厚煤層大斷面切眼圍巖穩(wěn)定性分析及控制技術(shù)

徐向南（山西東莊煤業(yè)有限公司，山西 長治 046308）

厚煤層大斷面切眼圍巖穩(wěn)定性分析及控制技術(shù)

徐向南
（山西東莊煤業(yè)有限公司，山西 長治 046308）

以同家梁煤礦41307綜放面切眼為研究對象，分析該切眼圍巖破壞的特征和圍巖控制的難點，得出了切眼圍巖控制機理，提出“螺紋鋼錨桿+鋼筋骨架網(wǎng)+錨索”的聯(lián)合支護方式，并給出其參數(shù)。研究表明：切眼開挖成巷后，圍巖易發(fā)生拉壓破壞、剪切破壞及復(fù)合破壞；煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、頂板巖層強度低、切眼跨度大等是導(dǎo)致圍巖難以控制的因素；大斷面切眼圍巖控制的關(guān)鍵在于保證幫部的不穩(wěn)定三角塊不被切落，可利用兩幫處的錨桿有效阻止新裂隙的擴展、塊體沿節(jié)理面的滑移?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明，該聯(lián)合支護方式對厚煤層大斷面切眼圍巖的控制效果顯著，提高了其穩(wěn)定性，能為該礦類似條件下的切眼支護提供技術(shù)依據(jù)。

大斷面切眼；破壞特征；控制機理；聯(lián)合支護

我國厚煤層資源豐富，現(xiàn)多采用綜采放頂煤和大采高一次采全厚工藝回采，大型綜合機械化采煤設(shè)備的運輸和礦井通風(fēng)等安全生產(chǎn)要求切眼巷道的跨度和高度與現(xiàn)有的采煤技術(shù)相適應(yīng)[1-2]，切眼寬度由原來的4 m～6 m增至9 m～10 m。由于切眼多是沿煤層底板布置，節(jié)理裂隙發(fā)育、巖性復(fù)雜，跨度增加后巷道斷面增大、大量新節(jié)理裂隙擴展貫通，使得切眼圍巖塑性圈范圍增大、控制十分困難。有關(guān)學(xué)者已對切眼寬度增大過程中的圍巖裂隙場演化、應(yīng)力調(diào)整變化進行相應(yīng)研究并提出圍巖加強支護的技術(shù)措施[3-4]。

文章以同家梁煤礦41307綜放面切眼為研究對象，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)生產(chǎn)技術(shù)條件，分析該切眼圍巖破壞特征和圍巖控制的難點，制定了大斷面切眼支護方案，給出具體支護參數(shù)，以期為解決該類切眼的支護難題提供參考。

1　工程概況

41307綜放面位于81306工作面以西，二號輔運大巷以南，井田邊界以北，其西面為未采動實體煤。41307工作面采用綜采放頂煤工藝回采，設(shè)備配置為SL500型采煤機，采高5 240 mm，截深800 mm，PF6/1142型前刮板輸送機，PF6/1342型后刮板輸送機，ZF13000/25/38型放頂煤液壓支架，ZFG13000/27.5/42H型放頂煤過渡支架。所掘切眼長度為240 m，沿底板掘進，沿煤層傾向布置，因掘井切眼的斷面較大，故采用二次成巷工藝，設(shè)計巷寬8.8 m，先掘進5.2 m，后整個切眼擴幫3.6 m，至設(shè)計尺寸。

切眼位于煤層底板巷水平標(biāo)高651 m～677 m，所掘煤層為二疊紀(jì)煤層，煤層傾角為5°左右。老頂為深灰色砂質(zhì)泥巖；直接頂為灰白色粗粒砂巖，主要礦物成分為石英、長石；直接底為灰至深灰色砂質(zhì)泥巖，塊狀層理；老底為灰白色粗粒砂巖。掘進段頂板裂隙極發(fā)育，導(dǎo)水性較好，最大涌水量20 m3/h。

2　切眼圍巖的破壞特征

1）拉壓破壞。若單一頂板或復(fù)合層狀頂板強度不高，在水平和垂直地應(yīng)力的作用下，巷道頂部容易出現(xiàn)拉應(yīng)力；當(dāng)超過頂板巖層拉應(yīng)力的極限強度時，自下而上出現(xiàn)拉伸破壞，單一巖層頂板形成一個形態(tài)較為規(guī)則的冒落拱，復(fù)合層狀頂板形成一個形態(tài)較為特殊的平衡拱。矩形巷道開挖后，圍巖三向應(yīng)力重新分布，兩幫塑性區(qū)位置出現(xiàn)較高的支承壓力，當(dāng)兩幫煤（巖）體強度較小時，就會發(fā)生彈塑性變形，兩幫表面圍巖產(chǎn)生壓裂破壞，同時向巷幫兩側(cè)外鼓，并向深部轉(zhuǎn)移，幫部煤巖體破壞后使巷道的等效跨度變大，頂?shù)装宓淖冃纹茐募觿。敝涟l(fā)生頂板下沉、底板底鼓現(xiàn)象。

2）剪切破壞。矩形巷道開挖后，頂板與巷道兩幫尖角區(qū)域會出現(xiàn)比較嚴(yán)重的切向應(yīng)力集中現(xiàn)象。頂板巖層為裂隙發(fā)育的傾斜狀巖體時，切向壓應(yīng)力易促使其破碎為層狀巖塊并沿裂隙面發(fā)生剪切滑動；當(dāng)頂板巖層節(jié)理不發(fā)育或無節(jié)理時，破碎巖塊間產(chǎn)生擠壓作用而相互錯動，引起卸載破壞，并易在自重作用下失穩(wěn)冒落。巷道兩幫處于頂板支承壓力及水平地應(yīng)力共同影響的應(yīng)力場中，其結(jié)構(gòu)破壞特征與兩幫巖性密切相關(guān)。若巷道兩幫為較堅硬巖體，則幫部表面巖體在頂板支承力及水平地應(yīng)力綜合作用下發(fā)生一系列與巷幫成一定角度的剪切破壞，片幫區(qū)域呈“楔體”形狀；若巷道兩幫煤巖體強度較低時，幫部表面巖體易沿節(jié)理面產(chǎn)生塑性剪切破壞，向巷道內(nèi)空擠進，導(dǎo)致巷道變窄，嚴(yán)重影響通風(fēng)、行人及運輸。巷道底板受力以較大的水平地應(yīng)力為主，當(dāng)巷道底板巖層節(jié)理裂隙較為發(fā)育時，易迫使部分層狀巖層沿原生或次生裂隙面滑移，待各個方向的節(jié)理破壞貫通后產(chǎn)生塑性剪切破壞區(qū)；巷道底板巖層為堅硬巖體時，底板巖層將沿某一剪切面產(chǎn)生錯動，而使巷道出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。

3）復(fù)合破壞?？紤]到巷道處于復(fù)雜的工程地質(zhì)壞境中，其斷面形狀各不相同，施工方法也各自相異。在施工過程中，不可避免地對巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生不同程度的人為擾動；同時，由于現(xiàn)場施工條件及水平的限制，不可能對圍巖初期變形進行及時有效地支護，且巷道圍巖支護參數(shù)也無法做到絕對科學(xué)合理。因此，在實際中常發(fā)生巷道圍巖的剪切與拉壓復(fù)合破壞現(xiàn)象。

3　切眼圍巖的控制難點

通過對41307綜放面開切眼現(xiàn)場調(diào)研和分析，其圍巖控制難點如下：

1）本區(qū)屬4-1與4-2煤層復(fù)合區(qū)，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度變化大，切眼位置可采厚度為5.72 m，層位對比困難，必須按規(guī)定層位掘進，同時在掘進過程中必須探頂?shù)酌汉穸龋S時掌握層位變化，以確定掘進層位。

2）切眼巷道局部頂板為薄層狀含礫粗砂巖，強度低，穩(wěn)定性差。此局部頂板裂隙發(fā)育，易垮落，維護難度大；富水、導(dǎo)水性較好，掘進過程中對探掘結(jié)合工藝要求較高。

3）切眼斷面尺寸較大。與小斷面切眼相比，大斷面切眼圍巖穩(wěn)定性對頂板兩幫煤巖體物理力學(xué)特性、掘進時采動影響、地應(yīng)力場變化等多個因素更加敏感，對支護形式及支護強度要求較高，任一因素的改變都會對切眼圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響，有可能導(dǎo)致大面積冒頂、片幫等事故。

4）煤層底板標(biāo)高最低651 m，比奧灰水位低188 m左右，若遇到大的斷裂構(gòu)造（斷層），將會導(dǎo)致導(dǎo)水通道涌水，所以，掘進過程中必須嚴(yán)格執(zhí)行先探后掘的原則，同時增加排水設(shè)施的使用。

4　切眼圍巖的控制機理

切眼開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布，在圍巖幫部產(chǎn)生三角形狀的不穩(wěn)定塊體，在頂板一定范圍內(nèi)形成自然平衡拱，大斷面切眼圍巖控制的關(guān)鍵在于保證幫部不穩(wěn)定三角塊不被切落[2]。如圖1所示，圍巖破壞結(jié)構(gòu)中，2a、h分別為切眼巷道寬度和高度，m；b為形成平衡拱高度，m；c為不穩(wěn)定三角塊寬度，m；45°+θ/2為三角塊側(cè)幫傾角，θ為巖石內(nèi)摩擦角，°。得到三角塊寬度為：

當(dāng)切眼參數(shù)確定時，可以得到三角塊寬度與巖石內(nèi)摩擦角關(guān)系。

圖1　圍巖破壞自然平衡拱結(jié)構(gòu)

由上述分析知，切眼兩幫處的錨桿可以有效阻止新裂隙的擴展、塊體沿節(jié)理面的滑移，大大增加不穩(wěn)定塊與圍巖間的相互作用，避免了切眼發(fā)生片幫和冒頂，達(dá)到控制圍巖的目的。

5　切眼支護方案及參數(shù)

針對厚煤層大斷面41307切眼圍巖控制的難點，運用FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，提出了“螺紋鋼錨桿+鋼筋骨架網(wǎng)+錨索”聯(lián)合支護以控制圍巖的方案，同時對41307綜放面切眼的錨桿（索）間排距、直徑及長度等支護參數(shù)進行了設(shè)定。

41307切眼支護順序如下：41307切眼臨時副幫采用“三排矩形”布置方式，即在掘進過程用掘錨機自身側(cè)鉆打第二排幫錨桿，用煤電鉆打第一排幫錨桿，檢修幫用煤電鉆支護第三排，上面兩排幫錨桿必須支護到工作面正頭3 m處；41307切眼副幫采用“四排矩形”布置方式，在條件好的情況下，先用掘錨機自身側(cè)鉆打第二排幫錨桿，再用煤電鉆打第一排幫錨桿，最后檢修班支護第三、四排，上面兩排幫錨桿必須支護到工作面正頭3 m處，在片幫嚴(yán)重時，生產(chǎn)班將支護第三排并及時掛網(wǎng)、鏈網(wǎng)到掘錨機尾處。檢修班支護第四排時，用煤電鉆補打幫錨桿并加密連網(wǎng)，并且一定要補全到掘錨機尾處，沒有補全的幫錨桿由生產(chǎn)班繼續(xù)補全，不補全不得生產(chǎn)。

在整個41307切眼維護期間，采用的“螺紋鋼錨桿+鋼筋骨架網(wǎng)+錨索”聯(lián)合支護系統(tǒng)控制效果良好，未發(fā)生錨桿索斷裂、鋼帶撕裂及支護結(jié)構(gòu)大面積失效等現(xiàn)象。

6　結(jié)論

本文通過對41307切眼圍巖破壞特征和控制難點分析，對相應(yīng)的支護方案及參數(shù)進行工程試驗，得到如下結(jié)論。

1）切眼開挖成巷后，應(yīng)力重新分布、原有裂隙擴展貫通，發(fā)生拉壓破壞、剪切破壞及復(fù)合破壞。

2）煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、頂板巖層強度低、切眼跨度大等是導(dǎo)致圍巖難以控制的因素。

3）大斷面切眼圍巖控制的關(guān)鍵在于保證幫部不穩(wěn)定三角塊不被切落，利用切眼兩幫處的錨桿可以有效阻止新裂隙的擴展、塊體沿節(jié)理面的滑移，達(dá)到控制圍巖的目的。

4）采用的“螺紋鋼錨桿+鋼筋骨架網(wǎng)+錨索”聯(lián)合支護系統(tǒng)控制效果良好，未發(fā)生諸如錨桿索斷裂、鋼帶撕裂及支護結(jié)構(gòu)大面積失效等現(xiàn)象。

[1]何富連，許磊，吳煥凱，等.厚煤頂大斷面切眼裂隙場演化及圍巖穩(wěn)定性分析[J].煤炭學(xué)報，2014，39(2):336-346.

[2]何富連，許磊，吳煥凱，等.大斷面切眼頂板偏應(yīng)力運移及圍巖穩(wěn)定[J].巖土工程學(xué)報，2014，36(6):1122-1128.

[3]張農(nóng)，許興亮，李桂臣.巷道圍巖裂隙演化規(guī)律及滲流災(zāi)害控制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(2):330-335.

[4]嚴(yán)紅，何富連，徐騰飛.深井大斷面煤巷雙錨索桁架控制系統(tǒng)的研究與實踐[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012，31(11):2248-2257.

（編輯：李森森）

Analysis and Control of Surrounding Rock Stability around Large-section Open-off Cut on Thick Coal Seam

XU Xiangnan
(Shanxi Dongzhuang Coal Co.,Ltd.,Changzhi 046308,China)

Taking open-off cut of No.41307 fully-mechanized mining face of Tongjialiang Mine as the research object,the failure characteristics and control difficulties of surrounding rock around the open-off cut were analyzed in order to obtain its control mechanism.The paper proposes a united support, combining thread steel bolt,steel skeleton net,and anchor cable,and its parameters.When the open-off cut was dig into a roadway,the surrounding rock is liable to strain failure,shear failure,and compound failure.In addition,complex seam structure,lower strength of roof strata,and big span cause the difficult control of the surrounding rock.The key to stability of the surrounding rock is not to cut off unstable triangle blocks.The bolts of two sides could effectively stop the extension of new fissures and movement of blocks along the joint face.The field test shows that the support could effectively control the surrounding rock of large-section open-off cut and improve its stability,which could be a technical reference for the similar open-off cut support.

large-section open-off cut;failure characteristics;control mechanism;united supporting

TD325

A

1672-5050（2016）02-0023-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.02.007

2015-12-24

徐向南（1970-），男，山西長治人，大學(xué)本科，工程師，從事煤礦開采工作。