一、項目背景

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，降低了頂板強度，給開切眼圍巖支護帶來了較大影響。

2.目前該煤礦開切眼支護依然采用單體液壓支柱被動支護的形式。開切眼的長期維護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度，也增加了支護成本。

3.該煤礦工作面開切眼巷道斷面為矩形，主要支護方式為錨網(wǎng)索+單體液壓支柱支護。當(dāng)前的支護形式及具體支護參數(shù)是否適應(yīng)巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)環(huán)境，能否長久安全維護巷道安全，需要通過巷道礦壓監(jiān)測進行綜合判斷，以便為巷道支護優(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設(shè)計迫切需要進行優(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，采用錨網(wǎng)梁索等主動支護方式開展可行性研究。以此實現(xiàn)降低支護成本、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及支護效果評價方面開展研究，具體研究內(nèi)容如下：

1.通過文獻檢索，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的研究現(xiàn)狀，為該煤礦開切眼具體維護工程實踐提供工程類比依據(jù)，確定該礦大斷面開切眼支護的切入點和具體方向。

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設(shè)計、支護材料的規(guī)格型號、現(xiàn)場支護效果進行調(diào)研，收集分析具體的生產(chǎn)地質(zhì)資料，為項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方案，確定具體支護形式和關(guān)鍵支護參數(shù)，明確錨網(wǎng)梁索等支護結(jié)構(gòu)體的具體規(guī)格型號，評價采用錨索等主動支護方式代替單體支柱被動支護方案可行性。

9.設(shè)計開切眼頂板圍巖變形破壞的現(xiàn)場實測方案，確定試驗段窺視鉆孔的位置、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優(yōu)化設(shè)計研究項目，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、頂板支護優(yōu)化方案可行性分析進行研究，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)?，F(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；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.運用理論分析，對213工作面支護方案進行了適應(yīng)性分析，通過對213工作面開切眼支護方案及其參數(shù)、支護強度、支護優(yōu)化方案（不取消單體）、支護優(yōu)化方案（取消單體）進行計算分析，得出了213工作面在取消單體情況下的支護優(yōu)化方案并進行了經(jīng)濟性比較。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的表面位移進行了現(xiàn)場監(jiān)測，結(jié)果表明支護方案對圍巖的控制效果良好。

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