特大斷面切眼受載變形特征與支護技術研究

楊建輝

摘要：為了解決特大斷面切眼巷道支護難題，以曹家灘煤礦122106切眼為工程背景，結合理論分析與離散元數值模擬研究了不同頂板跨度條件下巷道受載變形特征，提出了“二次成巷+單體液壓支柱+高強錨網索+W鋼護板”的大斷面煤巷高強度、高預緊力、低密度減跨支護技術，提高了支護效率，顯著加快了巷道掘進速度。研究表明，當頂板跨度超過9m后其穩定性大幅下降，極易出現表層煤體破壞垮冒的現象;錨桿的承載性能與預緊力緊密相關，預緊力越大，越有利于錨桿發揮其承載性能;通過現場實測對研究成果進行了驗證，巷道未出現明顯變形，支護體受載始終穩定。

Abstract： Response to the reasonable supporting of the open-off cut with large cross-section， based on the 122106 open-off cut in Caojiatan coal mine， this paper studies the loading and deformation characteristics of the roadway in the conditions of different roof span through theoretical analysis and discrete element numerical simulation. A high strength， high pre-tightening force and low density spanning reduction support technology， such as "secondary roadway + single hydraulic prop + high-strength Anchor Mesh Cable + W steel shield"， has been proposed to support the large section coal roadway. Consequently， support efficiency has been improved and then the roadway driving speed has been accelerated significantly. The research shows that when the roof span exceeds 9m， the stability of the roof decreases dramatically， and the phenomenon of surface coal failure and collapse is easy to occur; the bearing capacity of the bolt is closely related to the pre-tightening force， and the larger the pre-tightening force， the better the bearing capacity of the bolt is; research results are verified by field measurement. The roadway did not appear obvious deformation， and the supporting body remain stable under loading.

關鍵詞：特大斷面切眼;大跨度頂板;離散元;二次成巷

Key words： extra large section open-off cut;large span roof;discrete element;secondary tunneling

中圖分類號：TD323? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）36-0160-04

0? 引言

隨著國家對煤炭企業的規劃和煤炭資源產業的整合，現代化特大型礦井在煤炭行業中的比重逐漸加大[1-2]，隨之而來的礦井生產集中化、工作面設備大型化的發展趨勢已不是傳統的巷道斷面尺寸所能適應[3-4]。目前，我國最大的采煤機單個滾筒直徑已經超過3.2m，最大的液壓支架整體長度可達8.5m以上，寬度超過2m，將設備從地面運輸到工作面以及在工作面安裝的過程中，均需要更寬、更高的巷道斷面[5]。因此，特大斷面巷道、切眼的出現逐漸呈現出常態化，同時也為保障巷道圍巖穩定帶來挑戰。

近年來，在切眼巷道穩定性保障及支護技術方面，學者們進行了大量研究。楊永剛等人研究了高、地位復合頂板不同地質條件下大斷面切眼的塑性區分布及位移，并相應的優化了錨桿（索）支護參數[6-7];李偉等人將錨網索聯合支護應用在龍固礦井首采1301N工作面大斷面切眼，論證了其可靠性[8];魏世義以趙固二礦大采高大斷面切眼為背景，提出了大斷面開切眼錨網索加挑棚聯合支護技術，有效控制了深井破碎頂板大斷面切眼圍巖[9]。對于大斷面開切眼巷道，學者們對于不同地質條件下的巷道圍巖支護進行了較為全面的研究，然而，上述研究中的切眼巷道斷面面積普遍在30m2左右，對于斷面尺寸達到50m2左右的特大斷面切眼巷道圍巖變形特征與支護方面研究較少[10-11]。

因此，本文以曹家灘煤礦122106首采面特大斷面切眼巷道（斷面尺寸48.3m2）為背景，綜合采用理論分析和數值模擬對曹家灘煤礦特大斷面切眼巷道變形特征及相應的支護技術進行了研究，研究成果通過現場實測進行了驗證。

1? 工程背景

1.1 工程概況

曹家灘煤礦122106工作面切眼長度為350m，斷面設計為矩形斷面。設計掘進寬度10.5m，高度4.6m，掘進斷面達48.3m2。122106工作面是首采工作面，主采2-2煤，設計生產能力為15Mt/a。切眼附近煤層埋深340m左右，厚度8m，煤層傾角1～3°。結合切眼附近鉆孔地質資料可知，煤層上方直接頂為具水平層理的灰色粉砂巖，層厚5.95m，平均抗壓強度為31.35MPa，RQD指數達到75%;基本頂為細粒砂巖，層厚31.69m，平均抗壓強度為33.25MPa，RQD指數可達80%。工作面布置如圖1所示。

122106工作面的頂板屬于堅硬頂板，厚度較大，強度較高，且完整性良好。但是切眼上方頂煤厚度在3.4m左右，按巷道分類122106工作面切眼屬于煤頂煤巷。切眼掘進斷面已達48.3m2，屬于特大斷面巷道，長達10.5m的跨度嚴重影響了頂板穩定性，易出現頂板一次性大面積下沉甚至垮落的災害事故。此外，自貫通起，122106工作面切眼內還需進行探放水、水壓預裂以及設備安裝等工程，歷時超過3個月的過程中，會對切眼附近圍巖造成進一步動力擾動。

1.2 122106切眼原支護方案

122106切眼沿煤層底板掘進，采用錨網索支護。其中，頂板錨桿桿體為20#左旋無縱筋335號螺紋鋼筋，長度2.4m，桿尾螺紋為M22;錨固方式為樹脂加長錨固，采用兩支錨固劑，一支規格為MSZ2335，另一支規格為MSZ2370;托板采用規格為120×120×10mm鋼板制成;網片規格為直徑？準6.5mm的圓鋼焊接而成鋼筋網，網孔100×100mm;錨桿排距800mm，間距800mm。錨索材料為？準17.8mm，1×7股預應力鋼絞線，長度7.3m;錨索托板采用300mm×300mm×20mm鋼板制成。錨索排距2400mm，一排布置5根，間距2400mm。巷道兩幫采用桿體直徑為20mm玻璃鋼錨桿支護，長度2.4m;錨固方式為樹脂加長錨固，采用兩支錨固劑，一支規格為MSZ2335，另一支規格為MSZ2370;采用菱形塑料網護幫;錨桿排距800mm，每排6根錨桿，間距800mm。

由于缺乏實例參考與理論依據，原支護方案在支護參數選取方面較為保守，較大的支護密度帶來的直接問題是巷道支護工作時間過長，繼而遲滯巷道掘進速度，延緩了曹家灘煤礦首采面的貫通工程。作為新建大型主力礦井的首采面，在切眼貫通過程中如何均衡掘進與支護速度，使工作面安全快速投產，是巷道支護參數選取的重要原則。因此，本文結合理論分析、數值模擬等方法對特大斷面切眼受載變形機制進行研究，在保障圍巖穩定性、提高支護效率的考量下，進行了合理的巷道支護設計，研究成果通過現場觀測的方法進行了驗證。

2? 大跨度頂板受載特征

由固支巖梁理論可知，頂板煤梁的最大拉應力發生在梁的兩端，其值為：

式中，σmax為頂板煤梁的最大拉應力，MPa;q為上覆巖層載荷，由組合梁理論[6]計算得其值為0.692MPa;L為頂板煤梁的跨度，m;h為頂板煤梁的厚度，m。

由此，定義切眼頂板穩定性系數Sq，其值為頂板煤體的極限抗拉強度Rt與其最大拉應力σmax之比，即

顯然，Sq值越大，頂板穩定性越高。基于上式，采用正交分析，對各參數不同賦值條件下頂板穩定性系數Sq的變化進行計算，計算結果如圖3所示。

由圖3可以看出，在頂板煤梁厚度和上覆巖層載荷一定的條件下（h=3.4m，q=0.692MPa），切眼煤梁跨度越大，頂板穩定性系數Sq值越小。隨著切眼跨度的增加，頂板抗拉強度對穩定性系數的影響越來越小，當切眼跨度超過9m以后，不同抗拉強度下的Sq值已相差不大，普遍保持在較小的數值。

3? 切眼變形特征數值模擬計算

3.1 數值模型構建

由上文可知，跨度過大是影響特大斷面切眼穩定性的主要原因，當跨度超過9m以后，頂板力學性能對切眼穩定性的影響已不明顯，切眼穩定性系數Sq值普遍偏小。為進一步探究頂板跨度對切眼圍巖穩定性影響，以122106工作面切眼地質條件與工程實際為基礎，建立離散元數值模型如圖4所示。模型尺寸80m×50m，兩側限制水平位移，底部限制垂直位移，上部施加垂直載荷8.5MPa以模擬覆巖壓力。切眼巷道沿煤層底板開挖，巷道尺寸為a×b，模擬過程中取b=4.6m不變，頂板跨度a分別取值5m、7m、9m、11m。同時，在切眼頂板表面設置一條14m長的觀測線，對兩幫及巷道范圍內的頂板垂直位移進行統計。

3.2 模擬結果分析

通過對比分析四組數值模擬結果以及觀測線統計數據（圖5），可以發現不同頂板跨度條件下，切眼巷道圍巖穩定性變化具有如下特征：

①巷道周圍煤巖體破壞主要發生在頂板煤體中。由頂板表面向上，破壞范圍逐漸減小，整體呈“拱形”分布，煤層與上方直接頂之間未出現明顯破壞現象。

②頂板變形沿巷道中軸對稱分布，巷道中部變形最大。隨著頂板跨度增加，頂板變形逐漸增加，當頂板跨度由9m增至11m后，頂板表層的煤體出現失穩大變形現象。

③頂板跨度的增加對兩幫煤體的影響較小。隨著頂板跨度的增加，位于兩幫上方的頂板垂直位移量始終保持在7mm以內，總體增量小于3mm，考慮到變形協同，可以認為兩幫煤體的穩定性始終良好。

綜上，大跨度頂板的穩定性是切眼巷道支護的關鍵。切眼巷道的設計跨度為10.8m，一次掘出極易出現表層煤頂冒落破壞的現象。

4? 高強低密減跨支護技術與應用

4.1 特大斷面切眼支護設計

針對122106工作面切眼跨度過大、煤頂穩定性差的工程實際，結合前文分析，提出“二次成巷+單體液壓支柱+高強錨網索+W鋼護板”的大斷面煤巷高強度、高預緊力、低密度減跨支護技術，設計巷道支護參數如圖6所示。

相比于原支護方案，新方案對錨桿錨索分別施加預緊力以提高支護體利用效率及支護效果，在極大程度上降低了巷道支護密度，單一斷面錨桿總數減少4根，錨索總數減少1根，且排距由800mm增至1000mm，總體上大大減少了支護時間，顯著提高了巷道掘進速度。

4.2 現場應用與驗證

為驗證巷道支護效果，在巷道初掘與闊刷過程中，除正常的巷道圍巖位移監測之外，分別在122106切眼0m、150m、250m、350m處安裝四個錨桿錨索應力監測測站，分別采用MC-500B型錨桿測力計MC-500A型錨索測力計對錨桿錨索受力進行監測，安裝位置位于錨桿（索）托板與螺母之間。定期對測站位置錨桿錨索受力進行觀測統計，以掌握圍巖應力變化情況。典型的，250m處測站頂板錨桿受力變化如圖7所示。

為了收集完整的礦壓資料，所有的錨桿測力計均是在巷道掘進支護時安裝，其中、1、2、3號錨桿測力計安裝于切眼巷道初掘階段，4、5、6號錨桿測力計安裝于切眼巷道擴刷階段。由圖7可知：

①錨桿的力學表現，或者說承載性能，與其預緊力的大小緊密相關，6根錨桿的受力值均以其預緊力為起點小幅增加，個別錨桿在觀測初期出現受力波動（2和3），但波動過后其受力仍接近初始預緊力;

②在對切眼進行礦壓觀測的102天中，錨桿受力總體呈緩慢上升趨勢，但受力增值較小，由此可以判斷切眼圍巖穩定性保持良好;

③第二次掘巷后錨桿受力未出現波動，均表現為穩定小幅增長，二次成巷的巷道穩定效果良好。

5? 結論

①結合理論分析與數值模擬結果，對比分析不同頂板跨度時的切眼巷道變形特征可知：大跨度煤頂是巷道整體穩定的薄弱環節，頂板跨度超過9m以后巷道頂板穩定性大幅降低，表層煤頂出現變形失穩現象，因此，122106切眼巷道（跨度10.5m）一次掘出時極易出現頂板煤體破壞垮冒的現象，掘進方式應避免一次成巷。

②綜合122106切眼工程實際與研究結果，提出的大斷面煤巷高強度、高預緊力、低密度減跨支護技術，優化了原支護方案，總體上大大減少了支護時間，顯著提高了巷道掘進速度。

③通過現場監測對巷道支護效果與研究成果進行驗證，結果表明：錨桿的承載性能與預緊力緊密相關，預緊力越大，越有利于錨桿發揮其承載性能;在實施“二次成巷+單體液壓支柱+高強錨網索+W鋼護板”的支護措施后，122106工作面切眼自貫通至開始回采期間穩定性保持良好。

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