破碎软岩顶板大跨度切眼支护技术研究

杨文忠

（霍州煤电集团河津薛虎沟煤业有限责任公司， 山西 霍州 031400）

引言

近年来，随着先进煤炭开采设备的推广应用，综采工作面煤炭开采速度以及产量等均明显提升。先进的、高功率综采设备断面尺寸较大，从而导致切眼跨度有所增加，大跨度切眼给巷道围岩控制带来新的挑战[1-3]。特别是当切眼顶板岩层为破碎软岩时，围岩控制难度更大。众多的研究学者对大跨度切眼支护技术展开研究，并提出锚网索、单体支柱以及围岩注浆等各种方式实现围岩变形控制，现场应用也取得一定成果[4-7]。切眼支护参数设计时应依据现场情况确定，为此本文以山西某矿51103 综采工作面切眼支护为工程背景，针对顶板破碎松软特点，对支护参数进行设计，现场应用取得较为显著围岩支护效果。

1 51103 综采工作面概况

山西某矿设计产能1.2 Mt/年，现阶段生产主要集中在5 采区，开采11 号煤层，厚度平均2.3 m。51103 综采工作面为5 采区第2 个回采工作面，采面设计走向推进长度1 108 m、切眼斜长218 m，采面切眼设计沿11 号煤底板掘进，切眼掘宽、掘高分别为6.0 m、2.7 m，净宽、净高分别为 5.8 m、2.6 m，具体切眼断面见图1。11 号煤层直接顶（厚度9.2 m）为砂质泥岩、泥质粉砂岩，基本顶为中粒砂岩（厚度3.2 m）；直接底（厚度2.5 m）为碳质泥岩，基本底（厚度5.8 m）为粗砂岩。

图1 切眼断面图（单位：mm）

在51103 切眼布置范围内，受到区域地质构造影响，局部位置顶板岩层破碎，从而给切眼围岩支护带来制约。切眼围岩控制时面临的主要难题为切眼跨度大、顶板局部位置松软且破碎、顶板岩层承载能力差等问题。因此，需要针对51103 切眼现场条件，针对性制定切眼围岩支护措施。

2 切眼支护参数设计及模拟分析

2.1 切眼支护参数

51103 切眼围岩支护采用锚网索+金属梁支护方式，具体切眼围岩支护参数采用工程类比法以及理论分析法确定[8-9]。确定的切眼支护断面如图2 所示，顶板支护采用长度2.5 m、直径22 mm 螺纹钢锚杆，布置间排距分别为600 mm、800 mm，锚固长度为1.2 m；采面帮锚杆为长度为1.7 m、直径17 mm 的玻璃钢锚杆，煤柱帮锚杆为长度1.6 m、直径16 mm 圆钢锚杆，采面帮及煤柱帮锚杆均按照700 mm、800 mm 间排距布置。采用14 mm 直径钢筋焊接成钢筋托梁、用10号铁丝编制成金属网强化切眼表层围岩支护。支护采用的锚索长度为6.5 m、直径15.24 mm 的钢绞线（7 股5 mm），锚索按照 800 mm、800 mm 间排距布置，其中靠近巷帮的2 根锚索均按照65°水平角布置。

图2 切眼支护示意图（单位：mm）

当切眼掘进遇到顶板严重破碎时，可辅助采用顶板注浆方式加固破碎顶板，具体注浆时需采用单体、工字钢等对注浆区域进行加固，避免注浆过程中出现冒顶或者顶板垮落等问题。注浆浆液为水泥单液浆，注浆压力依据现场情况确定，建议注浆压力控制在3～5 MPa。

2.2 围岩支护效果模拟分析

采用FLAC 软件对51103 切眼采取上述围岩支护时围岩稳定性控制效果进行分析，具体模拟结果如图3 所示。

图3 切眼支护后围岩变形及应力分布模拟结果

从图3-1 看出，对切眼围岩进行支护后，切眼顶板、底板及巷帮位移量分别控制在39 mm、10 mm、10 mm，顶板变形区主要集中在锚杆、锚索支护范围内，表明切眼顶板布置的锚杆、锚索可有效控制顶板变形；切眼两帮采用锚杆支护后可有效提高巷帮煤体强度，降低巷帮位移量并将巷帮应力集中向深部位置转移，降低水平挤压力对切眼底板影响，减少底鼓量。

切眼围岩支护后切眼顶板应力释放区范围较小，应力释放区内垂向应力为0.005 7 MPa，切眼两帮应力集中区内垂向应力峰值为15.88 MPa，具体如图3-2 所示，同时应力峰值向煤壁靠近；从图3-3 看出，支护后切眼帮角及帮肩位置剪切应力均有所增加，表明设计的支护参数可在一定程度提升帮角及帮肩位置岩体抗剪切变形能力；支护完成后切眼顶底板、巷帮最大主应力分别为1.11 MPa、5.17 MPa。

从图3-4 看出，支护完成后切眼帮肩位置出现明显的剪切破坏，且破坏区向上延伸高度约为2.5 m；帮角位置出现剪切破坏，向下延伸深度约为2.16 m；切眼顶底板变形破碎类型以拉伸破坏为主，其中顶板塑形破坏区范围较底板大；巷帮塑形破坏区范围约为1.08 m。从模拟结果来看，51103 切眼采取的围岩支护参数可满足破碎软岩顶板大宽度切眼围岩控制需要。

3 支护效果实测分析

在51103 切眼施工过程对顶板离层切顶围岩收敛情况等进行监测。从切眼掘进开始即间隔30 m 布置一顶板离层监测仪，监测顶板离层情况。从监测结果看出，在切眼掘进2～7 d 后顶板出现一定离层，在支护完成30 d 后顶板离层基本趋于平稳，监测期间发现顶板离层量控制在5～30 mm，离层量整体较小。从支护完成后切眼围岩在支护完成3 d 时开始出现收敛，支护完成50 d 后围岩变形基本稳定，其中切眼顶底板、两帮变形分别在55 mm、42 mm 以内，围岩变形量整体较小，表明采用的大跨度切眼支护技术可满足围岩控制需要。

4 结语

51103 切眼围岩控制面临顶板破碎松软、切眼跨度大等难题，依据切眼现场围岩情况、以往切眼围岩控制经验并通过工程类比对切眼支护方案进行设计，采用数值模拟技术分析切眼围岩支护情况。发现采用的切眼支护方案可提升切眼顶板及帮肩位置岩体强度及稳定性，现场应用后顶板离层及围岩变形量均在较小范围内，可满足切眼内综采设备安装以及通风需要。