劉世峰，郭 鵬

(1.河南能源化工集團(tuán)焦煤公司趙固一礦，河南 新鄉(xiāng) 453034；2.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

作為工作面回采設(shè)備安裝的重要場所，開切眼的穩(wěn)定性是工作面能夠快速回采的重要保障。但開切眼區(qū)別于傳統(tǒng)回采巷道，其斷面尺寸大，一般在 6 m 以上，且兩幫均為煤層，使得開切眼的穩(wěn)定性控制問題十分突出[1]。為此，專家學(xué)者們對(duì)該問題進(jìn)行了大量研究，何富連等[2]研究了厚煤層開切眼不同寬度下頂板圍巖裂隙發(fā)育規(guī)律，提出了高強(qiáng)、高預(yù)緊力錨帶網(wǎng)和雙桁架錨索聯(lián)合控制技術(shù)；孫海良[3]以深埋三軟煤層復(fù)合頂板大斷面開切眼為工程背景，提出了“高強(qiáng)錨桿+長短錨索配錨索托梁”的支護(hù)設(shè)計(jì)方案，大大提高了巷道圍巖的穩(wěn)定性；袁超等[4]研究了影響圍巖塑性區(qū)分布特征的各種因素，提出以中空注漿錨索為核心的“錨網(wǎng)噴+全斷面中空注漿錨索”分步聯(lián)合巷道修復(fù)技術(shù)；丁國峰等[1]通過構(gòu)建頂板巖層極限跨距的力學(xué)模型，確定了開切眼頂板易垮落的主要原因，提出了L型切眼掘進(jìn)技術(shù)及“注漿+錨索”協(xié)同控制技術(shù);李季等[5]采用等效扁橢圓的矩形巷道計(jì)算方法，確定適用于現(xiàn)場的錨桿和錨索的長度，并形成以超長錨桿/索為核心的穩(wěn)定性控制對(duì)策；張東等[6]以潘集一礦為工程背景，提出“錨網(wǎng)索加挑棚和木垛聯(lián)合支護(hù)技術(shù)”；張剛[7]基于動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)理念和先進(jìn)的幫部增強(qiáng)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)，提出了切眼煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法，并成功進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用；張慶華[8]改進(jìn)了傳統(tǒng)特厚煤層放頂煤開采工作面巷道沿底板托煤巷道支護(hù)設(shè)計(jì)和支護(hù)材料，據(jù)此提出了改進(jìn)型的錨網(wǎng)索穩(wěn)定性控制對(duì)策；侯化強(qiáng)等[9]借助FLAC3D對(duì)切眼圍巖支護(hù)穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬,提出了錨網(wǎng)索梁柱的耦合支護(hù)方案；張向東等[10]依據(jù)懸吊理論,確定了錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方案。

以趙固一礦16001大采高工作面開切眼為工程背景，總結(jié)了影響開切眼巷道穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素；揭示了“分次成巷+高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索”耦合控制機(jī)理；提出了“錨網(wǎng)索+單體液壓支柱”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好，可為類似厚松散層薄基巖大斷面開切眼穩(wěn)定性控制提供借鑒。

1 工程概況

趙固一礦16001工作面最大埋深約600 m，該工作面位于礦井北翼，所屬盤區(qū)為西六盤區(qū)，該盤區(qū)處于井田薄基巖風(fēng)化破碎帶區(qū)域；受基巖風(fēng)化影響，煤層頂板破碎，穩(wěn)定性差，頂板裂隙較發(fā)育，尤其是斷層附近頂板裂隙更為發(fā)育。

1.1 16001工作面頂?shù)装鍘r性

16001工作面開切眼設(shè)計(jì)長度210 m，煤層平均傾角3.5°。巷道頂板存在一層厚約0.80 m的泥巖，直接頂為均厚13.50 m的砂質(zhì)泥巖，基本頂為均厚7.20 m的中粒砂巖；直接底為均厚18.45 m 的粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，基本底為均厚2.00 m的L9灰?guī)r。巷道頂?shù)装鍘r層柱狀圖如圖1所示。

圖1 巷道頂?shù)装鍘r層柱狀圖

1.2 穩(wěn)定性影響因素

16001工作面是趙固一礦首個(gè)一次采全高工作面，開切眼設(shè)計(jì)凈寬9.5 m，局部車場段開切眼寬度達(dá)到11 m以上；開切眼位置臨近井田邊界大斷層，圍巖相對(duì)破碎，支護(hù)難度較大。經(jīng)綜合分析，影響開切眼巷道圍巖穩(wěn)定性的因素如下：

1)復(fù)雜的高應(yīng)力場

巷道埋深大，約600 m，自重應(yīng)力約13.8 MPa，且處于井田邊界大斷層位置，水平構(gòu)造應(yīng)力大，加之巷道開掘的影響，使開切眼處于復(fù)雜的高應(yīng)力場環(huán)境中。

2)圍巖強(qiáng)度低且層理裂隙較為發(fā)育

結(jié)合相鄰巷道圍巖結(jié)構(gòu)的觀測(cè)結(jié)果可知：以泥質(zhì)巖石為主的圍巖普遍較為松軟、強(qiáng)度低，中砂巖巖層膠結(jié)相對(duì)較為致密，但層間普遍存在裂隙，且現(xiàn)有錨網(wǎng)索支護(hù)范圍內(nèi)的巖層普遍存在非常明顯的裂隙和離層。

3)原有支護(hù)系統(tǒng)的局限性

由于工作面開切眼的尺寸大于普通回采巷道，以普通錨桿/索為核心的錨網(wǎng)索支護(hù)系統(tǒng)，自身存在著預(yù)應(yīng)力不足，不足以限制圍巖初始變形和內(nèi)部裂隙的發(fā)育；同時(shí)，由于煤層上覆基巖薄，且上覆巖層內(nèi)部裂隙發(fā)育，其“支護(hù)—圍巖”的承載能力和承載范圍十分有限。

2 分次成巷及高預(yù)應(yīng)力支護(hù)機(jī)理

受16001工作面基巖薄、圍巖強(qiáng)度低及裂隙發(fā)育等不良地質(zhì)條件的影響，若采用一次成巷開掘方案，則16001工作面開切眼的穩(wěn)定性將難以控制。因此，提出“分次成巷+高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索”支護(hù)設(shè)計(jì)方案，其穩(wěn)定性控制機(jī)理簡述如下：

1)分次成巷[11-15]的核心在于控制巷道頂板懸露長度，減小巷道頂板跨度，進(jìn)而減弱局部剪切應(yīng)力集中；通過及時(shí)在小斷面巷道內(nèi)施加“單體液壓支柱+工字鋼梁”為主的被動(dòng)支護(hù)，以提高圍巖的整體性。

2)高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)[16-20]區(qū)別于傳統(tǒng)錨網(wǎng)索支護(hù)，高預(yù)應(yīng)力可有效限制圍巖開挖后的初期變形，且能夠有效控制圍巖內(nèi)部有害節(jié)理面的張開、裂隙的發(fā)育及貫通，特別是控制圍巖內(nèi)部有害離層的再發(fā)育及新離層的產(chǎn)生，確保開切眼支護(hù)圍巖的穩(wěn)定性。

3 數(shù)值分析

3.1 建立模型

基于趙固一礦工程地質(zhì)概況及16001工作面開切眼圍巖物理力學(xué)參數(shù)(如表1所示)，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，如圖2所示。模型尺寸為60 m×49.5 m×60 m；約束圍巖四周及底部位移，在模型頂部施加15.5 MPa 載荷，模擬上覆巖體的自重邊界。分別進(jìn)行分次成巷及一次成巷模擬計(jì)算，以便對(duì)圍巖整體控制效果進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

3.2 模擬結(jié)果分析

1)圍巖位移場分析

通過數(shù)值計(jì)算，得到2種開挖方式豎直方向位移，如圖3所示。

由圖3可知，采用分次成巷的開挖方式與一次成巷開挖方式相比，頂板下沉量減小43%；兩種方式底鼓量相差不大，但分次成巷開挖方式下底鼓主要集中在巷道左側(cè)，對(duì)設(shè)備的安裝沒有影響。

(a)一次成巷

2)圍巖應(yīng)力場分析

通過數(shù)值計(jì)算，得到2種開挖方式豎直方向應(yīng)力狀態(tài)，如圖4所示。

(a)一次成巷

由圖4可知，分次成巷下圍巖因承載能力的提高，在圍巖內(nèi)部形成的應(yīng)力集中數(shù)值較大，但范圍較小。

3)圍巖塑性區(qū)分析

通過數(shù)值計(jì)算，得到2種開挖方式塑性區(qū)分布，如圖5所示。

(a)一次成巷

由圖5可知，分次成巷開挖方式下圍巖塑性區(qū)分布范圍與一次成巷相比明顯減?。灰淮纬上锲陂g，開切眼四周均分布有拉剪單元，而分次成巷期間拉剪單元僅存在于巷道頂板左側(cè)和巷道左幫，表明“分次成巷+高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索”支護(hù)提高了圍巖整體性，使頂板承載能力得到顯著增強(qiáng)。

4 分次開掘設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性控制對(duì)策

4.1 分次成巷掘進(jìn)及支護(hù)設(shè)計(jì)

開切眼一次小斷面掘進(jìn)采用EBZ160懸臂式綜掘機(jī)進(jìn)行施工，配合DSJ-800/2×55可伸縮膠帶輸送機(jī)運(yùn)煤，分臺(tái)階施工，上臺(tái)階2.0～2.2 m，下臺(tái)階1.3～1.5 m，斷面寬、高為4.5 m×4.0 m。具體支護(hù)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 一次成巷支護(hù)設(shè)計(jì)

1)頂板支護(hù)：采用?20 mm×2 400 mm無縱筋左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，間排距1 000 mm×1 000 mm；?21.6 mm×8 300 mm錨索，間排距1 000 mm×1 000 mm。

2)幫部支護(hù)：采用?20 mm×2 400 mm無縱筋左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，間排距900 mm×900 mm，底角錨桿水平打設(shè)，其他錨桿垂直煤幫打設(shè)。

4.2 二次成巷臺(tái)階開挖及支護(hù)設(shè)計(jì)

一次小斷面掘進(jìn)貫通后，在工作面安裝過程中，超前支架安裝進(jìn)行開切眼擴(kuò)刷，采用EBZ160懸臂式綜掘機(jī)進(jìn)行施工，配合SGB620/40T刮板輸送機(jī)運(yùn)煤，分臺(tái)階施工，上臺(tái)階2.0～2.2 m，下臺(tái)階 1.3～1.5 m，斷面寬、高為5 m×4 m。

二次成巷期間巷內(nèi)支護(hù)依然是高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索耦合支護(hù)，其支護(hù)參數(shù)與一次成巷期間支護(hù)參數(shù)一致；但在支架未安裝到位前，及時(shí)在兩次成巷中間位置輔以“單體液壓支柱+工字鋼梁”被動(dòng)支護(hù)，支護(hù)形式為“一梁三柱”，確保巷道圍巖的穩(wěn)定性。具體支護(hù)設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 二次成巷期間支護(hù)設(shè)計(jì)

5 監(jiān)測(cè)效果分析

將上述研究成果應(yīng)用于趙固一礦16001工作面開切眼，并對(duì)兩次成巷期間圍巖變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于采用了分次成巷的開掘方案，為保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的連續(xù)性，在一次開掘斷面后，采用十字布點(diǎn)方法布置測(cè)點(diǎn)，受二次開掘的影響，巷道右?guī)偷臏y(cè)點(diǎn)及時(shí)變更至實(shí)體煤幫處，后續(xù)測(cè)量期間統(tǒng)計(jì)各測(cè)點(diǎn)之間的差值作為圍巖的累計(jì)變形量，這樣就可確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性?，F(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8 所示。

圖8 圍巖累計(jì)變形量

1)采用“分次成巷+高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索”耦合支護(hù)技術(shù)后，圍巖最大變形位置為頂板，其最大變形量為208 mm，兩幫收縮量為170 mm；

2)一次開掘期間圍巖在28 d后變形量趨于穩(wěn)定，受二次開挖的影響，圍巖變形量再次增大，并于60 d后趨于穩(wěn)定，兩次開掘期間圍巖變形量整體差別不大；

3)在監(jiān)測(cè)期內(nèi)，趙固一礦16001工作面開切眼位置頂板及兩幫圍巖變形量均在可控范圍內(nèi)。

6 結(jié)論

1)趙固一礦16001工作面開切眼屬于典型的深埋厚松散層薄基巖大斷面巷道，受地壓大、圍巖破碎及基巖薄等因素影響，傳統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)下圍巖承載結(jié)構(gòu)在抗壓及抗剪強(qiáng)度方面存在顯著不足，無法有效控制圍巖大變形。

2)“分次成巷+高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索”耦合支護(hù)可最大程度保持圍巖的完整性，限制圍巖塑性區(qū)分布及發(fā)展，顯著提高圍巖整體的抗壓及抗剪強(qiáng)度。

3)現(xiàn)場應(yīng)用效果表明，該技術(shù)應(yīng)用后巷道頂板累計(jì)變形量最大為208 mm，兩幫變形量為170 mm，工作面液壓支架布置完成后圍巖幾乎沒有變形。因此，該技術(shù)可為類似條件下的大斷面巷道的開挖及支護(hù)設(shè)計(jì)提供借鑒。