厚煤層大斷面切眼圍巖穩定性分析及控制技術

徐向南（山西東莊煤業有限公司，山西 長治 046308）

厚煤層大斷面切眼圍巖穩定性分析及控制技術

徐向南
（山西東莊煤業有限公司，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+錨索”的聯合支護方式，并給出其參數。研究表明：切眼開挖成巷后，圍巖易發生拉壓破壞、剪切破壞及復合破壞；煤層結構復雜、頂板巖層強度低、切眼跨度大等是導致圍巖難以控制的因素；大斷面切眼圍巖控制的關鍵在于保證幫部的不穩定三角塊不被切落，可利用兩幫處的錨桿有效阻止新裂隙的擴展、塊體沿節理面的滑移。現場試驗結果表明，該聯合支護方式對厚煤層大斷面切眼圍巖的控制效果顯著，提高了其穩定性，能為該礦類似條件下的切眼支護提供技術依據。

大斷面切眼；破壞特征；控制機理；聯合支護

我國厚煤層資源豐富，現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備的運輸和礦井通風等安全生產要求切眼巷道的跨度和高度與現有的采煤技術相適應[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，節理裂隙發育、巖性復雜，跨度增加后巷道斷面增大、大量新節理裂隙擴展貫通，使得切眼圍巖塑性圈范圍增大、控制十分困難。有關學者已對切眼寬度增大過程中的圍巖裂隙場演化、應力調整變化進行相應研究并提出圍巖加強支護的技術措施[3-4]。

文章以同家梁煤礦41307綜放面切眼為研究對象，結合現場地質生產技術條件，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，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，設計巷寬8.8 m，先掘進5.2 m，后整個切眼擴幫3.6 m，至設計尺寸。

切眼位于煤層底板巷水平標高651 m～677 m，所掘煤層為二疊紀煤層，煤層傾角為5°左右。老頂為深灰色砂質泥巖；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育，導水性較好，最大涌水量20 m3/h。

2　切眼圍巖的破壞特征

1）拉壓破壞。若單一頂板或復合層狀頂板強度不高，在水平和垂直地應力的作用下，巷道頂部容易出現拉應力；當超過頂板巖層拉應力的極限強度時，自下而上出現拉伸破壞，單一巖層頂板形成一個形態較為規則的冒落拱，復合層狀頂板形成一個形態較為特殊的平衡拱。矩形巷道開挖后，圍巖三向應力重新分布，兩幫塑性區位置出現較高的支承壓力，當兩幫煤（巖）體強度較小時，就會發生彈塑性變形，兩幫表面圍巖產生壓裂破壞，同時向巷幫兩側外鼓，并向深部轉移，幫部煤巖體破壞后使巷道的等效跨度變大，頂底板的變形破壞加劇，直至發生頂板下沉、底板底鼓現象。

2）剪切破壞。矩形巷道開挖后，頂板與巷道兩幫尖角區域會出現比較嚴重的切向應力集中現象。頂板巖層為裂隙發育的傾斜狀巖體時，切向壓應力易促使其破碎為層狀巖塊并沿裂隙面發生剪切滑動；當頂板巖層節理不發育或無節理時，破碎巖塊間產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冒落。巷道兩幫處于頂板支承壓力及水平地應力共同影響的應力場中，其結構破壞特征與兩幫巖性密切相關。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力綜合作用下發生一系列與巷幫成一定角度的剪切破壞，片幫區域呈“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理面產生塑性剪切破壞，向巷道內空擠進，導致巷道變窄，嚴重影響通風、行人及運輸。巷道底板受力以較大的水平地應力為主，當巷道底板巖層節理裂隙較為發育時，易迫使部分層狀巖層沿原生或次生裂隙面滑移，待各個方向的節理破壞貫通后產生塑性剪切破壞區；巷道底板巖層為堅硬巖體時，底板巖層將沿某一剪切面產生錯動，而使巷道出現底鼓現象。

3）復合破壞。考慮到巷道處于復雜的工程地質壞境中，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力狀態產生不同程度的人為擾動；同時，由于現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也無法做到絕對科學合理。因此，在實際中常發生巷道圍巖的剪切與拉壓復合破壞現象。

3　切眼圍巖的控制難點

通過對41307綜放面開切眼現場調研和分析，其圍巖控制難點如下：

1）本區屬4-1與4-2煤層復合區，煤層結構復雜，厚度變化大，切眼位置可采厚度為5.72 m，層位對比困難，必須按規定層位掘進，同時在掘進過程中必須探頂底煤厚度，隨時掌握層位變化，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，穩定性差。此局部頂板裂隙發育，易垮落，維護難度大；富水、導水性較好，掘進過程中對探掘結合工藝要求較高。

3）切眼斷面尺寸較大。與小斷面切眼相比，大斷面切眼圍巖穩定性對頂板兩幫煤巖體物理力學特性、掘進時采動影響、地應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定性產生嚴重影響，有可能導致大面積冒頂、片幫等事故。

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

4　切眼圍巖的控制機理

切眼開挖后，圍巖應力重新分布，在圍巖幫部產生三角形狀的不穩定塊體，在頂板一定范圍內形成自然平衡拱，大斷面切眼圍巖控制的關鍵在于保證幫部不穩定三角塊不被切落[2]。如圖1所示，圍巖破壞結構中，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為不穩定三角塊寬度，m；45°+θ/2為三角塊側幫傾角，θ為巖石內摩擦角，°。得到三角塊寬度為：

當切眼參數確定時，可以得到三角塊寬度與巖石內摩擦角關系。

圖1　圍巖破壞自然平衡拱結構

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、塊體沿節理面的滑移，大大增加不穩定塊與圍巖間的相互作用，避免了切眼發生片幫和冒頂，達到控制圍巖的目的。

5　切眼支護方案及參數

針對厚煤層大斷面41307切眼圍巖控制的難點，運用FLAC3D數值模擬結果，并結合現場工程地質條件，提出了“螺紋鋼錨桿+鋼筋骨架網+錨索”聯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進行了設定。

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，在片幫嚴重時，生產班將支護第三排并及時掛網、鏈網到掘錨機尾處。檢修班支護第四排時，用煤電鉆補打幫錨桿并加密連網，并且一定要補全到掘錨機尾處，沒有補全的幫錨桿由生產班繼續補全，不補全不得生產。

在整個41307切眼維護期間，采用的“螺紋鋼錨桿+鋼筋骨架網+錨索”聯合支護系統控制效果良好，未發生錨桿索斷裂、鋼帶撕裂及支護結構大面積失效等現象。

6　結論

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

1）切眼開挖成巷后，應力重新分布、原有裂隙擴展貫通，發生拉壓破壞、剪切破壞及復合破壞。

2）煤層結構復雜、頂板巖層強度低、切眼跨度大等是導致圍巖難以控制的因素。

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

4）采用的“螺紋鋼錨桿+鋼筋骨架網+錨索”聯合支護系統控制效果良好，未發生諸如錨桿索斷裂、鋼帶撕裂及支護結構大面積失效等現象。

[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定性分析[J].煤炭學報，2014，39(2):336-346.

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

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

[4]嚴紅，何富連，徐騰飛.深井大斷面煤巷雙錨索桁架控制系統的研究與實踐[J].巖石力學與工程學報，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，大學本科，工程師，從事煤礦開采工作。