复杂围岩大断面开切眼稳定性控制研究

张鹏飞

（大同煤矿集团有限责任公司云冈矿，山西 大同 037017）

1 工程概况

云冈矿8409 工作面位于12#煤层404 盘区，工作面北部为8411 工作面，西部为8409 工作面待采区，东部为保护煤柱，南部为设计的8415 工作面。地面标高1176～1251 m，工作面标高940～990 m，平均埋深250 m。8409 工作面煤厚0.85～2.39 m，平均1.62 m，煤层倾角2°～6°，平均为4°。工作面直接顶为中粒砂岩，灰白色，厚度平均14.6 m；直接底为粉砂岩与细砂岩的互层，灰色，含有少量植物化石及煤屑，厚度平均为5.2 m。煤层普式系数为3，属于中硬煤层，层理不发育，构造较稳定。

8409 工作面切巷为半煤岩巷道，布置在12#煤层中，设计长度108 m。巷道掘进断面规格宽×高=6.2 m×2.6 m，净断面规格宽×高=6.1 m×2.35 m。巷道掘进方位角为0°，采用一次成巷技术，掘进时沿煤层顶板掘进，必要时起底掘进。由于8409切巷一次成巷要求高，巷道两帮处在煤岩体交替的部位，岩性差别较大，为保证掘进后通风、运输、服务年限的要求，对巷道围岩控制稳定性要求较高，尽量避免返修或者大修情况。因此，针对8409 大断面切巷复杂围岩状态下的围岩稳定性控制显得十分必要。

2 大断面切巷围岩稳定控制分析

8409 切巷开掘前处在三向应力平衡状态，如图1（a），开掘后，切巷周围应力重新分布，如图1（b）。应力平衡状态被破坏后，煤岩体将向切眼临空面产生位移，导致巷道顶底板发生变形破坏，进一步造成切巷两帮煤岩体的应力峰值向深部转移，造成巷道失稳或控制难度较大。

切巷开掘后，两侧帮部承受较大的垂直应力，由于一侧处于临空状态，巷帮处于单向受力状态，极易发生变形或失稳现象。控制帮部变形的措施就是要将单向受力转变为两向应力状态，通过施加水平方向应力阻止巷帮向临空侧的运动趋势。而切巷顶板的受力较帮部更复杂，主要受垂直方向的地应力和水平方向的轴向推力，均和埋深H 有关。针对大跨度切巷而言，由于采出空间较大，顶板会出现一定程度的弯曲下沉，在所受两种力的作用下，受拉破坏与弯曲破坏同时产生，导致切巷顶板破坏形式是以拉裂、剪切共同作用的复合破坏状态。

图1 切眼开掘前后不同应力状态

8409 大断面切巷的变形破坏主要集中在顶板中部，由于顶板跨度达6.2 m，导致巷帮对顶板的支撑作用发挥有限，造成顶板下沉量大而主要发生张拉破坏；两侧巷帮则由于承受地应力与支撑剪切力的原因，主要发生剪切破坏。因此，在对8409 切巷进行控制技术研究时，一是要控制顶板的弯曲下沉，二是要减弱巷帮的剪切破坏，并尽可能提高顶板和巷帮的整体承载力。针对8409 切巷顶板和巷帮的控制要求，可以使用锚索将顶板远距离岩层形成锚固区大结构，使用锚杆将顶板与巷帮近距离煤岩体形成锚固区小结构的方式共同发挥控制作用维持切巷稳定。

3 锚杆索联合支护控制技术

3.1 锚杆索支护控制方案

根据大断面切巷围岩稳定控制机理的分析，8409 切巷确定采用锚杆索联合支护的方式进行围岩控制。切巷支护平面与支护断面如图2（a）、图2（b）。

（1）顶板支护。锚杆直径为18 mm，长度为1800 mm，材质为无纵肋螺纹钢锚杆，钢材型号为MG400，屈服强度不低于400 MPa，延伸率12%，排距为1000 mm，间距为900 mm，一排七根沿巷道中线对称布置，锚固剂型号为1 支MSK2360 树脂锚固剂；锚索直径为17.8 mm，长6000 mm，材质为强力钢绞线，抗拉强度不低于1860 MPa，延伸率3.5%，配套锁具KM18-1860，排距2000 mm，间距为1600 mm，一排四根沿巷道中线相距700 mm 对称布置，锚固剂型号为一支MSCKB2360 树脂锚固剂，预紧力不低于210 kN，锚固力不低于320 kN。顶板锚杆采用两根四眼W 型钢带搭接，钢带规格3200 mm×220 mm×3 mm，孔间距900 mm，孔径为20 mm，锚杆托盘为蝶形托盘，规格为110 mm×110 mm×10 mm，屈服强度不小于235 MPa；顶板锚索采用两根两眼钢梁，钢梁规格2800 mm×110 mm×110 mm，孔间距1600 mm，两根梁之间间距为200 mm，沿巷道中线对称布置，锚索托盘规格为350 mm×350 mm×10 mm 的钢板，承载力不小于锚索承载力的1.5 倍。

（2）巷帮支护。巷帮支护分工作面侧的采煤帮和工作面后的古塘帮。帮部锚杆型号和材质与顶部锚杆相同，沿巷道顶板向下300 mm 依次施工两根锚杆，锚杆上下间距1500 mm，排距1500 mm，两排锚杆之间打一根单点锚杆，单点锚杆型号和材质与其他部位锚杆相同，帮部锚杆布置整体呈五花状，帮部锚杆采用单眼钢带，规格为450 mm×220 mm×3 mm，抗拉强度不小于375 MPa；巷道古塘帮采用金属菱形网，规格为3700 mm×2000 mm，采煤帮采用双抗拉伸网，规格为2000 mm×10 000 mm，网与网之间搭接合理，搭接处联网孔每隔100 mm 用14#铅丝扭结呈“三花状”绑扎牢固，扭结不少于3圈。

图2 切巷锚杆索支护设计

3.2 支护控制效果分析

8409 切巷采用EBZ-200 掘进机进行截割装载，80 式桥式转载机配合SJ-80 胶带输送机进行运煤，MQT 系列风动钻机进行锚杆索打设工作。为掌握8409 切巷围岩控制效果，对巷道进行表面位移、顶板离层和锚杆受力监测，表面位移监测采用“十字布点法”，顶板离层采用KGE30B 顶板离层仪监测，锚杆受力采用LDZ-200 型锚杆拉力机监测。测站间距为25 m，监测时间为30 d，监测结果如图3。

在切巷成巷初期，由于应力重新分配尚未稳定，巷道表面位移变化幅度较缓。1～6 d 内，底鼓量在20 mm，两帮移近量在16 mm，顶板下沉10 mm。监测时间继续增加，表面位移变化速率显著增长，到监测20 d 时，底鼓量增加到155 mm，顶板下沉量增加到95 mm，两帮移近量增加到130 mm。继续监测，巷道围岩变形基本保持不变。切巷顶板离层变化趋势同样先缓慢再急剧增加，最后趋于稳定，稳定后的深基点离层量为100 mm，中基点离层量为80 mm，浅基点离层量为50 mm。顶部锚杆和帮部锚杆的受力变化不大，说明在巷道监测周期内围岩应力变化较稳定。8409 切巷采取锚杆索控制技术一次成巷后，改善了支护质量，提高了工作效率，满足了切眼服务工作面的技术要求。

图3 8409 切巷控制效果监测

4 结论

8409 工作面大断面复杂围岩切巷跨度大，围岩性质复杂，地应力水平高，顶板主要以弯曲下沉为主，帮部主要产生剪切破坏。根据这种破坏特点，确定8409 切巷采取锚杆索联合支护控制围岩的方式。工程实践结果表明，切巷两帮移近量稳定在130 mm，顶底板移近量稳定在250 mm，顶板岩层的离层趋势均在可控范围内，支护质量大幅改善，围岩控制效果能够满足8409 工作面生产要求。