易斷裂破壞。

2)巷道圍巖穩(wěn)定的應(yīng)力效應(yīng)。

巷道斷面應(yīng)力分析通常采用圓形巷道斷面進(jìn)行力學(xué)分析，其彈塑性力學(xué)公式如下:

由上式可以看出，巷道圍巖確實(shí)受地應(yīng)力的影響很大，而其中切向應(yīng)力對(duì)巷道圍巖變形破壞起主要作用，由上面的第二個(gè)分式可以看出切應(yīng)力與巷道埋深成正比，所以，埋藏越深巷道變形越嚴(yán)重，越不容易支護(hù)。

3)跨度巷道圍巖破壞特征。

巷道圍巖失穩(wěn)是由于巷道開(kāi)挖使原巖應(yīng)力遭到破壞，大跨度巷道由于跨度大，頂板極易出現(xiàn)撓曲變形，此外，切眼巷道布置在煤層當(dāng)中，煤體本身強(qiáng)度低，這就加劇了巷道在張應(yīng)力作用下圍巖出現(xiàn)破壞，導(dǎo)致大范圍塑性區(qū)變形，其主要特征如下:

a)變形破壞嚴(yán)重?，F(xiàn)場(chǎng)頂板離層監(jiān)測(cè)表明，大跨度巷道很容易造成大范圍頂板離層，所以?xún)H使用錨桿的單一支護(hù)方式不能控制巷道圍巖變形，通常在大采高工作面采用沿頂板布置巷道，這樣在巷道底板處就會(huì)存在滑移面，這些滑移面強(qiáng)度低，摩擦阻力小，巷道容易沿著滑面整體移動(dòng)，增大了巷道兩幫的破壞范圍，巷幫更難支護(hù)。

b)易出現(xiàn)圍巖突然破壞。在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂構(gòu)造發(fā)育的地段，或是一些應(yīng)力集中的特殊區(qū)域，當(dāng)巷道跨度加大時(shí)，相應(yīng)的高度也會(huì)加大，因此，巷道更容易出現(xiàn)頂板的大范圍突然冒落。

2.2 巷道斷面設(shè)計(jì)

在工作面交替過(guò)程中，確定63318工作面采用現(xiàn)有支架(ZY5200/19.5/42)，支架高度為1 950～ 4 200 mm．在考慮設(shè)備安裝空間、地質(zhì)條件、通風(fēng)、行人等綜合因素后，將切眼斷面設(shè)計(jì)為矩形斷面，斷面沿3#煤頂板掘進(jìn)，斷面尺寸為6 300 mm×2 800 mm (寬×高)。

2.3 巷道維護(hù)特點(diǎn)

該巷道斷面屬于中等斷面，蓋山厚度518 m，屬于中深部煤層，由于煤層頂板節(jié)理發(fā)育明顯，工作面上方為2#煤采空區(qū)，距63318工作面約10 m，按礦井生產(chǎn)相關(guān)規(guī)定需對(duì)采空區(qū)進(jìn)行鉆孔勘探，結(jié)果表明，采空區(qū)無(wú)積水現(xiàn)象，據(jù)此判定上方采空區(qū)基本對(duì)該工作面無(wú)影響。3#煤頂板存在0.2 m泥巖偽頂，且老頂為弱含水中粒砂巖層，所以在特殊地質(zhì)構(gòu)造下會(huì)有涌水現(xiàn)象，需加強(qiáng)排水處理。3#煤層硬度中等，但由于存在偽頂及直接頂，受陷落柱、斷層等特殊構(gòu)造影響，造成直接頂沿層理含水過(guò)量，砂質(zhì)泥巖軟化的問(wèn)題，所以，圍巖穩(wěn)定性的控制就成了大跨度切眼支護(hù)的主要技術(shù)難題。圍巖特征見(jiàn)表2．

表2 63318工作面圍巖特征表

3 大跨度切眼圍巖支護(hù)基本思路及方案

設(shè)計(jì)切眼寬度為6 300 mm，高度2 800 mm，在跨度上屬于較大跨度巷道。如果采用單一錨桿支護(hù)，很難保證巷道圍巖的穩(wěn)定性，因此，對(duì)切眼斷面進(jìn)行合理設(shè)計(jì)以保證巷道在服務(wù)期內(nèi)不出現(xiàn)頂板離層，有效控制巷道圍巖變形量。目前，大多數(shù)礦井在對(duì)切眼斷面支護(hù)時(shí)使用的是錨網(wǎng)索支護(hù)形式，預(yù)應(yīng)力錨索能夠以最大長(zhǎng)度穿過(guò)巷道圍巖松動(dòng)圈或破碎高度達(dá)到穩(wěn)定區(qū)，錨桿+W鋼帶+鋼筋網(wǎng)能有效地控制松動(dòng)圈圍巖，錨桿索預(yù)應(yīng)力的施加使得巷道圍巖自身強(qiáng)度得到改變，由被動(dòng)支護(hù)變?yōu)橹鲃?dòng)支護(hù)，但由于施工質(zhì)量及錨索自身特性，很難保證5 m以上錨索充分發(fā)揮出支護(hù)效果，所以63318工作面在結(jié)合錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)的同時(shí)采用單體支柱+加厚W鋼帶進(jìn)行加固，最大程度地改善圍巖受力狀態(tài)。

3.1 63318工作面切眼支護(hù)參數(shù)

頂板鋪設(shè)d6 mm×2 400 mm×1 000 mm鋼筋網(wǎng)，采用8根d22 mm×L2 000 mm螺紋鋼錨桿配合W鋼帶進(jìn)行支護(hù)，同時(shí)打注d21.6 mm×5 300 mm錨索加強(qiáng)支護(hù)。頂錨桿布置為矩形布置，間排距為875 mm×900 mm，錨桿尾端安裝150 mm×150 mm ×14 mm方鐵片。錨索布置為“2－1－2－1”布置，第一排距幫1 050 mm，間距4 200 mm，單排縱間距1 800 mm．兩幫均鋪設(shè)2 000 mm×2 400 mm菱形金屬網(wǎng)，采用d20 mm×L2 000 mm螺紋鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)。1排3根幫錨，最上面1根幫錨距頂300 mm，間排距900 mm×900 mm，錨桿尾端安裝230 mm× 230 mm×3 mm的W鐵片、110 mm×110 mm× 10 mm方鐵片。采用頂部鋼筋網(wǎng)包角搭接，巷道中部架設(shè)單體支柱，分別距兩幫2 000 mm、2 300 mm，在預(yù)計(jì)架設(shè)單體位置上方鋼帶采用加厚鋼帶，具體布置見(jiàn)圖3．

3.2 切眼支護(hù)方案數(shù)值模擬

為了驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)切眼斷面支護(hù)的合理性及可行性，應(yīng)用FLAC3D模擬技術(shù)對(duì)該方案進(jìn)行模擬，圖4，5分別為切眼巷道的最大主應(yīng)力云圖和水平應(yīng)力云圖，從圖4，5中可以看出兩幫及頂板最終沉降量底鼓量明顯減小，巷道剪應(yīng)力、剪應(yīng)變集中現(xiàn)象明顯消除，據(jù)此可以初步確定錨桿(索)支護(hù)參數(shù)選取合理。

4 支護(hù)效果分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證63318工作面切眼支護(hù)方案的合理性及支護(hù)效果，同時(shí)為以后進(jìn)一步改進(jìn)支護(hù)方案提供可行的參考數(shù)據(jù)，在切眼巷道支護(hù)完成時(shí)，對(duì)巷道斷面收斂情況采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)巷道內(nèi)錨桿進(jìn)行錨固力監(jiān)測(cè)。測(cè)點(diǎn)分別布置在距運(yùn)輸巷道10 m、90 m的切眼巷道處，對(duì)巷道掘進(jìn)后40天內(nèi)的情況進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)曲線見(jiàn)圖6．從圖6可以看出工作面中部變形量明顯大于端頭，中部及端部巷道變形量在20 d時(shí)基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)，在40 d時(shí)達(dá)到最大值，最大值分別為80 mm、69 mm．圖7為切眼巷道內(nèi)距運(yùn)輸平巷90 m頂板處的3根錨桿工作阻力圖，從圖7中可以看出錨桿的初始錨固力大約在60～100 kN，經(jīng)過(guò)3～4天巷道圍巖變形穩(wěn)定后，錨固力達(dá)到110～150 kN并逐漸趨于穩(wěn)定，從數(shù)據(jù)上可以明顯看出支護(hù)效果顯著。

圖3 63318工作面切眼支護(hù)圖圖4 63318切眼斷面最大主應(yīng)力云圖

圖5 63318切眼斷面水平方向應(yīng)力云圖

圖6 63318切眼斷面收斂變化觀測(cè)曲線圖

圖7 63318切眼斷面錨桿工作阻力圖

5 總結(jié)

針對(duì)杜兒坪礦63318工作面地質(zhì)環(huán)境及切眼支護(hù)所存在的問(wèn)題，提出了錨桿索+網(wǎng)支護(hù)采空區(qū)下大跨度切眼支護(hù)方式，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)分析了63318工作面切眼支護(hù)方案，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)效果進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)表明，該支護(hù)方案能夠有效保證63318工作面切眼巷道圍巖穩(wěn)定性。

［1］劉清濤，謝根弟．深井大斷面切眼錨網(wǎng)(索)支護(hù)研究與應(yīng)用［J］．中國(guó)煤炭，2009(7):50－52.

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Supporting Technology of Large Span Cutting Hole of 63318 W orking Face under the Goaf

Gao Fei

With the continuous improvement of performance in coalmine fullymechanized equipment，working faceminingmethod is developing towards to the largemining height gradually．It increases the supporting difficulty of cutting hole．Quickly realizes once open－off cut is one of the problems thatneed to be solved at present stage．Medium section cutting hole of63318 working face under the goaf in Du＇erping coalmine is as the example，adopts the bolt－mesh－anchor combined support technology to support large span cutting hole surrounding rock，and using numerical simulation technique to ensure reasonable support parameters．Adopts cross distribution pointmethod to observe roadway cross section convergence conditon at the time of cutting hole roadway supporting finished．The supporting effect is remarkable，the stability ofworking face cutting hole roadway surrounding rock is obtained effectively control．

Goaf;Cutting hole;Combined support technology;Support design

TD353

B

1672－0652(2015)09－0020－04

2015－07－30

高飛(1979—)，男，山西五臺(tái)人，2011年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，工程師，主要從事礦井安全生產(chǎn)管理工作(E－mail)1229555356@qq．com