一、項(xiàng)目背景
某煤礦2-2煤的可采厚度平均為4.89 m，埋深平均為162.27 m，屬于典型的淺埋深厚煤層開采。目前該煤礦大斷面開切眼圍巖控制主要存在以下三個問題。
1.井下新開切眼較多，切切眼放置時間較長。頂板上部覆巖的巖性主要為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，其中偽頂和直接頂?shù)膸r質(zhì)較為松軟，遇水易軟化，間接降低了頂板整體穩(wěn)定性。同時，目前的水壓致裂措施直接破壞了頂板完整性，降低了頂板強(qiáng)度，給開切眼圍巖支護(hù)帶來了較大影響。
2.目前該煤礦開切眼支護(hù)依然采用單體液壓支柱被動支護(hù)的形式。開切眼的長期維護(hù)需要占用大量的單體液壓支柱等物資，不僅加大了工人勞動強(qiáng)度，也增加了支護(hù)成本。
3.該煤礦工作面開切眼巷道斷面為矩形，主要支護(hù)方式為錨網(wǎng)索+單體液壓支柱支護(hù)。當(dāng)前的支護(hù)形式及具體支護(hù)參數(shù)是否適應(yīng)巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)環(huán)境，能否長久安全維護(hù)巷道安全，需要通過巷道礦壓監(jiān)測進(jìn)行綜合判斷，以便為巷道支護(hù)優(yōu)化提供可靠性依據(jù)。
因此，該礦淺埋深厚砂層大斷面開切眼支護(hù)設(shè)計迫切需要進(jìn)行優(yōu)化。亟需基于該煤礦具體的生產(chǎn)地質(zhì)條件，對淺埋深厚砂層厚煤層大斷面開切眼取消被動單體支護(hù)，采用錨網(wǎng)梁索等主動支護(hù)方式開展可行性研究。以此實(shí)現(xiàn)降低支護(hù)成本、工作面安全高效生產(chǎn)的目標(biāo)，對該煤礦提效升能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
二、應(yīng)用效果
針對該煤礦2-2煤層具體的生產(chǎn)地質(zhì)條件，從采動應(yīng)力時空孕育規(guī)律（“內(nèi)、外應(yīng)力場”）、開切眼合理布置位置及布置方式、厚砂層淺埋深厚煤層大斷面開切眼支護(hù)及支護(hù)效果評價方面開展研究，具體研究內(nèi)容如下：
1.通過文獻(xiàn)檢索，調(diào)研國內(nèi)外關(guān)于淺埋深厚砂層厚煤層大斷面開切眼布置及支護(hù)的研究現(xiàn)狀，為該煤礦開切眼具體維護(hù)工程實(shí)踐提供工程類比依據(jù)，確定該礦大斷面開切眼支護(hù)的切入點(diǎn)和具體方向。
2.現(xiàn)場對該煤礦2-2煤的煤（巖）層賦存特征、水文地質(zhì)構(gòu)造情況、巷道具體部署及支護(hù)設(shè)計、支護(hù)材料的規(guī)格型號、現(xiàn)場支護(hù)效果進(jìn)行調(diào)研，收集分析具體的生產(chǎn)地質(zhì)資料，為項(xiàng)目開展奠定前期工作基礎(chǔ)。
3.現(xiàn)場開展采動應(yīng)力監(jiān)測工作，制定科學(xué)合理的鉆孔應(yīng)力計布置方案，探究2-2煤開切眼布置過程以及工作面初期回采階段時的頂板、兩幫采動應(yīng)力（內(nèi)、外應(yīng)力場，應(yīng)力拱等）孕育規(guī)律，為開切眼位置合理布置提供支撐。
4.通過現(xiàn)場勘察和數(shù)值模擬，分析當(dāng)前錨網(wǎng)梁索等支護(hù)結(jié)構(gòu)體的破損情況，詳查目前開切眼布置情況下的頂板下沉及離層錯動等頂板破壞行為。同時結(jié)合采動應(yīng)力分布規(guī)律，針對性提出合理的開切眼布置方案。
5.綜合運(yùn)用鉆孔窺視、頂板取芯及頂板應(yīng)力監(jiān)測等多種手段，對不同水力壓裂條件下的頂板裂隙發(fā)育及貫通情況進(jìn)行分析，評價頂板水力壓裂效果，研究開切眼頂板裂斷拱具體范圍。
6.基于頂板水力壓裂評價效果，同時結(jié)合相關(guān)數(shù)值模擬手段，提出不同水力壓裂參數(shù)下的方案，據(jù)此研究得出合理的水力壓裂參數(shù)。
7.基于明晰采動應(yīng)力場（內(nèi)、外應(yīng)力場）分布規(guī)律、開切眼頂板破壞規(guī)律、錨網(wǎng)梁索破壞顯現(xiàn)的基礎(chǔ)之上，科學(xué)評價開切眼現(xiàn)有支護(hù)方案的合理性及適應(yīng)性。從工程地質(zhì)及采動力學(xué)等視角深入闡明開切眼頂板破壞機(jī)制，明確開切眼圍巖科學(xué)化控制原理和方向。
8.依據(jù)開切眼頂板圍巖態(tài)勢，科學(xué)制定開切眼頂板支護(hù)方案，確定具體支護(hù)形式和關(guān)鍵支護(hù)參數(shù)，明確錨網(wǎng)梁索等支護(hù)結(jié)構(gòu)體的具體規(guī)格型號，評價采用錨索等主動支護(hù)方式代替單體支柱被動支護(hù)方案可行性。
9.設(shè)計開切眼頂板圍巖變形破壞的現(xiàn)場實(shí)測方案，確定試驗(yàn)段窺視鉆孔的位置、角度、數(shù)量、間距及探測深度等參數(shù)，使之能合理反映切頂成巷及留巷的圍巖裂縫發(fā)育情況。統(tǒng)計分析頂板不同深度的窺視影像，評價開切眼頂板圍巖變形破壞情況以及支護(hù)方案的合理性。
10.歸納總結(jié)該煤礦2-2煤層開切眼采動應(yīng)力孕育規(guī)律、水力壓裂條件下開切眼頂板圍巖破壞規(guī)律、厚砂層淺埋深厚煤層大斷面開切眼支護(hù)方案等具體成果。
三、研究結(jié)論
通過開展淺埋深厚煤層大斷面開切眼支護(hù)優(yōu)化設(shè)計研究項(xiàng)目，針對該礦213工作面開切眼采動應(yīng)力孕育規(guī)律、頂板水力壓裂下穩(wěn)定性判別、頂板破壞規(guī)律及評價、頂板支護(hù)優(yōu)化方案可行性分析進(jìn)行研究，取得了以下研究成果：
1.以該礦213工作面為理論計算模型，運(yùn)用礦山壓力與巖層控制理論、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等知識，建立了213工作面采動結(jié)構(gòu)力學(xué)模型、明晰了其結(jié)構(gòu)運(yùn)動特征；建立了213工作面宏觀結(jié)構(gòu)力學(xué)模型、研究了其演化發(fā)展規(guī)律；建立了213工作面應(yīng)力拱模型、明晰了應(yīng)力拱力學(xué)特征及其演化發(fā)展規(guī)律。
2.以213工作面為數(shù)值計算模型，通過UDEC離散元數(shù)值模擬分析了213工作面的應(yīng)力拱與裂斷拱孕育規(guī)律，明晰了采動過程中的應(yīng)力拱與裂斷拱發(fā)育高度與跨度的演化特征。
3.開展了213工作面開切眼頂板水力壓裂下的穩(wěn)定性判別，明晰了開切眼頂板水力壓裂的具體施工工藝和施工參數(shù)。現(xiàn)場采用鉆孔窺視手段，分析了213工作面開切眼頂板水力壓裂前后的穩(wěn)定性，結(jié)果表明水力壓裂前213工作面開切眼頂板完整性好、自穩(wěn)能力強(qiáng)；水力壓裂后，213工作面開切眼頂板雖然發(fā)育了些許離層與裂隙，但總體穩(wěn)定性依然較好，為開切眼長期維護(hù)提供了有利條件。
4.對現(xiàn)場安裝了頂板離層儀、錨桿索測力計對頂板離層、錨桿索受載情況進(jìn)行分析。結(jié)果表明，水力壓裂前的頂板離層量很小，其中深部離層最大值為4 mm，淺部離層最大值為8 mm；水力壓裂后的深部離層最大值為4 mm，淺部離層最大值為9 mm。水力壓裂后的錨桿受力最大值為14 kN，水力壓裂后監(jiān)測得到的錨桿受力最大值為17 kN，錨索受力最大值為36 kN，說明錨索在頂板水力壓裂后沒有發(fā)生破斷的情況。
5.運(yùn)用理論分析，對213工作面支護(hù)方案進(jìn)行了適應(yīng)性分析，通過對213工作面開切眼支護(hù)方案及其參數(shù)、支護(hù)強(qiáng)度、支護(hù)優(yōu)化方案（不取消單體）、支護(hù)優(yōu)化方案（取消單體）進(jìn)行計算分析，得出了213工作面在取消單體情況下的支護(hù)優(yōu)化方案并進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性比較。結(jié)果表明取消單體，采用優(yōu)化方案可滿足213工作面開切眼頂板控制的需要。
6.建立213工作面開切眼大跨度支護(hù)的“共因失效”計算模型，分析了開切眼大跨度和錨固失效的相關(guān)理論。運(yùn)用UDEC數(shù)值模擬分析了103工作面采動對213工作面開切眼頂板的擾動影響，得出103工作面推進(jìn)0～150 m范圍內(nèi)時，其采動影響對213工作面開切眼的影響較大。對213工作面開切眼頂板支護(hù)的表面位移進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，結(jié)果表明支護(hù)方案對圍巖的控制效果良好。
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