馬清水

（華電煤業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100035）

隨著開采技術(shù)變革，厚及特厚煤層開采由分層開采逐漸變?yōu)榫C合機(jī)械化放頂煤和大采高開采[1-3]，而大斷面開切眼為適應(yīng)大采高、放頂煤綜采工作面布置大型掘進(jìn)與支護(hù)裝備的需求，斷面跨度大，巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)和變形特征有別于普通巷道[4-6]。厚煤層大斷面開切眼因斷面跨度大以及頂煤厚度大，頂板控制困難。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開展了大量富有成效的研究。何富連[7-8]根據(jù)大斷面開切眼圍巖破壞特征，建立胡克-開爾文串連體模型，揭示了開切眼頂板壓力拱與錨索相互作用機(jī)理，提出了復(fù)合錨索桁架圍巖控制技術(shù)；張有為[9]針對(duì)福城煤礦工作面開切眼厚泥巖頂板支護(hù)困難，分析了內(nèi)外承載結(jié)構(gòu)控制原理，提出了“三高”（高強(qiáng)錨桿、高錨固點(diǎn)、高承載結(jié)構(gòu)）支護(hù)技術(shù)；尹達(dá)君[10]針對(duì)富水破碎頂板開切眼支護(hù)失效的主要原因，采用頂板控水和分步聯(lián)合支護(hù)相協(xié)調(diào)的圍巖控制技術(shù)，解決了開切眼頂板圍巖破碎的支護(hù)難題；張勝龍[11]通過物理相似模擬研究得出大斷面切眼頂板易冒落且角部易破壞，切眼擴(kuò)幫后頂板下沉明顯，提出了改善角部應(yīng)力狀態(tài)，及時(shí)支護(hù)頂板和減跨支護(hù)；其他成果[12-15]綜合研究了開切眼頂板圍巖破壞因素、頂板離層錯(cuò)動(dòng)失穩(wěn)機(jī)理、開切眼頂板應(yīng)力狀態(tài)。

已有成果從不同角度開展了大斷面開切眼圍巖破壞方式、控制機(jī)理、控制技術(shù)研究，對(duì)大斷面開切眼頂板控制具有重要指導(dǎo)意義。然而，煤礦生產(chǎn)地質(zhì)條件復(fù)雜多變，不同的支護(hù)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)地質(zhì)條件適應(yīng)性不同。如果對(duì)圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理沒有充分科學(xué)的把握，可能造成大斷面開切眼頂板垮冒事故。目前對(duì)淺埋深厚砂層賦存環(huán)境下的大斷面開切眼頂板水力壓裂后的穩(wěn)定性及圍巖控制缺乏進(jìn)一步研究。隆德煤礦213 工作面開切眼跨度9.8 m，上覆頂板為厚層砂巖。以此為工程背景，重點(diǎn)研究213 開切眼頂板水力壓裂后的穩(wěn)定性以及采用主動(dòng)支護(hù)方式代替單體液壓支柱被動(dòng)支護(hù)的可行性，為大斷面開切眼類似賦存條件下的頂板安全控制、節(jié)約成本和提高工效提供借鑒。

1 工程概況

213 工作面開切眼位于2-2 煤北翼輔運(yùn)大巷西部，北部為211 工作面，南部為215 工作面實(shí)體煤，西側(cè)為隆德煤礦井田邊界。213 工作面切眼長291.76 m，跨度為9.8 m，高度為3.7 m，斷面積為36.26 m2。以往開切眼長期維護(hù)需占用大量單體液壓支柱，為此對(duì)厚砂層淺埋深厚煤層大斷面開切眼支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

213 工作面開采2-2 號(hào)煤，煤層平均厚度為4.89 m，埋深為162.27 m。偽頂為0.3 m 的泥巖；直接頂為粉砂巖、細(xì)粒砂巖，厚度為4.4 m；基本頂為細(xì)粒砂巖、粉砂巖，厚度為13 m；底板為粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，厚度為10.6 m。213 工作面開切眼頂板支護(hù)方式為錨網(wǎng)索+單體液壓支柱支護(hù)。頂板錨索為Φ17.8 mm×6500 mm，間排距為2000 mm×2000 mm；頂板錨桿為Φ17.8 mm×2100 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為1000 mm×1000 mm，加Φ6.5 mm×4900 mm×1060 mm 和Φ6.5 mm×3400 mm×1060 mm 鋼筋網(wǎng)片支護(hù)。

2 開切眼頂板水力壓裂后穩(wěn)定性判別

2.1 213 工作面開切眼頂板破壞態(tài)勢

1）觀測方案

為避免213 工作面初采期間的頂板大面積來壓，實(shí)現(xiàn)工作面安全初采，采用水力壓裂技術(shù)弱化頂板，減小初次來壓強(qiáng)度。為明晰213 開切眼頂板水力壓裂后的穩(wěn)定性，采用YTJ20 型巖層探測記錄儀進(jìn)行鉆孔窺視，評(píng)價(jià)頂板預(yù)裂效果。為獲得213 開切眼頂板內(nèi)部裂隙發(fā)育情況，共布置三個(gè)測站。距213工作面開切眼運(yùn)輸順槽40 m 開始沿開切眼傾向布置測站，測站間距105 m。每個(gè)測站布置一排3 個(gè)觀測鉆孔，深度10 m，鉆孔直徑為32 mm。

2）水力壓裂前后的觀測結(jié)果分析

圖1（a）為A1 鉆孔窺視圖，分別獲得了鉆孔深度為1.346 m、2.362 m、3.489 m 和4.908 m 時(shí)鉆孔的窺視結(jié)果。通過分析可知，A1 鉆孔內(nèi)壁表面光滑、巖層完整，極少有橫向裂隙、縱向裂隙和離層的發(fā)育，僅在鉆孔深度1.346 m 時(shí)發(fā)育有1 條縱向裂隙。圖1（b）為B2 鉆孔窺視圖，分別獲得了鉆孔深度為1.051 m、3.409 m、5.457 m 和7.363 m的鉆孔窺視圖像。B2 鉆孔位于開切眼中部，通過分析可知B2 鉆孔的孔壁表面光滑、巖層完整，極少有橫向裂隙、縱向裂隙和離層發(fā)育。僅在鉆孔深度為3.409 m 時(shí)發(fā)育有1 條很短的縱向裂隙。與A1、B2 鉆孔相比，C3 鉆孔窺視圖（圖1c）顯示頂板巖層也較完整。綜上所述，水力壓裂前的213 工作面開切眼頂板完整性好，為主動(dòng)支護(hù)提供了有利條件。

圖1 水力壓裂前頂板窺視結(jié)果

圖2（a）為A1 鉆孔窺視圖，獲得了鉆孔深度分別為1.405 m、3.086 m、5.490 m、6.674 m 的鉆孔窺視圖像。鉆孔深度為1.405 m 時(shí)，孔壁內(nèi)出現(xiàn)了離層，離層附近的巖層較為破碎；鉆孔深度為3.086 m 時(shí)，巖層較為完整，無明顯的裂隙、離層發(fā)育；鉆孔深度為5.490 m 時(shí)，孔壁內(nèi)出現(xiàn)了環(huán)向裂隙，離層較明顯；鉆孔深度6.674 m 以上，孔壁無明顯裂隙、離層發(fā)育，巖層較為完整。說明6.6 m 以下的頂板取得了較好的水力壓裂效果。圖2（b）為B2 鉆孔窺視圖，獲得了鉆孔深度分別為1.415 m、4.991 m、7.200 m、8.358 m 的鉆孔窺視圖。鉆孔深度為1.415 m 時(shí)，孔壁完整性好；鉆孔深度為4.991 m 時(shí)，孔壁內(nèi)巖層完整；鉆孔深度為7.200 m 時(shí)，孔壁內(nèi)出現(xiàn)了明顯的離層。圖2（c）為C3 鉆孔窺視圖，獲得了鉆孔深度分別為2.206 m、4.453 m、6.437 m 和7.781 m 時(shí)的鉆孔窺視圖。鉆孔深度在2.206 m時(shí)，巖層完整、無裂隙和離層發(fā)育；鉆孔深度為4.453 m 時(shí)，孔壁內(nèi)出現(xiàn)了明顯的縱向裂隙發(fā)育。分析可知，水力壓裂后213 工作面開切眼頂板在不同高度發(fā)育了縱向裂隙、環(huán)向裂隙和離層，水力壓裂一定程度破壞了頂板完整性，但頂板完整性依然較好。

圖2 水力壓裂后頂板窺視結(jié)果

2.2 213 工作面開切眼頂板離層特征

為獲得213 工作面開切眼頂板在水力壓裂前后的離層特征，水力壓裂前的頂板離層監(jiān)測時(shí)間從2020 年7 月1 日至2020 年8 月15 日，水力壓裂后的頂板離層監(jiān)測時(shí)間從2020 年8 月16 日至2020年9 月23 日。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，1、2、3、4、5、6 號(hào)頂板離層儀監(jiān)測得到的深部離層最大值分別為3 mm、2 mm、4 mm、0 mm、2 mm、4 mm，淺部離層最大值分別為3 mm、0 mm、0 mm、4 mm、8 mm、3 mm。水力壓裂前的開切眼頂板自穩(wěn)能力良好。

213 工作面開切眼頂板進(jìn)行水力壓裂后，1～6號(hào)頂板離層儀監(jiān)測得到的深部離層最大值分別為3 mm、2 mm、3 mm、0 mm、2 mm、4 mm， 淺 部離層最大值分別為3 mm、0 mm、0 mm、3 mm、7 mm、3 mm。213 工作面開切眼頂板在水力壓裂后的深部離層無變化，淺部離層最大值為7 mm（圖3）?？梢?，水力壓裂對(duì)213 工作面開切眼頂板的完整性和穩(wěn)定性影響很小。

圖3 水力壓裂后的開切眼頂板離層

3 水力壓裂后開切眼頂板支護(hù)優(yōu)化

3.1 主動(dòng)支護(hù)代替被動(dòng)支護(hù)可行性

當(dāng)前213 工作面開切眼頂板采用DW400-250A/110L 單體液壓支柱。由于隆德煤礦新開切眼較多，開切眼放置時(shí)間較長，目前隆德煤礦開切眼頂板支護(hù)依然采用單體液壓支柱被動(dòng)支護(hù)，開切眼長期維護(hù)需要占用大量單體液壓支柱，不僅加大了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，也增加了支護(hù)成本。以213 工作面開切眼為例，僅采用單體液壓支柱被動(dòng)支護(hù)，需要243 個(gè)單體液壓支柱，需要投入成本39.8 萬元。通過分析213 工作面開切眼頂板水力壓裂后的礦壓顯現(xiàn)特征，213 工作面開切眼頂板在水力壓裂后的頂板自穩(wěn)性良好，為采取全錨網(wǎng)索支護(hù)取代單體液壓支護(hù)被動(dòng)支護(hù)提供了有利條件。

3.2 213 工作面開切眼頂板支護(hù)優(yōu)化方案

1）優(yōu)化方案

提出了“一帶三錨”補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案，如圖4。采用3 根Ф17.8 mm、長度6500 mm 錨索，配合規(guī)格型號(hào)為250 mm×3 mm×4400 mm 的鋼帶。錨索托盤規(guī)格240 mm×240 mm×14 mm，樹脂錨固劑使用2 節(jié)K2360 型和1 節(jié)CK2360 型。中間錨索垂直于頂板布置，兩邊錨索各呈15°夾角布置。

圖4 213 工作面開切眼頂板支護(hù)優(yōu)化方案（mm）

2）優(yōu)化效果分析

為驗(yàn)證213 工作面開切眼支護(hù)優(yōu)化后的效果，采用十字布點(diǎn)法對(duì)水力壓裂后的開切眼頂?shù)装搴蛢蓭鸵平窟M(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測，監(jiān)測時(shí)間為2020 年8月23 日至2020 年9 月23 日。從213 工作面開切眼運(yùn)輸順槽側(cè)往里50 m 處布置第一個(gè)測站，距第一個(gè)測站50 m 處布置第二個(gè)測站，距第一個(gè)測站100 m 處布置第三個(gè)測站，距第一個(gè)測站150 m 處布置第四個(gè)測站。在每個(gè)測站按十字布點(diǎn)法在頂?shù)装搴蛢蓭椭虚g位置設(shè)置測點(diǎn)。監(jiān)測結(jié)果如圖5。

圖5 頂?shù)装搴蛢蓭鸵平孔兓€

開切眼及運(yùn)輸順槽圍巖變形隨著時(shí)間延長逐漸得到控制，各測點(diǎn)頂?shù)装逡平吭?5 d 后增長速度減緩并趨于穩(wěn)定，兩幫移近量也在15 d 以后基本穩(wěn)定。在觀測的前15 d，頂?shù)装寮皟蓭鸵平侩S時(shí)間大體呈線性增長。對(duì)比試驗(yàn)段和非試驗(yàn)段兩組觀測數(shù)據(jù)，試驗(yàn)段（2#、3#測站）圍巖變形量均小于非試驗(yàn)段圍巖變形量。試驗(yàn)段頂?shù)装逡平口吔?.8 mm，兩幫移近量趨近于4.6 mm，開切眼圍巖變形得到了較好控制。

3）經(jīng)濟(jì)性分析

通過采用主動(dòng)支護(hù)代替被動(dòng)支護(hù)，取得了良好的支護(hù)優(yōu)化效果。為便于推廣應(yīng)用，對(duì)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對(duì)比分析。

被動(dòng)支護(hù)：單體液壓支柱型號(hào)為D400-250A/110L，需要243 根，單價(jià)為1500 元，總價(jià)為36.45 萬元；柱鞋帽需要486 套，單價(jià)為40 元，總價(jià)為1.944 萬元；防倒安全帶需要243 個(gè)，單價(jià)為58 元，總價(jià)為1.41 萬元。成本合計(jì)為39.804 萬元。如果按照25%的損耗計(jì)算，被動(dòng)支護(hù)成本為9.951萬元。

主動(dòng)支護(hù)：錨索規(guī)格為Ф17.8 mm×6.5 m，需要323 根，單價(jià)為110 元，總價(jià)為3.55 萬元；錨索托盤規(guī)格為240 mm×240 mm×14 mm，需要323個(gè)，單價(jià)為44.08 元，總價(jià)為1.423 萬元；鎖具型號(hào)為KM18-1860，需要323 個(gè)，單價(jià)為15 元，總價(jià)為0.48萬元；W 型鋼帶型號(hào)為250/33×4.4，需要146 套，單價(jià)為129.6 元，總價(jià)為1.892 萬元；樹脂錨固劑型號(hào)為K2360 型，需要646 個(gè)，單價(jià)為2 元，總價(jià)為0.129 萬元；樹脂錨固劑型號(hào)為CK2360 型，需要323 個(gè)，單價(jià)為2 元，總價(jià)為0.064 6 萬元。主動(dòng)支護(hù)成本合計(jì)為7.538 6 萬元。通過對(duì)比被動(dòng)支護(hù)和主動(dòng)支護(hù)的材料成本，主動(dòng)支護(hù)成本小于被動(dòng)支護(hù)成本，經(jīng)濟(jì)性良好，利于推廣應(yīng)用。

4 結(jié)論

1）鉆孔窺視結(jié)果表明，水力壓裂雖然對(duì)213開切眼頂板造成了一定影響，但213 開切眼頂板自穩(wěn)性依然良好。水力壓裂后的213 開切眼頂板深部離層最大為4 mm，淺部離層最大為7 mm，水力壓裂對(duì)213 開切眼頂板穩(wěn)定性影響很小。

2）提出了開切眼頂板使用“錨索+W 型鋼帶”代替單體液壓支柱被動(dòng)支護(hù)的優(yōu)化方案，監(jiān)測表明開切眼頂?shù)装逡平孔畲笾禐?.2 mm，兩幫移近量最大值為5.8 mm，實(shí)現(xiàn)了大斷面開切眼頂板長期安全維護(hù)。