楊建輝，石 蒙，蔣 威，丁維波

(1.陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000； 2.陜西陜煤榆北煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；3.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

隨著國(guó)家對(duì)煤炭企業(yè)的規(guī)劃和煤炭資源產(chǎn)業(yè)的整合，現(xiàn)代化特大型礦井在煤炭行業(yè)中的比重逐漸加大[1-3]，隨之而來的礦井生產(chǎn)集中化、工作面設(shè)備大型化的發(fā)展趨勢(shì)已不是傳統(tǒng)的巷道斷面尺寸所能適應(yīng)[4，5]。目前，我國(guó)最大的采煤機(jī)單個(gè)滾筒直徑已經(jīng)超過3.2m，最大的液壓支架整體長(zhǎng)度可達(dá)8.5m以上，寬度超過2m，將設(shè)備從地面運(yùn)輸?shù)焦ぷ髅嬉约霸诠ぷ髅姘惭b的過程中，均需要更寬、更高的巷道斷面[6-8]。因此，特大斷面巷道、切眼的出現(xiàn)逐漸呈現(xiàn)出常態(tài)化，同時(shí)也為保障巷道圍巖穩(wěn)定帶來挑戰(zhàn)。

近年來，在切眼巷道穩(wěn)定性保障及支護(hù)技術(shù)方面，我國(guó)學(xué)者進(jìn)行了大量研究。楊永剛等研究了高、低位復(fù)合頂板不同地質(zhì)條件下大斷面切眼的塑性區(qū)分布及位移，并相應(yīng)地優(yōu)化了錨桿(索)支護(hù)參數(shù)[9]；李偉等將錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)應(yīng)用在龍固礦井首采1301N工作面大斷面切眼，并論證了可靠性[10]；魏世義[11]以趙固二礦大采高大斷面切眼為背景，提出了大斷面開切眼錨網(wǎng)索加挑棚聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，有效控制了深井破碎頂板大斷面切眼圍巖。對(duì)于大斷面開切眼巷道，學(xué)者們對(duì)于不同地質(zhì)條件下的巷道圍巖支護(hù)進(jìn)行了較為全面的研究，然而，上述研究中的切眼巷道斷面面積普遍在30m2左右，對(duì)于斷面尺寸達(dá)到50m2左右的特大斷面切眼巷道圍巖變形特征與支護(hù)方面研究較少。

因此，以曹家灘煤礦122106首采面特大斷面切眼巷道(斷面尺寸48.3m2)為背景，綜合采用理論分析和數(shù)值模擬對(duì)曹家灘煤礦特大斷面切眼巷道變形特征及相應(yīng)的支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究，研究成果通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 工程背景

1.1 工程概況

曹家灘煤礦122106工作面切眼長(zhǎng)度為350m，斷面設(shè)計(jì)為矩形斷面。設(shè)計(jì)掘進(jìn)寬度10.5m，高度4.6m，掘進(jìn)斷面達(dá)48.3m2。122106工作面是首采工作面，主采2-2煤，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為15Mt/a。切眼附近煤層埋深340m左右，厚度8m，煤層傾角1°～3°。結(jié)合切眼附近鉆孔地質(zhì)資料可知，煤層上方直接頂為具水平層理的灰色粉砂巖，層厚5.95m，平均抗壓強(qiáng)度為31.35MPa，RQD指數(shù)達(dá)到75%；基本頂為細(xì)粒砂巖，層厚31.69m，平均抗壓強(qiáng)度為33.25MPa，RQD指數(shù)可達(dá)80%。工作面布置如圖1所示。

圖1 122106工作面布置

122106工作面的頂板屬于堅(jiān)硬頂板，厚度較大，強(qiáng)度較高，且完整性良好。但是切眼上方頂煤厚度在3.4m左右，按巷道分類122106工作面切眼屬于煤頂煤巷。切眼掘進(jìn)斷面已達(dá)48.3m2，屬于特大斷面巷道，長(zhǎng)達(dá)10.5m的跨度嚴(yán)重影響了頂板穩(wěn)定性，易出現(xiàn)頂板一次性大面積下沉甚至垮落等災(zāi)害事故。此外，自工作面切眼貫通起，122106工作面切眼內(nèi)還需進(jìn)行探放水、水壓預(yù)裂以及設(shè)備安裝等工程，歷時(shí)超過3個(gè)月的過程中，會(huì)對(duì)切眼附近圍巖造成進(jìn)一步動(dòng)力擾動(dòng)。

1.2 122106切眼原支護(hù)方案

122106切眼沿煤層底板掘進(jìn)，采用錨網(wǎng)索支護(hù)。其中，頂板錨桿桿體為20#左旋無縱筋335號(hào)螺紋鋼筋，長(zhǎng)度2.4m，桿尾螺紋為M22；錨固方式為樹脂加長(zhǎng)錨固，采用兩支錨固劑，規(guī)格分別為MSZ2335、MSZ2370；托板采用規(guī)格為120mm×120mm×10mm鋼板制成；網(wǎng)片規(guī)格為直徑?6.5mm的圓鋼焊接而成鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔100mm×100mm；錨桿排距800mm，間距800mm。錨索材料為?17.8mm，17股預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度7.3m；錨索托板采用300mm×300mm×20mm鋼板制成。錨索排距2400mm，一排布置5根，間距2400mm。巷道兩幫采用桿體直徑為20mm玻璃鋼錨桿支護(hù)，長(zhǎng)度2.4m；錨固方式為樹脂加長(zhǎng)錨固，采用兩支錨固劑，規(guī)格分別為MSZ2335、MSZ2370；采用菱形塑料網(wǎng)護(hù)幫；錨桿排距800mm，每排6根錨桿，間距800mm，如圖2所示。

圖2 122106切眼原支護(hù)方案(mm)

由于缺乏實(shí)例參考與理論依據(jù)，原支護(hù)方案在支護(hù)參數(shù)選取方面較為保守，較大的支護(hù)密度帶來的直接問題是巷道支護(hù)工作時(shí)間過長(zhǎng)，繼而遲滯巷道掘進(jìn)速度，延緩了曹家灘煤礦首采面的貫通工程。作為新建大型主力礦井的首采面，在切眼貫通過程中如何均衡掘進(jìn)與支護(hù)速度，使工作面安全快速投產(chǎn)，是巷道支護(hù)參數(shù)選取的重要原則。因此，本文結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬等方法對(duì)特大斷面切眼受載變形機(jī)制進(jìn)行研究，在保障圍巖穩(wěn)定性、提高支護(hù)效率的考量下，進(jìn)行了合理的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，研究成果通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 大跨度頂板受載特征

由固支巖梁理論可知，頂板煤梁的最大拉應(yīng)力發(fā)生在梁的兩端，其值為：

式中，σmax為頂板煤梁的最大拉應(yīng)力，MPa；q為上覆巖層載荷，由組合梁理論[6]計(jì)算得其值為0.692MPa；L為頂板煤梁的跨度，m；h為頂板煤梁的厚度，m。

由此，定義切眼頂板穩(wěn)定性系數(shù)Sq，其值為頂板煤體的極限抗拉強(qiáng)度Rt與其最大拉應(yīng)力σmax之比，即：

顯然，Sq值越大，頂板穩(wěn)定性越高。基于式(2)，采用正交分析，對(duì)各參數(shù)不同賦值條件下頂板穩(wěn)定性系數(shù)Sq的變化進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同附參條件下頂板煤梁穩(wěn)定性系數(shù)Sq變化曲線

由圖3可知，在頂板煤梁厚度和上覆巖層載荷一定的條件下(h=3.4m，q=0.692MPa)，切眼煤梁跨度越大，頂板穩(wěn)定性系數(shù)Sq值越小。隨著切眼跨度的增加，頂板抗拉強(qiáng)度對(duì)穩(wěn)定性系數(shù)的影響越來越小。

3 切眼變形特征數(shù)值模擬計(jì)算

3.1 數(shù)值模型構(gòu)建

上述研究表明，跨度過大是影響特大斷面切眼穩(wěn)定性的主要原因。當(dāng)跨度超過9m以后，頂板力學(xué)性能對(duì)切眼穩(wěn)定性的影響已不明顯，切眼穩(wěn)定性系數(shù)Sq值普遍偏小。為進(jìn)一步探究頂板跨度對(duì)切眼圍巖穩(wěn)定性影響，以122106工作面切眼地質(zhì)條件與工程實(shí)際為基礎(chǔ)，建立離散元數(shù)值模型，如圖4所示。模型尺寸80m×50m，兩側(cè)限制水平位移，底部限制垂直位移，上部施加垂直載荷8.5MPa以模擬覆巖壓力，各巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。切眼巷道沿煤層底板開挖，巷道尺寸為a×b，模擬過程中取b=4.6m不變，頂板跨度a分別取值3m、5m、7m、9m、11m以及13m。同時(shí)，在切眼頂板表面設(shè)置一條14m長(zhǎng)的觀測(cè)線，對(duì)兩幫及巷道范圍內(nèi)的頂板垂直位移進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

圖4 122106切眼數(shù)值模型圖(m)

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

3.2 巷道圍巖裂隙擴(kuò)展規(guī)律

巷道掘出后，原巖應(yīng)力重新分布，其周邊巖體的力學(xué)特征由三維受力轉(zhuǎn)變?yōu)槎S受力，進(jìn)而出現(xiàn)一系列的新裂隙生成、原生裂隙擴(kuò)展及貫通現(xiàn)象。為了掌握大跨度巷道圍巖裂隙擴(kuò)展規(guī)律，為相應(yīng)的支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供科學(xué)支撐，通過數(shù)值模擬得到了不同跨度條件下巷道圍巖裂隙擴(kuò)展情況如圖5所示。

圖5 不同跨度條件下巷道圍巖裂隙擴(kuò)展情況

如圖5所示，原生裂隙發(fā)生破壞后(滑移、錯(cuò)動(dòng)、開裂)裂隙由藍(lán)色轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨?。隨著頂板跨度的增加：①兩幫煤體破壞范圍變化不大，基本保持在3～5m范圍內(nèi)，其中上幫破壞范圍略大于下幫；②頂板破壞范圍由類橢圓形轉(zhuǎn)變?yōu)榈固菪危译S著跨度增加而增加，當(dāng)跨度超過9m后，煤體上方直接頂開始出現(xiàn)破壞現(xiàn)象；③巷道底板為粉砂巖，受跨度增加影響較小，僅表層直接底出現(xiàn)輕微破壞現(xiàn)象。

3.3 巷道圍巖變形情況

通過對(duì)比分析四組數(shù)值模擬結(jié)果以及觀測(cè)線統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)不同頂板跨度條件下，切眼巷道圍巖穩(wěn)定性變化具有如下特征：

圖6 不同頂板跨度條件下巷道變形特征

1)巷道周圍煤巖體破壞主要發(fā)生在頂板煤體中。由頂板表面向上，破壞范圍逐漸減小，整體呈“拱形”分布，煤層與上方直接頂之間未出現(xiàn)明顯破壞現(xiàn)象。

2)頂板變形沿巷道中軸對(duì)稱分布，巷道中部變形最大。隨著頂板跨度增加，頂板變形逐漸增加，當(dāng)頂板跨度由9m增至11m后，頂板表層的煤體出現(xiàn)失穩(wěn)大變形現(xiàn)象。

3)頂板跨度的增加對(duì)兩幫煤體的影響較小。隨著頂板跨度的增加，位于兩幫上方的頂板垂直位移量始終保持在7mm以內(nèi)，總體增量小于3mm，考慮到變形協(xié)同，可以認(rèn)為兩幫煤體的穩(wěn)定性始終良好。

綜上，大跨度頂板的穩(wěn)定性是切眼巷道支護(hù)的關(guān)鍵。切眼巷道的設(shè)計(jì)跨度為10.8m，一次掘出極易出現(xiàn)表層煤頂冒落破壞的現(xiàn)象。

4 高強(qiáng)低密減跨支護(hù)技術(shù)與應(yīng)用

4.1 特大斷面切眼支護(hù)設(shè)計(jì)

針對(duì)122106工作面切眼跨度過大、煤頂穩(wěn)定性差的工程實(shí)際，結(jié)合前文分析，提出“二次成巷+單體液壓支柱+高強(qiáng)錨網(wǎng)索+W鋼護(hù)板”的大斷面煤巷高強(qiáng)度、高預(yù)緊力、低密度減跨支護(hù)技術(shù)，設(shè)計(jì)巷道支護(hù)參數(shù)如圖7所示。該技術(shù)主要包括以下內(nèi)容：

圖7 122106切眼支護(hù)方案(mm)

1)“二次成巷+單體液壓支柱”支護(hù)。為了克服巷道一次掘出跨度過大，頂板穩(wěn)定性差的問題，切眼巷道分兩次掘進(jìn)，第一次掘進(jìn)寬度5.7m，第二次掘進(jìn)寬度4.8m，第一次掘進(jìn)后及時(shí)加固裸露圍巖，提高圍巖強(qiáng)度，以保障第二次掘進(jìn)過程中巷道的安全穩(wěn)定。同時(shí)，考慮到最大變形出現(xiàn)的位置，當(dāng)巷道全部掘出后，在巷道中部架設(shè)單體液壓支柱，支撐大跨度頂板，提高其穩(wěn)定性。

2)“高強(qiáng)錨網(wǎng)索+W剛護(hù)板”支護(hù)。根據(jù)康紅普院士的高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)理論[12-15]，提出了綜合考慮了巷道支護(hù)強(qiáng)度與支護(hù)速度的高強(qiáng)度、高預(yù)緊力、低密度錨網(wǎng)索支護(hù)，使用高強(qiáng)錨桿以提高支護(hù)體承載能力，提高錨桿、錨索預(yù)緊力以及時(shí)控制巷道圍巖的早期變形與離層現(xiàn)象，降低支護(hù)密度以提高支護(hù)速度、節(jié)省支護(hù)時(shí)間進(jìn)而提高巷道掘進(jìn)速度。同時(shí)，使用短鋼帶配合錨網(wǎng)索支護(hù)以提高支護(hù)體護(hù)表面積，進(jìn)一步加強(qiáng)支護(hù)效果。

相比于原支護(hù)方案，新方案對(duì)錨桿錨索分別施加預(yù)緊力以提高支護(hù)體利用效率及支護(hù)效果，在極大程度上降低了巷道支護(hù)密度，單一斷面錨桿總數(shù)減少4根，錨索總數(shù)減少1根，且排距由800mm增至900mm，總體上大大減少了支護(hù)時(shí)間，顯著提高了巷道掘進(jìn)速度。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與驗(yàn)證

為驗(yàn)證巷道支護(hù)效果，在巷道初掘與闊刷過程中，除正常的巷道圍巖位移監(jiān)測(cè)之外，分別在122106切眼0m、150m、250m、350m處安裝四個(gè)巷道圍巖位移觀測(cè)測(cè)站及錨桿錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)測(cè)站。

4.2.1 巷道圍巖位移觀測(cè)

通過“十字布點(diǎn)法” 對(duì)特大斷面切眼巷道圍巖穩(wěn)定性變化狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)間為兩個(gè)月(自擴(kuò)刷完畢起直至工作面安裝完畢)，以250m測(cè)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，切眼圍巖表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖8 切眼表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

自貫通起至工作面安裝完畢期間的兩個(gè)月時(shí)間內(nèi)，切眼圍巖位移整體變化不大，各部位位移量均小于30mm，肉眼觀測(cè)不出明顯的變形破壞，巷道整體穩(wěn)定性良好。在切眼擴(kuò)刷后35d左右，工作面先后經(jīng)歷了水力壓裂、探放水、單體液壓立柱更換與移位等作業(yè)，頂?shù)装迮c兩幫位移量出現(xiàn)了小幅上升，但圍巖整體持續(xù)穩(wěn)定，巷道支護(hù)效果良好。

4.2.2 錨桿錨索受力監(jiān)測(cè)

分別采用MC-500B型錨桿測(cè)力計(jì)MC-500A型錨索測(cè)力計(jì)對(duì)錨桿錨索受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，安裝位置位于錨桿(索)托板與螺母之間。定期對(duì)測(cè)站位置錨桿錨索受力進(jìn)行觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，以掌握圍巖應(yīng)力變化情況。250m處測(cè)站頂板錨桿受力變化如圖9所示。

圖9 250m處測(cè)站頂板錨桿受力變化

為了收集完整的礦壓資料，所有的錨桿測(cè)力計(jì)均是在巷道掘進(jìn)支護(hù)時(shí)安裝，其中1、2、3號(hào)錨桿測(cè)力計(jì)安裝于切眼巷道初掘階段，4、5、6號(hào)錨桿測(cè)力計(jì)安裝于切眼巷道擴(kuò)刷階段。由圖6可知：①錨桿的力學(xué)表現(xiàn)，或者說承載性能，與其預(yù)緊力的大小緊密相關(guān)，6根錨桿的受力值均以其預(yù)緊力為起點(diǎn)小幅增加，個(gè)別錨桿在觀測(cè)初期出現(xiàn)受力波動(dòng)(2和3)，但波動(dòng)過后其受力仍接近初始預(yù)緊力；②在對(duì)切眼進(jìn)行礦壓觀測(cè)的102d中，錨桿受力總體呈緩慢上升趨勢(shì)，但受力增值較小，由此可以判斷切眼圍巖穩(wěn)定性保持良好；③第二次掘巷后錨桿受力未出現(xiàn)波動(dòng)，均表現(xiàn)為穩(wěn)定小幅增長(zhǎng)，二次成巷的巷道穩(wěn)定效果良好。

5 結(jié) 論

1)結(jié)合理論分析與數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)比分析不同頂板跨度時(shí)的切眼巷道變形特征可知：大跨度煤頂是巷道整體穩(wěn)定的薄弱環(huán)節(jié)，頂板跨度超過9m以后巷道頂板穩(wěn)定性大幅降低，表層煤頂出現(xiàn)變形失穩(wěn)現(xiàn)象，因此，122106切眼巷道(跨度10.5m)一次掘出時(shí)極易出現(xiàn)頂板煤體破壞垮冒的現(xiàn)象，掘進(jìn)方式應(yīng)避免一次成巷。

2)隨著頂板跨度的增加，兩幫煤體破壞范圍變化不大，基本保持在3～5m范圍內(nèi)，其中上幫破壞范圍略大于下幫；頂板破壞范圍逐漸增加，由類橢圓形轉(zhuǎn)變?yōu)榈固菪?，?dāng)跨度超過9m后，煤體上方直接頂開始出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。

3)綜合122106切眼工程實(shí)際與研究結(jié)果，提出的大斷面煤巷高強(qiáng)度、高預(yù)緊力、低密度減跨支護(hù)技術(shù)，優(yōu)化了原支護(hù)方案，總體上大大減少了支護(hù)時(shí)間，顯著提高了巷道掘進(jìn)速度；巷道支護(hù)效果與研究成果通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到了驗(yàn)證。