復(fù)雜地質(zhì)條件下大斷面綜采工作面切眼施工及支護(hù)技術(shù)研究

李 彪

（霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 呂梁 033200）

隨著機(jī)械化、智能化采煤技術(shù)的快速發(fā)展，綜采工作面回采設(shè)備的尺寸也顯著增大，這就需要施工更大斷面的切眼以滿足綜采設(shè)備的安裝及通風(fēng)需要[1]。切眼斷面尺寸及其圍巖條件是決定切眼施工工藝選擇及支護(hù)參數(shù)確定的關(guān)鍵因素，切眼斷面越大、圍巖條件越復(fù)雜，其施工及支護(hù)難度越大[2]。眾多學(xué)者進(jìn)行了大量研究，提出采用兩次或多次成巷的施工方式[3]。龐龐塔礦5106 綜采工作面切眼施工期間因斷面大，需穿越斷層構(gòu)造帶等特點(diǎn)，對(duì)大斷面過斷層切眼施工及圍巖控制技術(shù)進(jìn)行了研究，以期為類似工況切眼施工及圍巖控制提供參考。

1 工程概況

5106綜采工作面開采5號(hào)煤層，平均厚度5.7 m，平均傾角13°，煤層厚度變化不大，屬較穩(wěn)定煤層，煤層節(jié)理發(fā)育，結(jié)構(gòu)中等，煤層中部夾一層0.35～0.85 m 的碳質(zhì)泥巖。煤層頂?shù)装迩闆r詳見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

5106 工作面東西向布置，東側(cè)為5 號(hào)煤一采區(qū)大巷，南側(cè)為5104 工作面采空區(qū)，北側(cè)為5108 工作面。工作面共設(shè)三條回采巷道，工作面傾斜長度為200 m，采用綜采一次采全高采煤工藝，全部垮落法管理頂板。為滿足工作面設(shè)備安裝及通風(fēng)需求，5106 工作面切眼設(shè)計(jì)凈斷面為10.8 m×4.5 m（寬×高）。根據(jù)生產(chǎn)地質(zhì)資料，5106 工作面切眼施工期間需穿過5106-F1 正斷層（H=4.0 m，∠65°）和5106-F2 正斷層（H=3.2 m，∠57°）。5106 工作面切眼過斷層期間，受斷面大及圍巖破碎等影響，施工及圍巖控制困難，需采取有效措施控制圍巖變形，確保5106 工作面切眼穩(wěn)定及回采安全。

2 大斷面切眼施工工藝及其圍巖控制技術(shù)

為確保5106 工作面切眼施工安全及成形效果，設(shè)計(jì)采用二次成巷工藝進(jìn)行施工，即首先施工切眼導(dǎo)硐，待切眼導(dǎo)硐施工完成后再沿工作面推進(jìn)方向一側(cè)將其二次擴(kuò)刷至切眼設(shè)計(jì)斷面尺寸。

2.1 切眼導(dǎo)硐施工及支護(hù)設(shè)計(jì)

切眼導(dǎo)硐凈斷面5800 mm×4500 mm，沿5106工作面最西側(cè)施工，采用“錨網(wǎng)索+單體柱”聯(lián)合支護(hù)。切眼導(dǎo)硐支護(hù)斷面如圖1，支護(hù)參數(shù)如下：

圖1 切眼導(dǎo)硐支護(hù)斷面（mm）

1）頂板。為確保頂錨桿錨固端位于頂板穩(wěn)定的粉砂巖中，采用Ф22 mm×3600 mm 左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1000 mm×1000 mm，150 mm×150 mm×10 mm 的球型鋼板托盤，施加預(yù)緊力不小于160 kN。頂錨索采用Ф21.6 mm×7500 mm 預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，間排距為1800 mm×2000 mm，180 mm×180 mm×12 mm 的球型鋼板托盤，施加預(yù)緊力不小于300 kN。

2）巷幫。西幫錨桿采用Ф20 mm×2400 mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1000 mm×1000 mm；西幫錨索采用Ф21.6 mm×5000 mm 預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，間排距為2000 mm×2000 mm；東幫采用Ф20 mm×2400 mm 玻璃鋼錨桿，間排距為800 mm×1000 mm。

3）其他。沿切眼導(dǎo)硐中線布置一排單體支柱，間距為3000 mm。頂板和兩幫錨桿配合使用規(guī)格為15 mm×150 mm×5200 mm 的W鋼帶及規(guī)格為900 mm×3000 mm 的菱形金屬網(wǎng)。

2.2 切眼導(dǎo)硐二次擴(kuò)刷及支護(hù)設(shè)計(jì)

待切眼導(dǎo)硐施工完畢后，沿其東側(cè)巷幫向東擴(kuò)刷5000 mm 以達(dá)到切眼設(shè)計(jì)斷面尺寸。在切眼導(dǎo)硐擴(kuò)刷期間，距切眼導(dǎo)硐中線所布置的單體柱5000 mm 布置第二排單體柱，切眼導(dǎo)硐擴(kuò)刷范圍頂板支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)與切眼導(dǎo)硐相同，擴(kuò)刷后的切眼東幫與切眼導(dǎo)硐東幫支護(hù)方式及參數(shù)一致。擴(kuò)刷完成后的切眼支護(hù)斷面如圖2。

圖2 擴(kuò)刷后的切眼支護(hù)斷面（mm）

2.3 過斷層破碎帶注漿支護(hù)設(shè)計(jì)

受地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)的影響，5106-F1 正斷層及5106-F2 正斷層周圍巖體完整性較差，破碎程度較高，5106 工作面切眼在穿過上述兩斷層破碎帶期間面臨圍巖變形大，甚至引發(fā)冒頂、片幫等災(zāi)害事故，給切眼安全快速施工帶來較大威脅。為提高斷層破碎帶圍巖整體性，提高圍巖自支承能力，增強(qiáng)圍巖和支護(hù)相互作用效果，在5106 工作面切眼過斷層期間采用WTD 中空注漿錨桿對(duì)切眼圍巖進(jìn)行加固，注漿錨桿型號(hào)為Ф25 mm×3500 mm，間排距為2000 mm×2000 mm，注漿漿液采用水灰比為0.7:1 的水泥單液漿，注漿壓力控制在2～4 MPa。

2.4 大斷面切眼支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算

5106 工作面切眼斷面較大，且在施工過程中需穿過斷層破碎帶，為確保圍巖變形控制效果，對(duì)5106 工作面切眼支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。當(dāng)5106 工作面切眼由切眼導(dǎo)硐擴(kuò)刷至設(shè)計(jì)斷面尺寸后，采用公式（1）計(jì)算最大冒落高度下切眼頂板覆巖質(zhì)量G：

式中：D為切眼設(shè)計(jì)斷面寬度，取10.8 m；h為切眼頂板巖層最大冒落帶高度，結(jié)合5 號(hào)煤層頂板覆巖情況，取3.2 m；γ為切眼頂板巖層平均容重，取22 kN/m3。將數(shù)據(jù)帶入式（1）計(jì)算得到5106 工作面切眼在擴(kuò)刷至設(shè)計(jì)斷面尺寸后，G=760.32 kN/m。為確保所采用支護(hù)方案對(duì)5106 工作面切眼頂板圍巖的支護(hù)效果，在進(jìn)行支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)不考慮錨桿及其他支護(hù)措施，只考慮錨索對(duì)切眼頂板的支護(hù)效果，可通過公式（2）計(jì)算單位長度頂板錨索作用到切眼頂板的支護(hù)強(qiáng)度P：

式中：N為切眼頂板每排錨索數(shù)量，取6；P1為錨索錨固力，取350 kN；η為錨索錨固效率，取0.8；d為切眼頂板錨索排距，取2 m。將數(shù)據(jù)帶入式（2）可得P=840 kN/m ＞G=760.32 kN/m。

當(dāng)5106 工作面切眼按照設(shè)計(jì)斷面尺寸施工完畢后，在不考慮頂板錨桿及其他支護(hù)措施，僅考慮錨索支護(hù)效果，即切眼頂板支護(hù)全部由錨索承擔(dān)的情況下，錨索支護(hù)安全系數(shù)為P/G=840/760.32=1.1。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

在5106 工作面切眼過5106-F1 正斷層破碎帶前后，每隔50 m 布置一組測站，共布置三組測站。其中1#測站位于5106-F1 正斷層破碎帶之前，2#測站位于5106-F1 正斷層破碎帶內(nèi)，3#測站位于5106-F1 正斷層破碎帶之后，對(duì)切眼正常段掘進(jìn)及過斷層破碎帶掘進(jìn)期間表面圍巖變形情況進(jìn)行為期30 d 的現(xiàn)場觀測，觀測結(jié)果如圖3。

圖3 不同測站巷道圍巖表面位移情況

由圖3 可知，在不同地質(zhì)條件下5106 工作面切眼掘進(jìn)期間，其頂?shù)装逑鄬?duì)移近量及兩幫相對(duì)移近量隨觀測時(shí)間均呈現(xiàn)出先增大、后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。具體表現(xiàn)為在0～15 d 范圍內(nèi)，切眼頂?shù)装寮皟蓭拖鄬?duì)移近量呈增大趨勢；在15 d 以后，切眼頂?shù)装寮皟蓭拖鄬?duì)移近量基本趨于穩(wěn)定。此外，5106 工作面切眼在過5106-F1 正斷層破碎帶之前，其頂?shù)装寮皟蓭拖鄬?duì)移近量最大值分別為92.64 mm和51.64 mm；在過5106-F1 正斷層破碎帶期間，其頂?shù)装寮皟蓭拖鄬?duì)移近量最大值分別為138.72 mm和81.62 mm；在過5106-F1 正斷層破碎帶之后，其頂?shù)装寮皟蓭拖鄬?duì)移近量最大值分別為109.82 mm和64.11 mm。切眼成型效果較好，無冒頂片幫現(xiàn)象發(fā)生。由此可見，5106 工作面切眼在過5106-F1 正斷層破碎帶期間其頂?shù)装寮皟蓭拖鄬?duì)移近量最大值雖比過斷層前后的圍巖相對(duì)移近量顯著，但仍在切眼施工允許的變形范圍內(nèi)，表明通過先施工切眼導(dǎo)硐，再二次擴(kuò)刷的施工工藝，采用“錨網(wǎng)索+注漿+單體支柱”的聯(lián)合支護(hù)方式能有效控制其過斷層破碎帶期間的圍巖變形。

4 結(jié)語

1）提出采用先施工切眼導(dǎo)硐，再進(jìn)行二次擴(kuò)刷的大斷面工作面切眼施工工藝；

2）提出“錨網(wǎng)索+注漿+單體支柱”的聯(lián)合支護(hù)方式控制大斷面切眼過斷層破碎帶圍巖變形；

3）5106 工作面切眼在正常段掘進(jìn)期間，頂?shù)装寮皟蓭拖鄬?duì)移近量最大值分別為109.82 mm 和64.11 mm；在過斷層破碎帶期間，頂?shù)装寮皟蓭拖鄬?duì)移近量最大值分別為138.72 mm 和81.62 mm。切眼圍巖變形均在設(shè)計(jì)范圍。