潘偉明（神華烏海能源利民煤焦有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，016100）

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大采高綜采工作面大斷面切眼支護(hù)技術(shù)研究?

潘偉明
（神華烏海能源利民煤焦有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，016100）

摘 要針對(duì)大采高綜采工作面大斷面切眼支護(hù)難題，以利民煤礦16#煤層首采工作面為工程背景，根據(jù)頂板巖層結(jié)構(gòu)觀測(cè)結(jié)果，提出了高強(qiáng)度初始支護(hù)方案，并運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，證明了設(shè)計(jì)方案的可行性?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，提出的支護(hù)方案能夠有效控制巷道圍巖變形，支護(hù)效果良好，并根據(jù)觀測(cè)結(jié)果對(duì)部分區(qū)域支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化。

關(guān)鍵詞大采高工作面 大斷面切眼 切眼支護(hù) 數(shù)值模擬

隨著煤礦高產(chǎn)高效工作面的持續(xù)推進(jìn)和機(jī)械化程度的進(jìn)一步提高，特別是采用大采高開采以來，工作面設(shè)備日趨大型化，工作面開切眼跨度也不斷增大，部分工作面切眼寬度增大至9～10 m，加大了支護(hù)維護(hù)難度，超大斷面切眼的支護(hù)問題成為目前煤礦安全領(lǐng)域的重要難題。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，選取利民煤礦16#煤層大采高首采工作面切眼為工程對(duì)象，根據(jù)頂板巖層結(jié)構(gòu)觀測(cè)結(jié)果，提出了高強(qiáng)度初始支護(hù)方案，并數(shù)值模擬了該方案下切眼圍巖變形情況，并根據(jù)切眼支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)部分區(qū)域支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化，最終取得了工業(yè)性試驗(yàn)成功。

1　工程概況

利民煤礦16#煤層1603工作面為首采工作面，埋深327～334 m，煤層平均厚度6.04 m，為近水平煤層，工作面傾向長(zhǎng)240 m，采用大采高綜采開采方式。1603工作面開切眼為矩形斷面，設(shè)計(jì)切眼尺寸9.0 m×4.0 m（寬×高）。16#煤層厚度變異系數(shù)為26%，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般含3～4層夾矸，偽頂為1.9 m厚的砂質(zhì)泥巖，直接頂板為細(xì)粒砂巖，屬軟弱～堅(jiān)硬巖類，厚度4.36 m；老頂為砂質(zhì)泥巖，厚度14.12 m，抗壓強(qiáng)度為27.6～71.5 MPa，屬半堅(jiān)硬巖類；直接底為1.95 m厚細(xì)粒砂巖；本區(qū)煤層頂?shù)装鍘r石的力學(xué)強(qiáng)度較低，以半堅(jiān)硬巖石為主，巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD）中等。

2　大斷面切眼支護(hù)初始方案設(shè)計(jì)

2.1 頂板巖層結(jié)構(gòu)觀測(cè)

巖體中存在許多不連續(xù)結(jié)構(gòu)面，控制著巖體變形、破壞及其力學(xué)性質(zhì)，而且?guī)r體結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性質(zhì)的控制作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其本身性質(zhì)的控制作用。為準(zhǔn)確研究巖體的變形和力學(xué)性質(zhì)，對(duì)16#煤層切眼附近頂板進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)鉆孔窺視。窺視結(jié)果顯示，9 m范圍內(nèi)頂板基本穩(wěn)定，破碎位置分布在1.0～1.4 m、6.6～8.4 m孔深位置的巖層交互帶和砂質(zhì)泥巖層。設(shè)計(jì)頂錨桿長(zhǎng)度2.4 m，處于完整巖石段的長(zhǎng)度為1.0 m，可將頂錨桿錨固在堅(jiān)硬頂板內(nèi)，設(shè)計(jì)的錨索長(zhǎng)度6.3 m或9.3 m，以避開較為軟弱的砂質(zhì)泥巖層。

2.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

（1）基本支護(hù)技術(shù)方案設(shè)計(jì)。切眼全斷面錨桿共布置18根。頂板選用?22 mm×2400 mm的等強(qiáng)桿體的高強(qiáng)度無縱筋左旋螺紋鋼錨桿，頂錨桿間排距900 mm，錨固力設(shè)計(jì)為60 k N/根，選用1支K2335快速、1支Z2360中速樹脂錨固劑。

切眼后幫選用?20 mm×2200 mm的等強(qiáng)桿體的高強(qiáng)度無縱筋左旋螺紋鋼錨桿，工作面?zhèn)葞停ㄇ皫停┻x用?20 mm×2000 mm的玻璃鋼錨桿，幫錨桿間距1050 mm，排距900 mm，每排布置4根錨桿，幫錨桿設(shè)計(jì)錨固力為50 k N/根，幫部選用1 支Z2380錨固劑。

切眼頂板及切眼后幫均選用W鋼帶配合菱形金屬網(wǎng)（頂板圍巖狀況較差時(shí)可用鋼筋網(wǎng)代替）加強(qiáng)支護(hù)。W鋼帶厚度為3 mm，寬度為250 mm，長(zhǎng)度為3300 mm。菱形金屬網(wǎng)由10#鐵絲編織而成，網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm，網(wǎng)片尺寸為4.8 m×1.0 m或4.3 m×1.0 m。切眼前幫主要采用玻璃鋼錨桿配合木托板支護(hù)，木托板規(guī)格為500 mm×300 mm×50 mm。

（2）頂板加強(qiáng)支護(hù)方案。大斷面切眼頂板加強(qiáng)支護(hù)采用小孔徑錨索加強(qiáng)支護(hù)。錨索每排布置5根，錨索間距2.0 m，排距2.7 m。錨索規(guī)格為?17.8 mm×6300 mm的預(yù)應(yīng)力鋼鉸線，外露長(zhǎng)度為300 mm。每根錨索用1支K2335、2支Z2360錨固劑，有效錨固長(zhǎng)度1.65 m，張拉力均不低于120 k N。

3　支護(hù)方案數(shù)值模擬研究

3.1 模型建立

運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸為300 m×150 m×2 m（x×y× z）。模型x和z方向分別在邊界上限制水平，y方向上固定底邊界，上邊界為自由面，模型網(wǎng)格劃分采用四面體單元，網(wǎng)格劃分的原則是越靠近16#煤層的各巖層網(wǎng)格劃分越密。模型選用莫爾－庫(kù)侖本構(gòu)模型，煤、巖層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　煤巖物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

3.2 結(jié)果分析

通過模擬試驗(yàn)可以直觀了解設(shè)計(jì)支護(hù)條件下大斷面切眼圍巖的變形和應(yīng)力分布狀態(tài)，從而檢驗(yàn)支護(hù)設(shè)計(jì)方案是否合理可行?，F(xiàn)有支護(hù)方案下，模擬試驗(yàn)結(jié)果表明切眼頂?shù)装搴蛢傻捉翘幊霈F(xiàn)小范圍的高應(yīng)力集中，其中水平應(yīng)力峰值約為24 MPa，兩幫垂直應(yīng)力峰值約為3 MPa；切眼頂板最大下沉量為47 mm，底板最大位移量為65 mm，切眼兩幫最大移近量79 mm。

大斷面切眼跨度大，掘出后頂板煤巖體更容易沿著破裂煤巖體裂隙等弱面滑動(dòng)產(chǎn)生變形，錨桿可以對(duì)圍巖裂隙弱面的滑動(dòng)起到控制作用，錨索在深部更穩(wěn)定圍巖懸吊及軸向力加壓作用，可提高圍巖整體的穩(wěn)定性。模擬結(jié)果的圍巖應(yīng)力分布表明，本支護(hù)方案很好地改變了圍巖的力學(xué)性質(zhì)，增強(qiáng)了圍巖的粘結(jié)力，并有效地抑制了切眼擴(kuò)容現(xiàn)象的發(fā)生，使切眼圍巖應(yīng)力分布更加合理，而錨索對(duì)頂板的懸吊作用可較好控制巷道頂板離層的發(fā)生，由此可知本支護(hù)設(shè)計(jì)方案是合理可行的，可應(yīng)用于切眼支護(hù)工程實(shí)踐。

4　切眼圍巖支護(hù)效果監(jiān)測(cè)及優(yōu)化

4.1 切眼支護(hù)效果監(jiān)測(cè)

評(píng)價(jià)切眼穩(wěn)定性的重要指標(biāo)包括頂板最大下沉量和下沉穩(wěn)定時(shí)間，切眼掘進(jìn)后，在不同位置設(shè)置了頂板下沉量觀測(cè)測(cè)站，以監(jiān)測(cè)切眼頂板下沉量，切眼掘進(jìn)20 m后安裝了錨桿、錨索受力監(jiān)測(cè)儀器，以監(jiān)測(cè)錨桿、錨索受力變化。隨切眼掘進(jìn)，共在切眼開始掘進(jìn)處、掘進(jìn)20 m、40 m、60 m和80 m處布置了5個(gè)測(cè)站。切眼頂板下沉量監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1所示。

圖1　頂板下沉量監(jiān)測(cè)曲線圖

切眼開口處頂板最大下沉量約為35 mm，下沉穩(wěn)定時(shí)間為8 d；距開口20 m處、40 m處、60 m處頂板最大下沉量分別為45 mm、46 mm和44 mm，下沉穩(wěn)定時(shí)間都為12 d；距開口80 m處監(jiān)測(cè)時(shí)間短，監(jiān)測(cè)的初始下沉值為43 mm，未有明顯上升趨勢(shì)。整體來看，切眼頂板下沉量未超過50 mm，頂板圍巖基本完整，下沉穩(wěn)定時(shí)間小于12 d，頂板受掘進(jìn)采動(dòng)影響周期短。

圖2為切眼內(nèi)錨桿、錨索荷載監(jiān)測(cè)曲線，監(jiān)測(cè)對(duì)象為切眼中部頂板3根錨桿和1根錨索的受力，監(jiān)測(cè)的錨桿荷載基本無明顯增加情況，錨索荷載有一定增加，但增加幅度不明顯，說明現(xiàn)有支護(hù)方案可阻止頂板離層和下沉，支護(hù)方案有效。

圖2　錨桿?。ㄋ鳎┖奢d監(jiān)測(cè)曲線

4.2 支護(hù)方案優(yōu)化

影響大斷面切眼支護(hù)效果的因素除掘進(jìn)工藝外，還包括圍巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)和巷道支護(hù)質(zhì)量。如切眼遇軟弱構(gòu)造帶，受構(gòu)造應(yīng)力作用，圍巖內(nèi)生裂隙較多，造成頂板和兩幫較為破碎，影響切眼圍巖完整性，要求初始支護(hù)方案應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。由于工人安裝操作不當(dāng)，也會(huì)導(dǎo)致初始錨固力不合格問題，造成支護(hù)構(gòu)件不能正常發(fā)揮效用，因此，對(duì)1603工作面切眼支護(hù)進(jìn)行了優(yōu)化。

（1）掘進(jìn)期間，根據(jù)頂板情況實(shí)施兩級(jí)頂板管理，正常頂板采用初始支護(hù)方案，地質(zhì)異常區(qū)域采用加強(qiáng)支護(hù)方案，如切眼掘進(jìn)至45 m時(shí)，遇變坡段，傾向角度增大至13°，此區(qū)域頂板較為破碎，錨索長(zhǎng)度增大至9.3 m，其它參數(shù)不變，以增加對(duì)頂板深部離層的控制。

（2）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過程中，采用錨桿無損檢測(cè)儀對(duì)切眼內(nèi)錨桿軸向受力和錨固段長(zhǎng)度進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明部分錨桿的軸向力偏小，說明錨桿預(yù)緊力不達(dá)標(biāo)。高預(yù)應(yīng)力是巷道支護(hù)系統(tǒng)的要素之一，要求預(yù)緊力應(yīng)達(dá)到錨桿屈服強(qiáng)度的30%～50%，設(shè)計(jì)要求錨桿的預(yù)緊力矩應(yīng)達(dá)到300 N·m，因此，后期施工應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)預(yù)緊力管理，在不增加成本的情況下，提高現(xiàn)有支護(hù)方案的效能。

5　結(jié)論

（1）根據(jù)煤層賦存條件，提出了高強(qiáng)度大斷面切眼支護(hù)方案，并采用數(shù)值模擬手段，對(duì)該方案下切眼圍巖應(yīng)力分布及變形特征進(jìn)行了研究，證明了設(shè)計(jì)方案的可行性。

（2）通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，提出的支護(hù)方案能夠有效控制巷道圍巖變形，支護(hù)效果良好，滿足施工要求，并根據(jù)地質(zhì)條件，對(duì)部分區(qū)域支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化。

（3）根據(jù)地質(zhì)條件，提出初始支護(hù)方案，結(jié)合前期數(shù)值模擬和施工中的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)大斷面切眼支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化是可供借鑒的可行方法。

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（責(zé)任編輯 張毅玲）

Research on supporting technology of large section open-off cut in fully mechanized mining face with large mining height

Pan Weiming
（Shenhua Wuhai Energy Limin Coal& Coke Co.，Ltd.，Ordos，Inner Mongolia 016100，China）

AbstractFor the supporting problem of large section open-off cut in fully mechanized mining face with large mining height，the first working face of No.16 seam in Limin Coal Mine was taken as the engineering background，according to the observed results of roof strata structure，the initial high-strength support scheme was put forward，and the supporting effect was predicted and analyzed by using numerical simulation software FLAC3D，which proved the feasibility of the design scheme.Field test showed that the support scheme could effectively control the surrounding rock deformation and the supporting effect was good，then according to the observed results，the supporting scheme in partial region was optimized.

Key wordsworking face with large mining height，large section open-off cut，supporting in open-off cut，numerical simulation

中圖分類號(hào)TD353

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

基金項(xiàng)目：?國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金（51304115）

作者簡(jiǎn)介：潘偉明（1964－），男，廣東省新豐縣人，1989年畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院，工程師，現(xiàn)任神華烏海能源利民煤焦有限公司總工程師。