斷面切眼支護(hù)參數(shù)優(yōu)化及礦壓監(jiān)測

王晉茂

（山西高平科興牛山煤業(yè)有限公司， 山西 高平 048400）

引言

切眼為綜采工作面開采時(shí)安裝采煤設(shè)備的場所，而且還為綜采設(shè)備的回撤提供通道。因此，工作面切眼的安全性和穩(wěn)定性在一定程度上影響其回采效率和設(shè)備的安全性。近年來，隨著開采技術(shù)的不斷提升，工作面普遍采用大采高開采方案，對應(yīng)的切眼較大，繼而對保證斷面切眼安全性和可靠性的方案提出了更高的要求。

目前，針對斷面切眼的支護(hù)設(shè)計(jì)主要以工程類比法為主，由于在實(shí)際支護(hù)中存在強(qiáng)度不足導(dǎo)致出現(xiàn)冒頂事故以及支護(hù)強(qiáng)度過大采空區(qū)懸頂?shù)葐栴}。因此，選根據(jù)工作面實(shí)際情況合理設(shè)計(jì)斷面切眼的支護(hù)方式，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，還可降低支護(hù)成本[1]。本文著重對牛山煤業(yè)9 號煤層開切眼的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對優(yōu)化后工作面礦壓進(jìn)行監(jiān)測。具體闡述如下：

1 工程概況

牛山煤業(yè)有限公司含煤地層主要為石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）和二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）。山西組平均厚 52.69 m，含煤層 1、2、3 號共 3 層，其中 3 號煤層為可采煤層，煤層平均總厚6.06 m，含煤系數(shù)11.50%，可采煤層總厚5.87 m，可采含煤系數(shù)11.14%。太原組平均厚 95.99 m，含煤層 5、6、7、8-1、8-2、9、11、12、13、15 號共 10 層，其中 9、15 號煤層為可采煤層，其余煤層均不可采或見零星可采點(diǎn)。煤層平均總厚6.34 m，含煤系數(shù)6.60%；可采煤層總厚5.89 m，可采含煤系數(shù)6.19%。本文以太原組中的9號煤層為例開展研究。9 號煤層的頂?shù)装迩闆r如表1所示。

經(jīng)對9 號煤層所屬工作面的支護(hù)情況進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查研究，并結(jié)合現(xiàn)場工程技術(shù)人員的口述，將其支護(hù)中錯(cuò)存在的問題總結(jié)如下：

表1 9 號煤層頂?shù)装迩闆r

1）錨桿預(yù)緊力矩太小，支護(hù)效果差，錨桿支護(hù)潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有發(fā)揮出來；

2）該礦原設(shè)計(jì)中，錨桿的安裝均是使用風(fēng)動(dòng)錨桿鉆機(jī)，而據(jù)資料表明，目前市場上風(fēng)動(dòng)錨桿鉆機(jī)的最大扭矩為130 N·m，無法達(dá)到預(yù)期的150～200 N·m；

3）9 號煤頂板層狀特別明顯，且錨桿打設(shè)是垂直于水平方向，錨桿將層狀頂板組合成“組合梁”的“銷釘”作用不明顯。因此，應(yīng)將錨桿垂直于巷道頂板打設(shè)，才能使錨桿起到更好的加固頂板的作用；

4）巷道頂板存在一層較硬的砂質(zhì)巖層，巖層強(qiáng)度較高，錨桿錨索施工速度較慢，工作面接替緊張局面越來越明顯[2]。

2 支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化

2.1 工程類比法對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化

針對斷面切眼支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化可采用工程類比法和數(shù)值模擬分析實(shí)現(xiàn)。其中，工程類比法為根據(jù)地質(zhì)、煤層等條件相似煤礦切眼的支護(hù)參數(shù)對9 號煤層斷面切眼的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在前期收集并調(diào)研的基礎(chǔ)上，可依據(jù)檸條塔煤礦、上灣煤礦以及石圪臺煤礦的支護(hù)參數(shù)對牛業(yè)煤礦9 號斷面切眼支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，上述煤礦斷面切眼的支護(hù)參數(shù)如下頁表2所示。

結(jié)合9 號煤層斷面切眼的地質(zhì)條件，其與上述三個(gè)煤礦的相比具有斷面切眼大且在頂板留有一定厚度的頂煤其對應(yīng)的圍巖條件較差；此外，9 號煤層斷面切眼高度均大于上述三個(gè)煤礦，應(yīng)加強(qiáng)對其兩幫進(jìn)行支護(hù)。

表2 各煤礦斷面切眼支護(hù)對比

2.2 基于數(shù)值模擬對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化

結(jié)合2.1 中對類似工程支護(hù)參數(shù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，本節(jié)基于數(shù)值模擬軟件對初步設(shè)計(jì)的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行具體確定[3]。根據(jù)9 號煤層斷面切眼的實(shí)際形狀參數(shù)建立寬度為10 m，高度為5 m 的矩形斷面模型，如圖1 所示：

圖1 9 號煤層斷面切眼FLAC 模型

根據(jù)實(shí)際段斷面切眼巖層條件對模型中的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并根據(jù)上述工程類比結(jié)果對初步擬定的闡述支護(hù)參數(shù)的支護(hù)效果進(jìn)行仿真分析。鑒于偏于原因，本文不對仿真過程進(jìn)行具體，僅列出9 號煤層工作面的斷面切眼的最優(yōu)支護(hù)參數(shù)：

2.2.1 頂板支護(hù)

1）所選用錨桿類型為左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，錨桿直徑為20 mm，錨桿長度為2 000 mm，錨桿間距為950 mm，錨桿排間距為1 200 mm，預(yù)緊力不小于200 N·m；在錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上采用直徑為6 mm 的鋼筋對其進(jìn)行輔助支護(hù)，所鋪設(shè)鋼筋的長度為2 200 mm，寬度為1 300 mm；相鄰鋼筋搭接長度為100 mm。

2）所選用錨索直徑為17.8 mm，長度為6 300 mm，錨索間距為2 200 mm，錨索排間距為2 400 mm；要求錨索預(yù)緊力應(yīng)≥150 kN。

2.2.2 兩幫支護(hù)

所選用錨桿類型為左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，錨桿直徑為20 mm，錨桿長度為2 000 mm，錨桿間距為1 000 mm，錨桿排間距為1 200 mm，預(yù)緊力不小于150 N·m；在錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上采用直徑為6 mm 的鋼筋對其進(jìn)行輔助支護(hù)，所鋪設(shè)鋼筋的長度為2 200 mm，寬度為1 300 mm；相鄰鋼筋搭接長度為100 mm。

9 號煤層斷面切眼的支護(hù)效果圖如圖2 所示。

3 斷面切眼支護(hù)礦壓監(jiān)測

為驗(yàn)證上述支護(hù)參數(shù)對9 號煤層切眼斷面的支護(hù)效果，本工程將對支護(hù)后工作面的頂板離層量、深部位移進(jìn)行監(jiān)測。

3.1 頂板離層監(jiān)測

為準(zhǔn)確獲取斷面切眼支護(hù)效果，采用頂板離層儀對頂板離層量進(jìn)行監(jiān)測。經(jīng)監(jiān)測可知，斷面切牙工作面頂板的平均移近量為37 mm，兩幫的平均移近量為9.6 mm。與原支護(hù)方案相比頂板和兩幫圍巖的位移量明顯減小。

圖2 9 號煤層斷面切眼支護(hù)示意圖（單位：mm）

3.2 深部位移監(jiān)測

巷道圍巖深部位移觀測采用深基點(diǎn)位移計(jì)進(jìn)行觀測，每個(gè)測面安設(shè)1 個(gè)深基點(diǎn)位移計(jì)，5 d 觀測一次[5]。

圖3 深部位移監(jiān)測結(jié)果

如圖3 所示，斷面切眼頂板位移量主要集中在0～3 m 的范圍內(nèi)，且在6～10 m 范圍內(nèi)巖層連續(xù)且同時(shí)發(fā)生變化。

4 結(jié)語

切眼為綜采工作面生產(chǎn)開采時(shí)安裝綜采設(shè)備的場所，其安全性和穩(wěn)定性將直接決定工作面的生產(chǎn)效率和安全性。9 號煤層斷面切眼在現(xiàn)支護(hù)參數(shù)下存在支護(hù)強(qiáng)度低、錨桿預(yù)緊力不滿足要求以及現(xiàn)場施工效率低的問題。為此，本基于工程類比法和數(shù)值模擬分析的方法對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化確定，且支護(hù)后頂板的平均位移量為37 mm，兩幫的平均位移量為9.6 mm，且支護(hù)后工作面的頂板位移處于連續(xù)且同時(shí)變化。