復雜圍巖大斷面開切眼穩定性控制研究

張鵬飛

（大同煤礦集團有限責任公司云岡礦，山西 大同 037017）

1 工程概況

云岡礦8409 工作面位于12#煤層404 盤區，工作面北部為8411 工作面，西部為8409 工作面待采區，東部為保護煤柱，南部為設計的8415 工作面。地面標高1176～1251 m，工作面標高940～990 m，平均埋深250 m。8409 工作面煤厚0.85～2.39 m，平均1.62 m，煤層傾角2°～6°，平均為4°。工作面直接頂為中粒砂巖，灰白色，厚度平均14.6 m；直接底為粉砂巖與細砂巖的互層，灰色，含有少量植物化石及煤屑，厚度平均為5.2 m。煤層普式系數為3，屬于中硬煤層，層理不發育，構造較穩定。

8409 工作面切巷為半煤巖巷道，布置在12#煤層中，設計長度108 m。巷道掘進斷面規格寬×高=6.2 m×2.6 m，凈斷面規格寬×高=6.1 m×2.35 m。巷道掘進方位角為0°，采用一次成巷技術，掘進時沿煤層頂板掘進，必要時起底掘進。由于8409切巷一次成巷要求高，巷道兩幫處在煤巖體交替的部位，巖性差別較大，為保證掘進后通風、運輸、服務年限的要求，對巷道圍巖控制穩定性要求較高，盡量避免返修或者大修情況。因此，針對8409 大斷面切巷復雜圍巖狀態下的圍巖穩定性控制顯得十分必要。

2 大斷面切巷圍巖穩定控制分析

8409 切巷開掘前處在三向應力平衡狀態，如圖1（a），開掘后，切巷周圍應力重新分布，如圖1（b）。應力平衡狀態被破壞后，煤巖體將向切眼臨空面產生位移，導致巷道頂底板發生變形破壞，進一步造成切巷兩幫煤巖體的應力峰值向深部轉移，造成巷道失穩或控制難度較大。

切巷開掘后，兩側幫部承受較大的垂直應力，由于一側處于臨空狀態，巷幫處于單向受力狀態，極易發生變形或失穩現象。控制幫部變形的措施就是要將單向受力轉變為兩向應力狀態，通過施加水平方向應力阻止巷幫向臨空側的運動趨勢。而切巷頂板的受力較幫部更復雜，主要受垂直方向的地應力和水平方向的軸向推力，均和埋深H 有關。針對大跨度切巷而言，由于采出空間較大，頂板會出現一定程度的彎曲下沉，在所受兩種力的作用下，受拉破壞與彎曲破壞同時產生，導致切巷頂板破壞形式是以拉裂、剪切共同作用的復合破壞狀態。

圖1 切眼開掘前后不同應力狀態

8409 大斷面切巷的變形破壞主要集中在頂板中部，由于頂板跨度達6.2 m，導致巷幫對頂板的支撐作用發揮有限，造成頂板下沉量大而主要發生張拉破壞；兩側巷幫則由于承受地應力與支撐剪切力的原因，主要發生剪切破壞。因此，在對8409 切巷進行控制技術研究時，一是要控制頂板的彎曲下沉，二是要減弱巷幫的剪切破壞，并盡可能提高頂板和巷幫的整體承載力。針對8409 切巷頂板和巷幫的控制要求，可以使用錨索將頂板遠距離巖層形成錨固區大結構，使用錨桿將頂板與巷幫近距離煤巖體形成錨固區小結構的方式共同發揮控制作用維持切巷穩定。

3 錨桿索聯合支護控制技術

3.1 錨桿索支護控制方案

根據大斷面切巷圍巖穩定控制機理的分析，8409 切巷確定采用錨桿索聯合支護的方式進行圍巖控制。切巷支護平面與支護斷面如圖2（a）、圖2（b）。

（1）頂板支護。錨桿直徑為18 mm，長度為1800 mm，材質為無縱肋螺紋鋼錨桿，鋼材型號為MG400，屈服強度不低于400 MPa，延伸率12%，排距為1000 mm，間距為900 mm，一排七根沿巷道中線對稱布置，錨固劑型號為1 支MSK2360 樹脂錨固劑；錨索直徑為17.8 mm，長6000 mm，材質為強力鋼絞線，抗拉強度不低于1860 MPa，延伸率3.5%，配套鎖具KM18-1860，排距2000 mm，間距為1600 mm，一排四根沿巷道中線相距700 mm 對稱布置，錨固劑型號為一支MSCKB2360 樹脂錨固劑，預緊力不低于210 kN，錨固力不低于320 kN。頂板錨桿采用兩根四眼W 型鋼帶搭接，鋼帶規格3200 mm×220 mm×3 mm，孔間距900 mm，孔徑為20 mm，錨桿托盤為蝶形托盤，規格為110 mm×110 mm×10 mm，屈服強度不小于235 MPa；頂板錨索采用兩根兩眼鋼梁，鋼梁規格2800 mm×110 mm×110 mm，孔間距1600 mm，兩根梁之間間距為200 mm，沿巷道中線對稱布置，錨索托盤規格為350 mm×350 mm×10 mm 的鋼板，承載力不小于錨索承載力的1.5 倍。

（2）巷幫支護。巷幫支護分工作面側的采煤幫和工作面后的古塘幫。幫部錨桿型號和材質與頂部錨桿相同，沿巷道頂板向下300 mm 依次施工兩根錨桿，錨桿上下間距1500 mm，排距1500 mm，兩排錨桿之間打一根單點錨桿，單點錨桿型號和材質與其他部位錨桿相同，幫部錨桿布置整體呈五花狀，幫部錨桿采用單眼鋼帶，規格為450 mm×220 mm×3 mm，抗拉強度不小于375 MPa；巷道古塘幫采用金屬菱形網，規格為3700 mm×2000 mm，采煤幫采用雙抗拉伸網，規格為2000 mm×10 000 mm，網與網之間搭接合理，搭接處聯網孔每隔100 mm 用14#鉛絲扭結呈“三花狀”綁扎牢固，扭結不少于3圈。

圖2 切巷錨桿索支護設計

3.2 支護控制效果分析

8409 切巷采用EBZ-200 掘進機進行截割裝載，80 式橋式轉載機配合SJ-80 膠帶輸送機進行運煤，MQT 系列風動鉆機進行錨桿索打設工作。為掌握8409 切巷圍巖控制效果，對巷道進行表面位移、頂板離層和錨桿受力監測，表面位移監測采用“十字布點法”，頂板離層采用KGE30B 頂板離層儀監測，錨桿受力采用LDZ-200 型錨桿拉力機監測。測站間距為25 m，監測時間為30 d，監測結果如圖3。

在切巷成巷初期，由于應力重新分配尚未穩定，巷道表面位移變化幅度較緩。1～6 d 內，底鼓量在20 mm，兩幫移近量在16 mm，頂板下沉10 mm。監測時間繼續增加，表面位移變化速率顯著增長，到監測20 d 時，底鼓量增加到155 mm，頂板下沉量增加到95 mm，兩幫移近量增加到130 mm。繼續監測，巷道圍巖變形基本保持不變。切巷頂板離層變化趨勢同樣先緩慢再急劇增加，最后趨于穩定，穩定后的深基點離層量為100 mm，中基點離層量為80 mm，淺基點離層量為50 mm。頂部錨桿和幫部錨桿的受力變化不大，說明在巷道監測周期內圍巖應力變化較穩定。8409 切巷采取錨桿索控制技術一次成巷后，改善了支護質量，提高了工作效率，滿足了切眼服務工作面的技術要求。

圖3 8409 切巷控制效果監測

4 結論

8409 工作面大斷面復雜圍巖切巷跨度大，圍巖性質復雜，地應力水平高，頂板主要以彎曲下沉為主，幫部主要產生剪切破壞。根據這種破壞特點，確定8409 切巷采取錨桿索聯合支護控制圍巖的方式。工程實踐結果表明，切巷兩幫移近量穩定在130 mm，頂底板移近量穩定在250 mm，頂板巖層的離層趨勢均在可控范圍內，支護質量大幅改善，圍巖控制效果能夠滿足8409 工作面生產要求。