綜放工作面大跨距切眼支護技術研究

梁欣欣

（霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200）

近年來隨著煤礦開采向著機械化智能化發展以及綜放開采的普及，采煤機、液壓支架等采煤機械也日益大型化。為滿足采煤工作面大型設備安裝的需求，切眼斷面尺寸不斷增大，切眼跨距甚至達到10 m以上［1-3］。對于綜放工作面開采，隨著切眼斷面的增大加上切眼是煤層巷道，增加了巷道圍巖的擾動深度，降低了圍巖本身的強度和自穩能力，其礦山壓力顯現愈加強烈［4-5］，導致一般支護難以有效控制圍巖變形破壞而造成冒頂事故的發生，影響工作面的正常回采甚至對井下人員及設備造成巨大生命財產損失。因此，大跨距切眼支護技術的研究對煤礦安全開采具有十分重要的意義。

1 工程概況

龐龐塔礦9-301 工作面開采2#煤層。2#煤層平均厚度為7.5 m，煤層平均傾角4.6°，采用綜合機械化放頂煤開采工藝，其中機采高度為3 m，放煤高度為4.5 m，采放比為1∶1.5。工作面傾斜寬度為190 m，由于受斷層影響走向長度設計為950 m。該工作面2#煤層偽頂為0.4 m厚的炭質泥巖，直接頂巖性為細砂巖，厚度約為3.1 m，老頂為16 m粗砂巖，直接底為粉砂巖，厚約4.2 m。

9-301 工作面切眼沿頂板掘進。切眼斷面形狀為矩形，切眼寬度為8.7 m，高度為3.3 m。工作面切眼跨距大、煤層強度低、頂板巖層松軟破碎，且該礦區地應力復雜，導致該工作面切眼支護存在一定難度。

2 理論分析

切眼跨距是影響切眼頂板穩定性的重要因素，為研究切眼跨距與頂板穩定性的關系，建立理論模型進行計算。切眼長度可視為無限長，由于頂板是層狀，根據彈性力學相關知識可知，頂板處于平面應變狀態。在切眼長度方向取單位長度建立如圖1中的兩端固支理論模型。圖中h為頂板厚度，m；a為切眼跨距，m；模型x、y、z方向的位移分別用u、w、v表示；板的上部均布載荷為qy，Pa；兩端縱向壓力為Fx，Pa。

圖1 切眼頂板兩端固支模型

qy與Fx做功之和：

式中：Wx與Wy分別為橫、縱向載荷做的功，J。

設頂板撓度為w，則微元體彈性能dWx為：

假設P=-Fx，對式（2）進行積分得：

板的變形能U為：

根據彈性力學理論知：

結合彈性力學平面應變模型的邊界條件，將式（6）代入（5）得：

由W=U得：

將A帶入w得：

式（11）中當分母趨于0 時頂板撓度趨于無限大，此時的應力稱為臨界應力，可知兩端固支頂板臨界應力為：

由式（12）可知切眼頂板臨界應力與頂板厚度h的二次方成正比關系，與切眼跨距a的二次方成反比關系。隨著巷道跨距的增大，巷道頂板下沉破壞的臨界應力越小，巷道越容易下沉變形。因此，對于龐龐塔礦8.7 m的大跨距切眼，需采用合理的支護方案來控制頂板下沉破壞。

3 數值模擬

建立FLAC3D數值模型，模型尺寸為30 m×20 m×41.5 m(長×寬×高)，模型底部及兩側邊界固定，本構關系為摩爾-庫侖模型。工作面平均埋深H 約為500 m，巖層平均密度ρ取2 700 kg/m3，重力加速度g取9.8 m/s2，模型上方施加的均布載荷為qy=ρgH=13.23 MPa，模擬分析不同切眼寬度下圍巖應力場及塑性區分布規律。數值模擬煤層及頂底板物理力學參數見表1。表2 為數值模擬方案（說明：取切眼高度3.5 m進行數值模擬劃分網格比較方便）。不同寬度下巷道圍巖塑性區和垂直應力分布云圖見圖2、圖3。

表1 數值模擬參數

表2 不同寬度模擬方案

圖2 不同寬度切眼圍巖塑性區分布

圖3 不同寬度切眼垂直應力分布情況

從圖2 與圖3 可以看出：

1）隨著切眼寬度的增加，兩幫塑性區深度基本都在2 m左右，但塑性區范圍有所增大；隨著切眼寬度的增加，頂板塑性區深度和面積都明顯增大，其中塑性區深度由寬度為8 m時的4.5 m增加到寬度為10 m時的5.5 m。由此可見頂板破壞范圍受切眼寬度的影響嚴重。

2）巷道開挖后頂底板垂直應力明顯低于原巖引力，且頂底板中垂直應力較低區域隨著切眼寬度的增加不斷增加，說明隨著切眼寬度的增加，巷道頂板淺部圍巖松散離層區域加大。

4 支護設計

9-301 工作面切眼施工順序為： 先施工寬4 m的導硐進行貫通，然后再在導硐的左側進行擴幫作業，擴幫寬度為4.7 m，最終達到切眼斷面要求。針對龐龐塔礦工作面大跨距切眼圍巖支護難題，對工作面切眼進行支護設計。切眼斷面支護見圖4。

圖4 切眼支護斷面

切眼采用錨網索噴聯合支護，支護形式與支護參數如下：

1）導硐支護

頂板： 每排布置6 根22#-M24-2500HRB500 號螺紋鋼錨桿，間排距為700 mm×1 000 mm，兩端錨桿與水平方向夾角為75°，每排錨桿之間用長4 700 mm的圓鋼鋼帶連接； 錨索選用Φ22 mm鋼絞線錨索，長度8 300 mm，每排布置兩根錨索，間排距為1 800 mm×2 000 mm，錨索布置在兩排頂錨桿之間，均垂直與頂板。頂板鋪設一層規格為4 500 mm×1 000 mm的鋼筋網，頂板破碎時鋪設雙層網，一層鋼筋網，一層塑鋼網，塑鋼網在上，鋼筋網在下。

幫部：擴幫側使用Ф27 mm×2 400 mm玻璃鋼錨桿，錨桿間排距均為900 mm×1 000 mm；老唐側使用Ф20 mm×2 300 mm螺紋鋼端頭錨桿，錨桿間排距均為900 mm×1 000 mm，兩幫上下側錨桿與水平方向夾角均為30°，其余錨桿垂直與兩幫。

2）擴幫支護

頂板：22#-M24-2500HRB500 號螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為900 mm×1 000 mm，每排布置6 根，每排錨桿之間用長4 700 mm的圓鋼鋼帶連接，兩端錨桿與水平方向夾角為75°；錨索選用Φ22 mm鋼絞線錨索，長8 300 mm，每排布置3 根錨索，錨索間排距為1 800 mm×2 000 mm，左右側錨索與水平方向夾角為75°，錨索布置在兩排頂錨桿之間。頂板鋼筋網規格與導洞相同。

幫部：幫部與導硐擴幫側支護相同。

5 工程監測

在切眼中每隔40 m布置一個監測站，共布置5個測站，采用十字布點法和激光測距儀對切眼表面位移進行為期30 天的監測。觀測結果見圖5。

圖5 表面位移觀測結果

從圖5 可以看出，巷道開挖后頂底板移近量在前15 天增加較大，15 天后頂底板移近量基本趨于穩定值，5 個測站頂底板移近量基本在100 mm上下浮動，最大值不超過120 mm，最小值不低于80 mm；5 個測站兩幫移近量最大不超過90 mm，最大變形量基本在80 mm左右，在巷道開掘完畢后的前12 天兩幫移近量不斷增加，12 天后趨于穩定。

監測結果表明所設計的龐龐塔礦9-301 工作面大跨距切眼支護方案的支護效果是理想的，達到了預期效果，有效地控制了切眼圍巖變形。

6 結語

1）建立工作面切眼頂板兩端固支模型，分析得出頂板臨界應力與切眼跨距a的二次方成反比關系，與頂板厚度h的二次方成正比關系。

2）通過數值模擬得出工作面切眼頂板塑性區深度與面積隨切眼跨距的增加明顯增大，兩幫塑性區變化不明顯；頂板垂直應力較低區域隨著切眼跨距的增加不斷增加，表明頂板淺部圍巖松散離層區域加大。

3）針對龐龐塔礦9-301 工作面大跨距切眼圍巖支護難題，采用錨網索聯合支護技術進行圍巖控制，在現場試驗中取得了較好的控制效果。