破碎軟巖頂板大跨度切眼支護技術研究

楊文忠

（霍州煤電集團河津薛虎溝煤業有限責任公司， 山西 霍州 031400）

引言

近年來，隨著先進煤炭開采設備的推廣應用，綜采工作面煤炭開采速度以及產量等均明顯提升。先進的、高功率綜采設備斷面尺寸較大，從而導致切眼跨度有所增加，大跨度切眼給巷道圍巖控制帶來新的挑戰[1-3]。特別是當切眼頂板巖層為破碎軟巖時，圍巖控制難度更大。眾多的研究學者對大跨度切眼支護技術展開研究，并提出錨網索、單體支柱以及圍巖注漿等各種方式實現圍巖變形控制，現場應用也取得一定成果[4-7]。切眼支護參數設計時應依據現場情況確定，為此本文以山西某礦51103 綜采工作面切眼支護為工程背景，針對頂板破碎松軟特點，對支護參數進行設計，現場應用取得較為顯著圍巖支護效果。

1 51103 綜采工作面概況

山西某礦設計產能1.2 Mt/年，現階段生產主要集中在5 采區，開采11 號煤層，厚度平均2.3 m。51103 綜采工作面為5 采區第2 個回采工作面，采面設計走向推進長度1 108 m、切眼斜長218 m，采面切眼設計沿11 號煤底板掘進，切眼掘寬、掘高分別為6.0 m、2.7 m，凈寬、凈高分別為 5.8 m、2.6 m，具體切眼斷面見圖1。11 號煤層直接頂（厚度9.2 m）為砂質泥巖、泥質粉砂巖，基本頂為中粒砂巖（厚度3.2 m）；直接底（厚度2.5 m）為碳質泥巖，基本底（厚度5.8 m）為粗砂巖。

圖1 切眼斷面圖（單位：mm）

在51103 切眼布置范圍內，受到區域地質構造影響，局部位置頂板巖層破碎，從而給切眼圍巖支護帶來制約。切眼圍巖控制時面臨的主要難題為切眼跨度大、頂板局部位置松軟且破碎、頂板巖層承載能力差等問題。因此，需要針對51103 切眼現場條件，針對性制定切眼圍巖支護措施。

2 切眼支護參數設計及模擬分析

2.1 切眼支護參數

51103 切眼圍巖支護采用錨網索+金屬梁支護方式，具體切眼圍巖支護參數采用工程類比法以及理論分析法確定[8-9]。確定的切眼支護斷面如圖2 所示，頂板支護采用長度2.5 m、直徑22 mm 螺紋鋼錨桿，布置間排距分別為600 mm、800 mm，錨固長度為1.2 m；采面幫錨桿為長度為1.7 m、直徑17 mm 的玻璃鋼錨桿，煤柱幫錨桿為長度1.6 m、直徑16 mm 圓鋼錨桿，采面幫及煤柱幫錨桿均按照700 mm、800 mm 間排距布置。采用14 mm 直徑鋼筋焊接成鋼筋托梁、用10號鐵絲編制成金屬網強化切眼表層圍巖支護。支護采用的錨索長度為6.5 m、直徑15.24 mm 的鋼絞線（7 股5 mm），錨索按照 800 mm、800 mm 間排距布置，其中靠近巷幫的2 根錨索均按照65°水平角布置。

圖2 切眼支護示意圖（單位：mm）

當切眼掘進遇到頂板嚴重破碎時，可輔助采用頂板注漿方式加固破碎頂板，具體注漿時需采用單體、工字鋼等對注漿區域進行加固，避免注漿過程中出現冒頂或者頂板垮落等問題。注漿漿液為水泥單液漿，注漿壓力依據現場情況確定，建議注漿壓力控制在3～5 MPa。

2.2 圍巖支護效果模擬分析

采用FLAC 軟件對51103 切眼采取上述圍巖支護時圍巖穩定性控制效果進行分析，具體模擬結果如圖3 所示。

圖3 切眼支護后圍巖變形及應力分布模擬結果

從圖3-1 看出，對切眼圍巖進行支護后，切眼頂板、底板及巷幫位移量分別控制在39 mm、10 mm、10 mm，頂板變形區主要集中在錨桿、錨索支護范圍內，表明切眼頂板布置的錨桿、錨索可有效控制頂板變形；切眼兩幫采用錨桿支護后可有效提高巷幫煤體強度，降低巷幫位移量并將巷幫應力集中向深部位置轉移，降低水平擠壓力對切眼底板影響，減少底鼓量。

切眼圍巖支護后切眼頂板應力釋放區范圍較小，應力釋放區內垂向應力為0.005 7 MPa，切眼兩幫應力集中區內垂向應力峰值為15.88 MPa，具體如圖3-2 所示，同時應力峰值向煤壁靠近；從圖3-3 看出，支護后切眼幫角及幫肩位置剪切應力均有所增加，表明設計的支護參數可在一定程度提升幫角及幫肩位置巖體抗剪切變形能力；支護完成后切眼頂底板、巷幫最大主應力分別為1.11 MPa、5.17 MPa。

從圖3-4 看出，支護完成后切眼幫肩位置出現明顯的剪切破壞，且破壞區向上延伸高度約為2.5 m；幫角位置出現剪切破壞，向下延伸深度約為2.16 m；切眼頂底板變形破碎類型以拉伸破壞為主，其中頂板塑形破壞區范圍較底板大；巷幫塑形破壞區范圍約為1.08 m。從模擬結果來看，51103 切眼采取的圍巖支護參數可滿足破碎軟巖頂板大寬度切眼圍巖控制需要。

3 支護效果實測分析

在51103 切眼施工過程對頂板離層切頂圍巖收斂情況等進行監測。從切眼掘進開始即間隔30 m 布置一頂板離層監測儀，監測頂板離層情況。從監測結果看出，在切眼掘進2～7 d 后頂板出現一定離層，在支護完成30 d 后頂板離層基本趨于平穩，監測期間發現頂板離層量控制在5～30 mm，離層量整體較小。從支護完成后切眼圍巖在支護完成3 d 時開始出現收斂，支護完成50 d 后圍巖變形基本穩定，其中切眼頂底板、兩幫變形分別在55 mm、42 mm 以內，圍巖變形量整體較小，表明采用的大跨度切眼支護技術可滿足圍巖控制需要。

4 結語

51103 切眼圍巖控制面臨頂板破碎松軟、切眼跨度大等難題，依據切眼現場圍巖情況、以往切眼圍巖控制經驗并通過工程類比對切眼支護方案進行設計，采用數值模擬技術分析切眼圍巖支護情況。發現采用的切眼支護方案可提升切眼頂板及幫肩位置巖體強度及穩定性，現場應用后頂板離層及圍巖變形量均在較小范圍內，可滿足切眼內綜采設備安裝以及通風需要。