深部開采大斷面切眼支護(hù)技術(shù)研究

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)王村煤業(yè)公司 山西 037032）

隨著礦井開采深度增加，煤層賦存條件更趨復(fù)雜，巷道掘進(jìn)時(shí)受到圍巖破碎、承載能力差以及地應(yīng)力高等影響更為顯著[1-3]。山西某礦現(xiàn)階段已經(jīng)回采超過50年，生產(chǎn)能力為320Mt/a，現(xiàn)階段開采深度已超過630m，逐漸進(jìn)入到深部開采。隨著礦井綜合機(jī)械化、自動(dòng)化程度的不斷提升，綜采工作面采用的液壓支架體積、重量不斷提升，對(duì)切眼斷面有更大要求，如何確保切眼圍巖穩(wěn)定是煤炭開采時(shí)首先需要解決的問題。文中以該礦6302綜采工作面切眼掘進(jìn)為工程研究對(duì)象，根據(jù)切眼圍巖巖性特性并結(jié)合其他礦井大斷面切眼圍巖控制技術(shù)，對(duì)深部開采大斷面切眼支護(hù)展開研究。

1.工程概況

6302綜采工作面開采的6#煤層厚度平均4.21m，采用綜采開采工藝。為了提高采面綜合自動(dòng)化水平，礦井?dāng)M定在該工作面采用型號(hào)ZY10000/23/45D電液綜采支架。由于該支架體積以及重量均較大，需要掘進(jìn)切眼斷面達(dá)到27.8m2。6302切眼掘進(jìn)沿著6#煤層頂板，切眼凈寬×凈高=8.0m× 3.4m。6302切眼為礦井生產(chǎn)時(shí)首次掘進(jìn)的大斷面切眼。

6#煤層傾角在2-13°，平均7°，煤層頂板巖性粉砂巖、泥巖為主，底板巖性以砂質(zhì)泥巖為主，遇水容易軟化變形。總體來(lái)說，6302綜采工作面切眼圍巖承載能力較低，若一次性開挖斷寬度達(dá)到8.0m的切眼勢(shì)必會(huì)增加切眼頂板下沉量甚至?xí)?dǎo)致切眼頂板冒落問題。

2.大斷面切眼支護(hù)分析

(1)切眼圍巖結(jié)構(gòu)

從礦井開采的6#煤層頂?shù)装鍘r層巖性構(gòu)成來(lái)分析，6302切眼有厚度在0-0.5m的炭質(zhì)泥巖偽頂；直接頂為厚度8.3m泥巖、粉砂巖互層，硬度f(wàn)值在3-6。切眼頂板為硬度較低、不穩(wěn)定的復(fù)合頂板且偽頂通常隨掘隨垮。當(dāng)偽頂不及時(shí)垮落時(shí)，受到鉆孔施工等影響也會(huì)呈現(xiàn)冒落狀態(tài)[4]。切眼圍巖整體穩(wěn)定性及強(qiáng)度較低，承載能力較差。在支護(hù)時(shí)應(yīng)強(qiáng)化支護(hù)體系對(duì)圍巖的約束力，限制圍巖破碎區(qū)向巖層深部方向擴(kuò)展，因此6302切眼采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

(2)圍巖變形控制機(jī)理

錨網(wǎng)噴支護(hù)方式是現(xiàn)階段大斷面切眼最為有效的圍巖控制方式，當(dāng)圍巖硬度較低、承載能力不足時(shí)采用二次支護(hù)結(jié)構(gòu)（錨網(wǎng)噴結(jié)合注漿）可有效控制圍巖變形[5-6]。

深部開采時(shí)采用錨網(wǎng)噴支護(hù)可給圍巖提供足夠的抗變形破壞能力，避免變形量過大而出現(xiàn)圍巖松動(dòng)破壞或者剝落等問題，同時(shí)由于是柔性支護(hù)體系（主動(dòng)支護(hù)體系）允許圍巖有一定的變形，從而可適應(yīng)圍巖內(nèi)部分應(yīng)力。在巷道表層通過噴漿可及時(shí)封堵巷道表層破碎圍巖裂隙，從而防止圍巖潮解、風(fēng)化，并與錨網(wǎng)索支護(hù)結(jié)構(gòu)形成整體，不僅可增加錨網(wǎng)索結(jié)構(gòu)支護(hù)強(qiáng)度而且可為二次注漿加固創(chuàng)造條件。

針對(duì)6302切斷埋深大、圍巖松軟強(qiáng)度低以及斷面大等情況，圍巖自身承載能力難以抵抗高地應(yīng)力、松軟圍巖變形。因此，綜合上述分析結(jié)果以及其他礦井大斷面切眼圍巖支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，提出采用注漿錨索提升圍巖承載能力及穩(wěn)定性，從而達(dá)到對(duì)大斷面切眼圍巖控制目的。

3.大斷面切眼支護(hù)技術(shù)方案

根據(jù)6302切眼地質(zhì)條件并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需要，提出采用注漿錨索+高強(qiáng)錨桿+金屬網(wǎng)+噴漿聯(lián)合支護(hù)方式。由于切眼寬度達(dá)到8.0m且頂板為破碎、承載能力較低的泥巖，在切眼掘進(jìn)及后續(xù)使用時(shí)容易出現(xiàn)漏頂、冒頂?shù)仁鹿剩焕孟锏绹鷰r控制。為此，切眼掘進(jìn)采用分次開挖方式，具體先采掘進(jìn)小斷面切眼，當(dāng)切眼與回采順槽貫通后再通過刷擴(kuò)方式將切眼寬度增加至8.0m。具體6302切眼掘進(jìn)及刷擴(kuò)后的支護(hù)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 6302切眼掘進(jìn)及刷擴(kuò)后的支護(hù)結(jié)構(gòu)

(1)錨網(wǎng)索支護(hù)設(shè)計(jì)

6302切眼設(shè)計(jì)寬度、高度分別為8.0m、3.4m，切眼分兩次掘進(jìn)。初期掘進(jìn)時(shí)切眼寬度為5.0m、高度為3.4m，代切眼貫通后再刷擴(kuò)采面幫，從而將切眼寬度刷擴(kuò)至設(shè)計(jì)寬度。切眼頂板按照700mm×800mm間排距施工玻璃鋼錨桿（φ22mm× 2600mm），錨桿錨固長(zhǎng)度控制在1600mm。由于切眼頂板完整性及承載能力較低，成型效果不佳，為了便于后期噴漿、注漿，頂板支護(hù)時(shí)采用鋼絲網(wǎng)代替W鋼帶支護(hù)頂板。頂板支護(hù)采用的錨索（φ22mm×6500mm）按照1000mm×1600mm間排距并與錨桿間隔施工。巷幫均采用玻璃鋼錨桿（φ22mm× 2400mm）按照750mm×800mm間排距施工。

(2)噴漿及注漿

切眼掘進(jìn)后即對(duì)表層圍巖進(jìn)行噴漿，噴漿厚度為50mm，二次噴漿待注漿完成后進(jìn)行。在滯后切眼掘進(jìn)迎頭10-30m距離時(shí)，采用中空注漿錨索（φ22mm×5000mm）進(jìn)行注漿加固。注漿錨索按照1000mm×1600mm間排距并與已施工完成的錨桿間隔布置，注漿錨索錨固距離為900mm。注漿時(shí)采用的注漿設(shè)備型號(hào)為ZBYSB50/18-7.5，注漿材料為MZY-80，該注漿材料具有滲透能力強(qiáng)、凝結(jié)效果好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。注漿材料中水料比控制在1:3，注漿壓力控制在10MPa以上。

待圍巖注漿完成后進(jìn)行二次噴漿，噴射厚度為100mm，噴射漿液中水泥為普通硅酸鹽水泥，在噴射漿液中添加一定量的速凝劑（調(diào)價(jià)量為水泥重量的2.5%）。噴射的水泥漿初凝、終凝時(shí)間分別為3min、10min。噴射漿液按照石子:砂子:水泥=2:2:1配比混合，水灰比控制在1:2-1:2.5。

(3)切眼頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

由于6302切眼頂?shù)装鍘r層強(qiáng)度均較低且圍巖破碎，切眼掘進(jìn)及后期刷擴(kuò)后容易導(dǎo)致頂板懸露面積過大而導(dǎo)致的頂?shù)装寮跋飵妥冃瘟窟^大問題。為了較好的控制大斷面切眼圍巖變形，在對(duì)切眼刷擴(kuò)后在切眼兩幫各布置一排由單體、工字鋼按照一梁三柱構(gòu)成的架棚控制頂板及巷幫變形。在切眼中部增加兩排一梁三柱架棚控制頂板下沉。

4.大斷面切眼圍巖支護(hù)效果

在6302切眼掘進(jìn)及后期刷擴(kuò)過程中，在切眼中部位置相距50m分別一個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)切眼圍巖變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)切眼在掘進(jìn)支護(hù)完成7d內(nèi)變形量增加明顯；10d后圍巖變形基本趨于穩(wěn)定，僅部分區(qū)段切眼表層噴射的混凝土層出現(xiàn)一定的開裂顯現(xiàn)，但是圍巖變形量始終較小。監(jiān)測(cè)到35d后切眼頂?shù)装濉⑾飵妥冃瘟炕緟^(qū)域穩(wěn)定，最終頂?shù)装濉⑾飵妥冃瘟糠謩e為120mm、90mm，切眼圍巖變形量在允許范圍內(nèi)。因此，文中所提大斷面切眼圍巖支護(hù)技術(shù)可滿足綜采設(shè)備安裝以及后期采面回采需要。

5.總結(jié)

以6302綜采工作面切眼掘進(jìn)為研究對(duì)象，根據(jù)圍巖巖性特征提出切眼掘進(jìn)及支護(hù)技術(shù)，取得如下主要結(jié)論：

（1）6302切眼埋深超過630m且圍巖以強(qiáng)度較低的泥巖為主，由于切眼斷面大、圍巖破碎且強(qiáng)度較低導(dǎo)致切眼圍巖控制困難。根據(jù)現(xiàn)有切眼支護(hù)技術(shù)并采用工程類比法確定6302切眼采用錨網(wǎng)索噴+注漿為主的圍巖支護(hù)體系，并對(duì)圍巖支護(hù)方案進(jìn)行具體闡述。

（2）6302切眼采用先掘進(jìn)小斷面切眼可降低圍巖控制難度，并通過后期刷擴(kuò)達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)寬度。采用文中所提支護(hù)方案后，圍巖自身承載能力及穩(wěn)定性得以顯著提升。切眼刷擴(kuò)完成后，采用單體+工字鋼構(gòu)成的架棚可有效提升頂板支撐強(qiáng)度，降低大斷面切眼圍巖變形。

（3）文中所提切眼圍巖支護(hù)方式可滿足大斷面切眼圍巖控制需要，并為其他礦井大斷面切眼掘進(jìn)及圍巖控制提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。