何 杰，王中奎，李光營

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013;2.山西潞安環(huán)能股份有限公司五陽煤礦，山西襄垣046100; 3.中國煤炭科工集團(tuán)，北京100013)

復(fù)雜地質(zhì)條件下大斷面切眼支護(hù)技術(shù)

何 杰1，王中奎2，李光營3

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013;2.山西潞安環(huán)能股份有限公司五陽煤礦，山西襄垣046100; 3.中國煤炭科工集團(tuán)，北京100013)

Technology of Open-off Cut Supporting with Large Section under Complex Geological Condition

五陽煤礦7605切眼斷面尺寸大，地質(zhì)條件復(fù)雜。為了解決該條件下切眼支護(hù)問題，分析了切眼支護(hù)技術(shù)難點(diǎn)，采用數(shù)值模擬研究大斷面切眼變形特征，并掌握了圍巖變形規(guī)律。基于高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)理論，提出大斷面切眼支護(hù)對策和方案，應(yīng)用于井下。實(shí)踐結(jié)果表明，設(shè)計方案能夠有效控制圍巖變形，保證了切眼正常使用。

復(fù)雜條件;大斷面;切眼;高預(yù)應(yīng)力;強(qiáng)力支護(hù)

五陽煤礦已進(jìn)入深井開采階段，隨著埋深和巷道斷面的變大，支護(hù)難度在增加，已掘巷道壓力顯現(xiàn)明顯，圍巖變形嚴(yán)重 (特別是回采巷道)，現(xiàn)有支護(hù)體系難以有效控制。7605切眼寬7.8m，高3.2m，是目前五陽煤礦最大斷面切眼;受礦區(qū)天倉向斜軸影響，地質(zhì)條件惡劣，圍巖破碎，加上首次使用大斷面切眼，缺乏經(jīng)驗(yàn)。因此，7605切眼屬于復(fù)雜地質(zhì)條件下大斷面困難條件下巷道支護(hù)，國內(nèi)外對這方面有一些研究［1－3］，本文針對該條件下圍巖特征、控制難點(diǎn)、對策和方案進(jìn)行分析，解決其支護(hù)難題。

1 大斷面切眼工程概況及支護(hù)技術(shù)難點(diǎn)

1.1 工程概況

地質(zhì)資料顯示，7605切眼埋深501～543m，長235m。3號煤層厚5.80～6.50m，黑色，細(xì)條帶狀結(jié)構(gòu)，含2層夾矸，夾矸為泥巖，沿巷道掘進(jìn)方向煤層傾角5～12°，平均傾角10°，掘進(jìn)過程中不會遇到較大斷層等地質(zhì)構(gòu)造，主要充水因素為3號煤層頂板以上VII號砂巖含水層，通過有效裂隙滲入到工作面。局部地段受構(gòu)造影響，頂板破碎，可能出現(xiàn)少量淋水現(xiàn)象。

該處附近地應(yīng)力測量結(jié)果表明，最大水平主應(yīng)力為10.43MPa，方向N11.5°W;最小水平主應(yīng)力為5.8MPa;垂直主應(yīng)力為10.63MPa，7605切眼還將受7605高抽巷掘進(jìn)影響，7605高抽巷位于煤層頂板上方2～4m，與回風(fēng)巷之間煤柱15m(中對中)，高抽巷斷面為2.6m×2.6m，切眼附近頂?shù)装鍫顩r見表1。

表1 3號煤頂板巖層狀況

1.2 支護(hù)技術(shù)難點(diǎn)分析

(1)3號煤層直接頂為泥巖，巷道掘進(jìn)過程中受采動影響，加上風(fēng)化作用，頂板裂隙較發(fā)育，易造成巷道頂板下沉和兩幫嚴(yán)重變形。

(2)斷面寬度大，7605切眼是五陽煤礦最大斷面切眼，斷面為7.8m×3.2m，之前最大斷面為7.0m×3.2m，巷道分2次掘進(jìn)，支護(hù)難度高。

(3)巷道位于天倉向斜軸引起的地質(zhì)異常區(qū)域，地質(zhì)條件復(fù)雜，巷道埋深大，圍巖破碎，局部區(qū)域受7605高抽巷影響，綜合因素影響下支護(hù)困難，屬于復(fù)雜條件下困難巷道支護(hù)。

2 大斷面切眼圍巖變形特征

為了掌握7605工作面切眼大斷面圍巖變形特征，依據(jù)地質(zhì)條件，建立力學(xué)模型，采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D模擬研究切眼高度3.5m、寬度為2.5～7.8m條件下切眼圍巖變形規(guī)律，其位移數(shù)值如表2。

表2 不同方案位移值比較

根據(jù)模擬結(jié)果，可知:

(1)隨著巷道寬度的增加，位移分布規(guī)律沒有太大的變化，反映變化的只是數(shù)值的增大。

(2)隨著巷道寬度的增加，頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍逐漸擴(kuò)大，但不明顯，兩幫變化較明顯。

(3)隨著巷道寬度的增加，頂板應(yīng)力集中值增大，張拉、剪切破壞加劇，巷道變形嚴(yán)重，支護(hù)難度加大。

3 支護(hù)對策

依據(jù)支護(hù)難點(diǎn)分析結(jié)果，徹底改變以前淺埋煤層低強(qiáng)度、低預(yù)應(yīng)力和高密度的支護(hù)方式，基于高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)理論［4－6］，依據(jù)高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散原則和高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度原則，提出如下支護(hù)對策:

(1)7605切眼支護(hù)分為2部分，正常段斷面7.8m×3.2m，2個端頭斷面9.8m×3.2m，根據(jù)切眼斷面尺寸不同，有針對性設(shè)計支護(hù)方案。

(2)改善支護(hù)材料，增強(qiáng)錨桿支護(hù)系統(tǒng)強(qiáng)度，優(yōu)化支護(hù)材料配套，改變支護(hù)強(qiáng)度不高、預(yù)緊力偏低，護(hù)表構(gòu)件面積小及錨桿 (索)斷裂問題，將原來335號錨桿和直徑15.24mm錨索更換為500號錨桿和直徑18.9mm強(qiáng)力錨索。

(3)增大錨桿支護(hù)系統(tǒng)剛度。設(shè)計500號錨桿預(yù)緊扭矩大于400N·m，錨索初始預(yù)緊力大于250kN。

(4)錨網(wǎng)索和木垛聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。切眼掘進(jìn)完畢后，工作面支架安裝之前，進(jìn)行木垛支護(hù)。

4 支護(hù)方案

依據(jù)地質(zhì)條件、圍巖變形特征及支護(hù)難點(diǎn)分析，利用數(shù)值模擬軟件對不同支護(hù)方案進(jìn)行模擬分析，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定五陽煤礦7605切眼采用加長錨固高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)，切眼正常段寬度為7.8m，高3.2m，切眼分2次掘進(jìn)成巷，一切寬度為 3.5m，二切寬度為4.3m，兩端頭尺寸為9.8m×3.2m。

4.1 正常段切眼支護(hù)方案

錨桿桿體為22號左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號為500號，長度2.4m;頂板錨桿間排距1000mm× 900mm，幫錨桿間排距800mm×900mm，采用高強(qiáng)錨桿螺母M24，配合高強(qiáng)托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈，托板采用拱型高強(qiáng)度托板，托板大小為150mm×150mm×10mm，承載能力不低于260kN。采用 W鋼帶護(hù)頂和外側(cè)幫，鋼帶厚4mm，寬280mm，頂板長度分別為3200mm和4200mm，外側(cè)幫長度2600mm，采用金屬網(wǎng)護(hù)頂幫。頂錨索為18.9mm，1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度 7300mm，每 2排打 4根錨索，錨索間距2000mm，采用300mm×300mm×16mm高強(qiáng)度可調(diào)心托板及配套鎖具，強(qiáng)度要大于400kN。內(nèi)側(cè)幫:需采用可切割玻璃鋼錨桿，桿體為20mm玻璃鋼，長度2000mm，桿尾螺紋為M20。采用300mm× 200mm×100mm木墊板配合錨桿托板。錨桿間排距800mm×900mm。錨索初始預(yù)緊力大于250kN，錨桿預(yù)緊扭矩大于400N·m。

4.2 兩端大斷面切眼支護(hù)方案

兩端大斷面切眼支護(hù)材料和規(guī)格同正常段，其不同之處為:頂板W鋼帶長4200mm，外側(cè)幫W鋼帶長度2500mm。錨桿間排距1000mm×900mm，有1根錨桿打單體，配300mm×300mm×16mm大托板。每1.8m打5根錨索，一切、二切內(nèi)錨索間距均為2000mm，錨索初始預(yù)緊力大于250kN。

5 切眼支護(hù)效果分析

為了有效評價切眼支護(hù)效果，7605切眼在掘進(jìn)110m位置設(shè)置了1個綜合觀測站，采用十字布點(diǎn)法對巷道表面位移進(jìn)行觀測，通過頂板離層儀和錨桿 (索)測力計對頂板離層和錨桿、錨索受力情況進(jìn)行監(jiān)測。

5.1 表面位移

7605切眼一切和二切巷道表面位移觀測曲線如圖1和圖2所示，從觀測曲線可以看出，巷道的變形隨著開挖時間逐漸增大，開始時增加的幅度比較大，但是隨著逐漸遠(yuǎn)離掘進(jìn)工作面其變形趨于穩(wěn)定。一切頂板的最大變形量為25mm，兩幫的最大移近量為15mm;二切頂板的最大變形量為15mm，兩幫的最大移近量為12mm，二切巷道在掘進(jìn)初期基本沒有變形。

圖1 一切巷道表面位移變化曲線

圖2 二切巷道表面位移變化曲線

5.2 頂板離層

7605切眼共布置了17個頂板離層儀，一切布置了9個，二切布置了8個，每隔30m布置1個。一切巷道頂板淺部最大離層為50mm，深部最大離層為38mm;二切巷道頂板淺部最大離層21mm，深部最大離層9mm。

圖3是4號頂板離層儀變化曲線，一切巷道4號頂板離層儀觀測時間約40d，巷道開挖初期，頂板離層量不大，淺部最大離層為15mm，深部幾乎沒有離層，其增幅也不大，隨著逐漸遠(yuǎn)離掘進(jìn)工作面趨于穩(wěn)定。隨后在二切掘進(jìn)影響下，一切頂板離層量增加，增幅變大，巷道頂板離層由淺部向深部發(fā)展，淺部最大離層達(dá)50mm，深部最大離層達(dá)38mm。

圖3 一切4號頂板離層儀變化曲線

5.3 錨桿 (索)受力

受二切采動影響，7605切眼一切錨桿和錨索受力觀測曲線如圖4和圖5所示。從圖中可以看出，錨桿、錨索受力變化較大，錨桿錨索受力增幅大，在支護(hù)系統(tǒng)中，錨索起到了重要的作用。受二切采動影響，左幫錨桿受力最小值為46kN，最大為125kN，平均為89kN;頂部錨桿受力最小值122kN，最大為214kN，平均為207kN;頂板錨索受力最小值為 246kN，最大為 282kN，平均為264.5kN。錨桿、錨索的受力大，增幅大，其主要原因是:一是受二切掘進(jìn)影響;二是開始錨索預(yù)張拉不到位，從而引起頂板的離層運(yùn)動，特別是深部巖層的離層，從離層監(jiān)測數(shù)據(jù)及離層變化曲線也可以看出，此過程經(jīng)歷了一個深部離層擴(kuò)展的情況，但是離層量不大，錨索很快就達(dá)到了較高的拉力，阻止了離層的進(jìn)一步擴(kuò)展。從整體上來看，錨桿、錨索充分發(fā)揮作用，控制了巷道較大的變形，巷道趨于穩(wěn)定。

圖4 二切采動下一切錨桿受力變化曲線

圖5 二切采動下一切錨索受力變化曲線

6 結(jié)論

針對五陽煤礦7605切眼斷面大，地質(zhì)條件復(fù)雜，巷道支護(hù)困難特征，對切眼支護(hù)難點(diǎn)、圍巖變形特征和支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論:

(1)分析7605切眼地質(zhì)工程概況，針對切眼復(fù)雜地質(zhì)特征，建立切眼力學(xué)模型，研究了切眼圍巖變形特征。

(2)依據(jù)7605切眼圍巖變形特征，結(jié)合支護(hù)難點(diǎn)，基于強(qiáng)力支護(hù)理論，提出切眼支護(hù)對策，依據(jù)支護(hù)斷面尺寸，確定切眼不同區(qū)域支護(hù)方案。

(3)通過切眼控制效果分析可知，加長錨固高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)是適合五陽煤礦工作面大斷面切眼支護(hù)方式，變形小，支護(hù)效果好。

［1］康紅普，王金華，等.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.

［2］顏立新，康紅普，李紅德.趙莊礦大斷面工作面巷道錨桿支護(hù)現(xiàn)狀分析［J］.煤礦開采，2007，12(6):41－43.

［3］顏立新，康紅普.特大斷面巷道圍巖穩(wěn)定性與支護(hù)技術(shù)［A］.煤炭科學(xué)研究總院北京開采所.地下開采現(xiàn)代化技術(shù)理論與實(shí)踐［C］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.

［4］吳擁政.強(qiáng)動壓下回采巷道高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿支護(hù)技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，38(3):12－14，48.

［5］康紅普，林 健，吳擁政.全斷面高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索支護(hù)技術(shù)及其在動壓巷道中的應(yīng)用 ［J］.煤炭學(xué)報，2009，34 (9):1153－1159.

［6］康紅普，姜鐵明，高富強(qiáng).預(yù)應(yīng)力在錨桿支護(hù)中的作用［J］.煤炭學(xué)報，2007，32(7):673－678.

［責(zé)任編輯:王興庫］

TD353

B

1006-6225(2012)04-0060-03

2012－04－10

何 杰 (1984－)，男，河南長葛人，碩士，助理工程師，主要從事巷道支護(hù)研究工作。