厚煤层大断面切眼围岩稳定性分析及控制技术

徐向南（山西东庄煤业有限公司，山西 长治 046308）

厚煤层大断面切眼围岩稳定性分析及控制技术

徐向南
（山西东庄煤业有限公司，山西 长治 046308）

以同家梁煤矿41307综放面切眼为研究对象，分析该切眼围岩破坏的特征和围岩控制的难点，得出了切眼围岩控制机理，提出“螺纹钢锚杆+钢筋骨架网+锚索”的联合支护方式，并给出其参数。研究表明：切眼开挖成巷后，围岩易发生拉压破坏、剪切破坏及复合破坏；煤层结构复杂、顶板岩层强度低、切眼跨度大等是导致围岩难以控制的因素；大断面切眼围岩控制的关键在于保证帮部的不稳定三角块不被切落，可利用两帮处的锚杆有效阻止新裂隙的扩展、块体沿节理面的滑移。现场试验结果表明，该联合支护方式对厚煤层大断面切眼围岩的控制效果显著，提高了其稳定性，能为该矿类似条件下的切眼支护提供技术依据。

大断面切眼；破坏特征；控制机理；联合支护

我国厚煤层资源丰富，现多采用综采放顶煤和大采高一次采全厚工艺回采，大型综合机械化采煤设备的运输和矿井通风等安全生产要求切眼巷道的跨度和高度与现有的采煤技术相适应[1-2]，切眼宽度由原来的4 m～6 m增至9 m～10 m。由于切眼多是沿煤层底板布置，节理裂隙发育、岩性复杂，跨度增加后巷道断面增大、大量新节理裂隙扩展贯通，使得切眼围岩塑性圈范围增大、控制十分困难。有关学者已对切眼宽度增大过程中的围岩裂隙场演化、应力调整变化进行相应研究并提出围岩加强支护的技术措施[3-4]。

文章以同家梁煤矿41307综放面切眼为研究对象，结合现场地质生产技术条件，分析该切眼围岩破坏特征和围岩控制的难点，制定了大断面切眼支护方案，给出具体支护参数，以期为解决该类切眼的支护难题提供参考。

1　工程概况

41307综放面位于81306工作面以西，二号辅运大巷以南，井田边界以北，其西面为未采动实体煤。41307工作面采用综采放顶煤工艺回采，设备配置为SL500型采煤机，采高5 240 mm，截深800 mm，PF6/1142型前刮板输送机，PF6/1342型后刮板输送机，ZF13000/25/38型放顶煤液压支架，ZFG13000/27.5/42H型放顶煤过渡支架。所掘切眼长度为240 m，沿底板掘进，沿煤层倾向布置，因掘井切眼的断面较大，故采用二次成巷工艺，设计巷宽8.8 m，先掘进5.2 m，后整个切眼扩帮3.6 m，至设计尺寸。

切眼位于煤层底板巷水平标高651 m～677 m，所掘煤层为二叠纪煤层，煤层倾角为5°左右。老顶为深灰色砂质泥岩；直接顶为灰白色粗粒砂岩，主要矿物成分为石英、长石；直接底为灰至深灰色砂质泥岩，块状层理；老底为灰白色粗粒砂岩。掘进段顶板裂隙极发育，导水性较好，最大涌水量20 m3/h。

2　切眼围岩的破坏特征

1）拉压破坏。若单一顶板或复合层状顶板强度不高，在水平和垂直地应力的作用下，巷道顶部容易出现拉应力；当超过顶板岩层拉应力的极限强度时，自下而上出现拉伸破坏，单一岩层顶板形成一个形态较为规则的冒落拱，复合层状顶板形成一个形态较为特殊的平衡拱。矩形巷道开挖后，围岩三向应力重新分布，两帮塑性区位置出现较高的支承压力，当两帮煤（岩）体强度较小时，就会发生弹塑性变形，两帮表面围岩产生压裂破坏，同时向巷帮两侧外鼓，并向深部转移，帮部煤岩体破坏后使巷道的等效跨度变大，顶底板的变形破坏加剧，直至发生顶板下沉、底板底鼓现象。

2）剪切破坏。矩形巷道开挖后，顶板与巷道两帮尖角区域会出现比较严重的切向应力集中现象。顶板岩层为裂隙发育的倾斜状岩体时，切向压应力易促使其破碎为层状岩块并沿裂隙面发生剪切滑动；当顶板岩层节理不发育或无节理时，破碎岩块间产生挤压作用而相互错动，引起卸载破坏，并易在自重作用下失稳冒落。巷道两帮处于顶板支承压力及水平地应力共同影响的应力场中，其结构破坏特征与两帮岩性密切相关。若巷道两帮为较坚硬岩体，则帮部表面岩体在顶板支承力及水平地应力综合作用下发生一系列与巷帮成一定角度的剪切破坏，片帮区域呈“楔体”形状；若巷道两帮煤岩体强度较低时，帮部表面岩体易沿节理面产生塑性剪切破坏，向巷道内空挤进，导致巷道变窄，严重影响通风、行人及运输。巷道底板受力以较大的水平地应力为主，当巷道底板岩层节理裂隙较为发育时，易迫使部分层状岩层沿原生或次生裂隙面滑移，待各个方向的节理破坏贯通后产生塑性剪切破坏区；巷道底板岩层为坚硬岩体时，底板岩层将沿某一剪切面产生错动，而使巷道出现底鼓现象。

3）复合破坏。考虑到巷道处于复杂的工程地质坏境中，其断面形状各不相同，施工方法也各自相异。在施工过程中，不可避免地对巷道围岩应力状态产生不同程度的人为扰动；同时，由于现场施工条件及水平的限制，不可能对围岩初期变形进行及时有效地支护，且巷道围岩支护参数也无法做到绝对科学合理。因此，在实际中常发生巷道围岩的剪切与拉压复合破坏现象。

3　切眼围岩的控制难点

通过对41307综放面开切眼现场调研和分析，其围岩控制难点如下：

1）本区属4-1与4-2煤层复合区，煤层结构复杂，厚度变化大，切眼位置可采厚度为5.72 m，层位对比困难，必须按规定层位掘进，同时在掘进过程中必须探顶底煤厚度，随时掌握层位变化，以确定掘进层位。

2）切眼巷道局部顶板为薄层状含砾粗砂岩，强度低，稳定性差。此局部顶板裂隙发育，易垮落，维护难度大；富水、导水性较好，掘进过程中对探掘结合工艺要求较高。

3）切眼断面尺寸较大。与小断面切眼相比，大断面切眼围岩稳定性对顶板两帮煤岩体物理力学特性、掘进时采动影响、地应力场变化等多个因素更加敏感，对支护形式及支护强度要求较高，任一因素的改变都会对切眼围岩稳定性产生严重影响，有可能导致大面积冒顶、片帮等事故。

4）煤层底板标高最低651 m，比奥灰水位低188 m左右，若遇到大的断裂构造（断层），将会导致导水通道涌水，所以，掘进过程中必须严格执行先探后掘的原则，同时增加排水设施的使用。

4　切眼围岩的控制机理

切眼开挖后，围岩应力重新分布，在围岩帮部产生三角形状的不稳定块体，在顶板一定范围内形成自然平衡拱，大断面切眼围岩控制的关键在于保证帮部不稳定三角块不被切落[2]。如图1所示，围岩破坏结构中，2a、h分别为切眼巷道宽度和高度，m；b为形成平衡拱高度，m；c为不稳定三角块宽度，m；45°+θ/2为三角块侧帮倾角，θ为岩石内摩擦角，°。得到三角块宽度为：

当切眼参数确定时，可以得到三角块宽度与岩石内摩擦角关系。

图1　围岩破坏自然平衡拱结构

由上述分析知，切眼两帮处的锚杆可以有效阻止新裂隙的扩展、块体沿节理面的滑移，大大增加不稳定块与围岩间的相互作用，避免了切眼发生片帮和冒顶，达到控制围岩的目的。

5　切眼支护方案及参数

针对厚煤层大断面41307切眼围岩控制的难点，运用FLAC3D数值模拟结果，并结合现场工程地质条件，提出了“螺纹钢锚杆+钢筋骨架网+锚索”联合支护以控制围岩的方案，同时对41307综放面切眼的锚杆（索）间排距、直径及长度等支护参数进行了设定。

41307切眼支护顺序如下：41307切眼临时副帮采用“三排矩形”布置方式，即在掘进过程用掘锚机自身侧钻打第二排帮锚杆，用煤电钻打第一排帮锚杆，检修帮用煤电钻支护第三排，上面两排帮锚杆必须支护到工作面正头3 m处；41307切眼副帮采用“四排矩形”布置方式，在条件好的情况下，先用掘锚机自身侧钻打第二排帮锚杆，再用煤电钻打第一排帮锚杆，最后检修班支护第三、四排，上面两排帮锚杆必须支护到工作面正头3 m处，在片帮严重时，生产班将支护第三排并及时挂网、链网到掘锚机尾处。检修班支护第四排时，用煤电钻补打帮锚杆并加密连网，并且一定要补全到掘锚机尾处，没有补全的帮锚杆由生产班继续补全，不补全不得生产。

在整个41307切眼维护期间，采用的“螺纹钢锚杆+钢筋骨架网+锚索”联合支护系统控制效果良好，未发生锚杆索断裂、钢带撕裂及支护结构大面积失效等现象。

6　结论

本文通过对41307切眼围岩破坏特征和控制难点分析，对相应的支护方案及参数进行工程试验，得到如下结论。

1）切眼开挖成巷后，应力重新分布、原有裂隙扩展贯通，发生拉压破坏、剪切破坏及复合破坏。

2）煤层结构复杂、顶板岩层强度低、切眼跨度大等是导致围岩难以控制的因素。

3）大断面切眼围岩控制的关键在于保证帮部不稳定三角块不被切落，利用切眼两帮处的锚杆可以有效阻止新裂隙的扩展、块体沿节理面的滑移，达到控制围岩的目的。

4）采用的“螺纹钢锚杆+钢筋骨架网+锚索”联合支护系统控制效果良好，未发生诸如锚杆索断裂、钢带撕裂及支护结构大面积失效等现象。

[1]何富连，许磊，吴焕凯，等.厚煤顶大断面切眼裂隙场演化及围岩稳定性分析[J].煤炭学报，2014，39(2):336-346.

[2]何富连，许磊，吴焕凯，等.大断面切眼顶板偏应力运移及围岩稳定[J].岩土工程学报，2014，36(6):1122-1128.

[3]张农，许兴亮，李桂臣.巷道围岩裂隙演化规律及渗流灾害控制[J].岩石力学与工程学报，2009，28(2):330-335.

[4]严红，何富连，徐腾飞.深井大断面煤巷双锚索桁架控制系统的研究与实践[J].岩石力学与工程学报，2012，31(11):2248-2257.

（编辑：李森森）

Analysis and Control of Surrounding Rock Stability around Large-section Open-off Cut on Thick Coal Seam

XU Xiangnan
(Shanxi Dongzhuang Coal Co.,Ltd.,Changzhi 046308,China)

Taking open-off cut of No.41307 fully-mechanized mining face of Tongjialiang Mine as the research object,the failure characteristics and control difficulties of surrounding rock around the open-off cut were analyzed in order to obtain its control mechanism.The paper proposes a united support, combining thread steel bolt,steel skeleton net,and anchor cable,and its parameters.When the open-off cut was dig into a roadway,the surrounding rock is liable to strain failure,shear failure,and compound failure.In addition,complex seam structure,lower strength of roof strata,and big span cause the difficult control of the surrounding rock.The key to stability of the surrounding rock is not to cut off unstable triangle blocks.The bolts of two sides could effectively stop the extension of new fissures and movement of blocks along the joint face.The field test shows that the support could effectively control the surrounding rock of large-section open-off cut and improve its stability,which could be a technical reference for the similar open-off cut support.

large-section open-off cut;failure characteristics;control mechanism;united supporting

TD325

A

1672-5050（2016）02-0023-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.02.007

2015-12-24

徐向南（1970-），男，山西长治人，大学本科，工程师，从事煤矿开采工作。