復(fù)雜地質(zhì)條件下大斷面切眼支護(hù)技術(shù)

［摘要］ 五陽煤礦切眼斷面尺寸大，地質(zhì)條件復(fù)雜。為了解決該條件下切眼支護(hù)問題，分析了切眼支護(hù)技術(shù)難點(diǎn)，采用數(shù)值模擬研究大斷面切眼變形特征，并掌握了圍巖變形規(guī)律?；诟哳A(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)理論，提出大斷面切眼支護(hù)對策和方案，應(yīng)用于井下。實(shí)踐結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方案能夠有效控制圍巖變形，保證了切眼正常使用。

　　五陽煤礦已進(jìn)入深井開采階段，隨著埋深和巷道斷面的變大，支護(hù)難度在增加，已掘巷道壓力顯現(xiàn)明顯，圍巖變形嚴(yán)重 (特別是回采巷道)，現(xiàn)有支護(hù)體系難以有效控制。7605 切眼寬 7. 8m，高3. 2m，是目前五陽煤礦最大斷面切眼; 受礦區(qū)天倉向斜軸影響，地質(zhì)條件惡劣，圍巖破碎，加上首次使用大斷面切眼，缺乏經(jīng)驗(yàn)。因此，7605 切眼屬于復(fù)雜地質(zhì)條件下大斷面困難條件下巷道支護(hù)，國內(nèi)外對這方面有一些研究 ［1－3］ ，本文針對該條件下圍巖特征、控制難點(diǎn)、對策和方案進(jìn)行分析，解決其支護(hù)難題。

1 大斷面切眼工程概況及支護(hù)技術(shù)難點(diǎn)

1. 1 工程概況

　　地質(zhì)資料顯示，7605 切眼埋深 501 ～ 543m，長235m。3 號煤層厚5. 80 ～6. 50m，黑色，細(xì)條帶狀結(jié)構(gòu)，含 2 層夾矸，夾矸為泥巖，沿巷道掘進(jìn)方向煤層傾角 5 ～12°，平均傾角 10°，掘進(jìn)過程中不會遇到較大斷層等地質(zhì)構(gòu)造，主要充水因素為 3 號煤層頂板以上 VII 號砂巖含水層，通過有效裂隙滲入到工作面。局部地段受構(gòu)造影響，頂板破碎，可能出現(xiàn)少量淋水現(xiàn)象。

　　該處附近地應(yīng)力測量結(jié)果表明，最大水平主應(yīng)力為 10. 43MPa，方向 N11. 5°W; 最小水平主應(yīng)力為 5. 8MPa; 垂直主應(yīng)力為 10. 63MPa，7605 切眼還將受 7605 高抽巷掘進(jìn)影響，7605 高抽巷位于煤

該處附近地應(yīng)力測量結(jié)果表明，最大水平主應(yīng)力為 10. 43MPa，方向 N11. 5°W; 最小水平主應(yīng)力 5. 8MPa; 垂直主應(yīng)力為 10. 63MPa，7605 切眼還將受 7605 高抽巷掘進(jìn)影響，7605 高抽巷位于煤層頂板上方 2 ～4m，與回風(fēng)巷之間煤柱 15m (中對中)，高抽巷斷面為 2. 6m×2. 6m，切眼附近頂?shù)装鍫顩r見表 1。

1. 2 支護(hù)技術(shù)難點(diǎn)分析

(1) 3 號煤層直接頂為泥巖，巷道掘進(jìn)過程中受采動影響，加上風(fēng)化作用，頂板裂隙較發(fā)育，易造成巷道頂板下沉和兩幫嚴(yán)重變形。

(2) 斷面寬度大，7605 切眼是五陽煤礦最大斷面切眼，斷面為 7. 8m×3. 2m，之前最大斷面為7. 0m×3. 2m，巷道分 2 次掘進(jìn)，支護(hù)難度高。

(3) 巷道位于天倉向斜軸引起的地質(zhì)異常區(qū)域，地質(zhì)條件復(fù)雜，巷道埋深大，圍巖破碎，局部區(qū)域受 7605 高抽巷影響，綜合因素影響下支護(hù)困難，屬于復(fù)雜條件下困難巷道支護(hù)。

2 大斷面切眼圍巖變形特征

  　為了掌握 7605 工作面切眼大斷面圍巖變形特征，依據(jù)地質(zhì)條件，建立力學(xué)模型，采用數(shù)值模擬

軟件 FLAC 3D 模擬研究切眼高度 3. 5m、寬度為 2. 5～7. 8m 條件下切眼圍巖變形規(guī)律，其位移數(shù)值如

根據(jù)模擬結(jié)果，可知:

(1) 隨著巷道寬度的增加，位移分布規(guī)律沒有太大的變化，反映變化的只是數(shù)值的增大。

(2) 隨著巷道寬度的增加，頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍逐漸擴(kuò)大，但不明顯，兩幫變化較明顯。

(3) 隨著巷道寬度的增加，頂板應(yīng)力集中值增大，張拉、剪切破壞加劇，巷道變形嚴(yán)重，支護(hù)難度加大。

3 支護(hù)對策

　　依據(jù)支護(hù)難點(diǎn)分析結(jié)果，徹底改變以前淺埋煤層低強(qiáng)度、低預(yù)應(yīng)力和高密度的支護(hù)方式，基于高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)理論 ［4－6］ ，依據(jù)高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散原則和高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度原則，提出如下支護(hù)對策:

(1) 7605 切眼支護(hù)分為 2 部分，正常段斷面7. 8m×3. 2m，2 個端頭斷面 9. 8m×3. 2m，根據(jù)切眼斷面尺寸不同，有針對性設(shè)計(jì)支護(hù)方案。

(2) 改善支護(hù)材料，增強(qiáng)錨桿支護(hù)系統(tǒng)強(qiáng)度，優(yōu)化支護(hù)材料配套，改變支護(hù)強(qiáng)度不高、預(yù)緊力偏低，護(hù)表構(gòu)件面積小及錨桿 (索) 斷裂問題，將原來 335 號錨桿和直徑 15. 24mm 錨索更換為 500號錨桿和直徑 18. 9mm 強(qiáng)力錨索。

(3) 增大錨桿支護(hù)系統(tǒng)剛度。設(shè)計(jì) 500 號錨桿預(yù)緊扭矩大于 400N·m，錨索初始預(yù)緊力大于250kN。

(4) 錨網(wǎng)索和木垛聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。切眼掘進(jìn)完畢后，工作面支架安裝之前，進(jìn)行木垛支護(hù)。

4 支護(hù)方案

　　依據(jù)地質(zhì)條件、圍巖變形特征及支護(hù)難點(diǎn)分析，利用數(shù)值模擬軟件對不同支護(hù)方案進(jìn)行模擬分析，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定五陽煤礦 7605 切眼采用加長錨固高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)，切眼正常段寬度為 7. 8m，高 3. 2m，切眼分 2次掘進(jìn)成巷，一切寬度為 3. 5m，二 切 寬 度 為4. 3m，兩端頭尺寸為 9. 8m×3. 2m。

4. 1 正常段切眼支護(hù)方案

　　錨桿桿體為 22 號左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號為 500 號，長度 2. 4m; 頂板錨桿間排距 1000mm×

900mm，幫錨桿間排距 800mm×900mm，采用高強(qiáng)錨桿螺母 M24，配合高強(qiáng)托板調(diào)心球墊和尼龍墊

圈，托 板 采 用 拱 型 高 強(qiáng) 度 托 板，托 板 大 小 為150mm×150mm×10mm，承載能力不低于 260kN。

采用 W 鋼帶護(hù)頂和外側(cè)幫，鋼帶厚 4mm，寬280mm，頂板長度分別為 3200mm 和 4200mm，外側(cè)幫長度 2600mm，采用金屬網(wǎng)護(hù)頂幫。頂錨索為18. 9mm，1×7 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度 7300mm，每 2 排 打 4 根 錨 索，錨 索 間 距2000mm，采用 300mm×300mm×16mm 高強(qiáng)度可調(diào)心托板及配套鎖具，強(qiáng)度要大于 400kN。內(nèi)側(cè)幫:需采用可切割玻璃鋼錨桿，桿體為 20mm 玻璃鋼，長度 2000mm，桿尾螺紋為 M20。采用 300mm ×200mm×100mm 木墊板配合錨桿托板。錨桿間排距800mm×900mm。錨索初始預(yù)緊力大于 250kN，錨桿預(yù)緊扭矩大于 400N·m。

4. 2 兩端大斷面切眼支護(hù)方案

　　兩端大斷面切眼支護(hù)材料和規(guī)格同正常段，其不同之處為: 頂板 W 鋼帶長 4200mm，外側(cè)幫 W鋼帶長度 2500mm。錨桿間排距 1000mm×900mm，有 1 根錨桿打單體，配 300mm×300mm×16mm 大托

板。每 1. 8m 打 5 根錨索，一切、二切內(nèi)錨索間距均為 2000mm，錨索初始預(yù)緊力大于 250kN。

5 切眼支護(hù)效果分析

　　為了有效評價切眼支護(hù)效果，7605 切眼在掘進(jìn) 110m 位置設(shè)置了 1 個綜合觀測站，采用十字布點(diǎn)法對巷道表面位移進(jìn)行觀測，通過頂板離層儀和錨桿 (索) 測力計(jì)對頂板離層和錨桿、錨索受力情況進(jìn)行監(jiān)測。

5. 1 表面位移

      7605 切眼一切和二切巷道表面位移觀測曲線如圖 1 和圖 2 所示，從觀測曲線可以看出，巷道的變形隨著開挖時間逐漸增大，開始時增加的幅度比較大，但是隨著逐漸遠(yuǎn)離掘進(jìn)工作面其變形趨于穩(wěn)定。一切頂板的最大變形量為 25mm，兩幫的最大移近量為 15mm; 二切頂板的最大變形量為 15mm，兩幫的最大移近量為 12mm，二切巷道在掘進(jìn)初期基本沒有變形。

5. 2 頂板離層

       切眼共布置了 17 個頂板離層儀，一切布置了 9 個，二切布置了 8 個，每隔 30m 布置 1 個。一切巷道頂板淺部最大離層為 50mm，深部最大離層為 38mm; 二切巷道頂板淺部最大離層 21mm，深部最大離9mm。圖 3 是 4 號頂板離層儀變化曲線，一切巷道 4號頂板離層儀觀測時間約 40d，巷道開挖初期，頂板離層量不大，淺部最大離層為 15mm，深部幾乎沒有離層，其增幅也不大，隨著逐漸遠(yuǎn)離掘進(jìn)工作面趨于穩(wěn)定。隨后在二切掘進(jìn)影響下，一切頂板離層量增加，增幅變大，巷道頂板離層由淺部向深部發(fā)展，淺部最大離層達(dá) 50mm，深部最大離層達(dá)38mm。

5. 3 錨桿 (索) 受力

　　受二切采動影響，7605 切眼一切錨桿和錨索受力觀測曲線如圖 4 和圖 5 所示。從圖中可以看出，錨桿、錨索受力變化較大，錨桿錨索受力增幅大，在支護(hù)系統(tǒng)中，錨索起到了重要的作用。受二切采動影響，左幫錨桿受力最小值為 46kN，最大為 125kN，平均為 89kN; 頂部錨桿受力最小值122kN，最大為 214kN，平均為 207kN; 頂板錨索受力最小值為 246kN，最 大 為 282kN，平 均 為264. 5kN。錨桿、錨索的受力大，增幅大，其主要原因是: 一是受二切掘進(jìn)影響; 二是開始錨索預(yù)張拉不到位，從而引起頂板的離層運(yùn)動，特別是深部

巖層的離層，從離層監(jiān)測數(shù)據(jù)及離層變化曲線也可以看出，此過程經(jīng)歷了一個深部離層擴(kuò)展的情況，但是離層量不大，錨索很快就達(dá)到了較高的拉力，阻止了離層的進(jìn)一步擴(kuò)展。從整體上來看，錨桿、錨索充分發(fā)揮作用，控制了巷道較大的變形，巷道趨于穩(wěn)定。

6 結(jié)論

　　針對五陽煤礦 7605 切眼斷面大，地質(zhì)條件復(fù)雜，巷道支護(hù)困難特征，對切眼支護(hù)難點(diǎn)、圍巖變形特征和支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論:

(1) 分析 7605 切眼地質(zhì)工程概況，針對切眼復(fù)雜地質(zhì)特征，建立切眼力學(xué)模型，研究了切眼圍巖變形特征。

(2) 依據(jù) 7605 切眼圍巖變形特征，結(jié)合支護(hù)難點(diǎn)，基于強(qiáng)力支護(hù)理論，提出切眼支護(hù)對策，依據(jù)支護(hù)斷面尺寸，確定切眼不同區(qū)域支護(hù)方案。

(3) 通過切眼控制效果分析可知，加長錨固高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)是適合五陽煤礦工作面大斷面切眼支護(hù)方式，變形小，支護(hù)效果好。