一、项目背景
某煤矿2-2煤的可采厚度平均为4.89 m，埋深平均为162.27 m，属于典型的浅埋深厚煤层开采。目前该煤矿大断面开切眼围岩控制主要存在以下三个问题。
1.井下新开切眼较多，切切眼放置时间较长。顶板上部覆岩的岩性主要为泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，其中伪顶和直接顶的岩质较为松软，遇水易软化，间接降低了顶板整体稳定性。同时，目前的水压致裂措施直接破坏了顶板完整性，降低了顶板强度，给开切眼围岩支护带来了较大影响。
2.目前该煤矿开切眼支护依然采用单体液压支柱被动支护的形式。开切眼的长期维护需要占用大量的单体液压支柱等物资，不仅加大了工人劳动强度，也增加了支护成本。
3.该煤矿工作面开切眼巷道断面为矩形，主要支护方式为锚网索+单体液压支柱支护。当前的支护形式及具体支护参数是否适应巷道围岩地质力学环境，能否长久安全维护巷道安全，需要通过巷道矿压监测进行综合判断，以便为巷道支护优化提供可靠性依据。
因此，该矿浅埋深厚砂层大断面开切眼支护设计迫切需要进行优化。亟需基于该煤矿具体的生产地质条件，对浅埋深厚砂层厚煤层大断面开切眼取消被动单体支护，采用锚网梁索等主动支护方式开展可行性研究。以此实现降低支护成本、工作面安全高效生产的目标，对该煤矿提效升能具有重要的现实意义。
二、应用效果
针对该煤矿2-2煤层具体的生产地质条件，从采动应力时空孕育规律（“内、外应力场”）、开切眼合理布置位置及布置方式、厚砂层浅埋深厚煤层大断面开切眼支护及支护效果评价方面开展研究，具体研究内容如下：
1.通过文献检索，调研国内外关于浅埋深厚砂层厚煤层大断面开切眼布置及支护的研究现状，为该煤矿开切眼具体维护工程实践提供工程类比依据，确定该矿大断面开切眼支护的切入点和具体方向。
2.现场对该煤矿2-2煤的煤（岩）层赋存特征、水文地质构造情况、巷道具体部署及支护设计、支护材料的规格型号、现场支护效果进行调研，收集分析具体的生产地质资料，为项目开展奠定前期工作基础。
3.现场开展采动应力监测工作，制定科学合理的钻孔应力计布置方案，探究2-2煤开切眼布置过程以及工作面初期回采阶段时的顶板、两帮采动应力（内、外应力场，应力拱等）孕育规律，为开切眼位置合理布置提供支撑。
4.通过现场勘察和数值模拟，分析当前锚网梁索等支护结构体的破损情况，详查目前开切眼布置情况下的顶板下沉及离层错动等顶板破坏行为。同时结合采动应力分布规律，针对性提出合理的开切眼布置方案。
5.综合运用钻孔窥视、顶板取芯及顶板应力监测等多种手段，对不同水力压裂条件下的顶板裂隙发育及贯通情况进行分析，评价顶板水力压裂效果，研究开切眼顶板裂断拱具体范围。
6.基于顶板水力压裂评价效果，同时结合相关数值模拟手段，提出不同水力压裂参数下的方案，据此研究得出合理的水力压裂参数。
7.基于明晰采动应力场（内、外应力场）分布规律、开切眼顶板破坏规律、锚网梁索破坏显现的基础之上，科学评价开切眼现有支护方案的合理性及适应性。从工程地质及采动力学等视角深入阐明开切眼顶板破坏机制，明确开切眼围岩科学化控制原理和方向。
8.依据开切眼顶板围岩态势，科学制定开切眼顶板支护方案，确定具体支护形式和关键支护参数，明确锚网梁索等支护结构体的具体规格型号，评价采用锚索等主动支护方式代替单体支柱被动支护方案可行性。
9.设计开切眼顶板围岩变形破坏的现场实测方案，确定试验段窥视钻孔的位置、角度、数量、间距及探测深度等参数，使之能合理反映切顶成巷及留巷的围岩裂缝发育情况。统计分析顶板不同深度的窥视影像，评价开切眼顶板围岩变形破坏情况以及支护方案的合理性。
10.归纳总结该煤矿2-2煤层开切眼采动应力孕育规律、水力压裂条件下开切眼顶板围岩破坏规律、厚砂层浅埋深厚煤层大断面开切眼支护方案等具体成果。
三、研究结论
通过开展浅埋深厚煤层大断面开切眼支护优化设计研究项目，针对该矿213工作面开切眼采动应力孕育规律、顶板水力压裂下稳定性判别、顶板破坏规律及评价、顶板支护优化方案可行性分析进行研究，取得了以下研究成果：
1.以该矿213工作面为理论计算模型，运用矿山压力与岩层控制理论、材料力学和结构力学等知识，建立了213工作面采动结构力学模型、明晰了其结构运动特征；建立了213工作面宏观结构力学模型、研究了其演化发展规律；建立了213工作面应力拱模型、明晰了应力拱力学特征及其演化发展规律。
2.以213工作面为数值计算模型，通过UDEC离散元数值模拟分析了213工作面的应力拱与裂断拱孕育规律，明晰了采动过程中的应力拱与裂断拱发育高度与跨度的演化特征。
3.开展了213工作面开切眼顶板水力压裂下的稳定性判别，明晰了开切眼顶板水力压裂的具体施工工艺和施工参数。现场采用钻孔窥视手段，分析了213工作面开切眼顶板水力压裂前后的稳定性，结果表明水力压裂前213工作面开切眼顶板完整性好、自稳能力强；水力压裂后，213工作面开切眼顶板虽然发育了些许离层与裂隙，但总体稳定性依然较好，为开切眼长期维护提供了有利条件。
4.对现场安装了顶板离层仪、锚杆索测力计对顶板离层、锚杆索受载情况进行分析。结果表明，水力压裂前的顶板离层量很小，其中深部离层最大值为4 mm，浅部离层最大值为8 mm；水力压裂后的深部离层最大值为4 mm，浅部离层最大值为9 mm。水力压裂后的锚杆受力最大值为14 kN，水力压裂后监测得到的锚杆受力最大值为17 kN，锚索受力最大值为36 kN，说明锚索在顶板水力压裂后没有发生破断的情况。
5.运用理论分析，对213工作面支护方案进行了适应性分析，通过对213工作面开切眼支护方案及其参数、支护强度、支护优化方案（不取消单体）、支护优化方案（取消单体）进行计算分析，得出了213工作面在取消单体情况下的支护优化方案并进行了经济性比较。结果表明取消单体，采用优化方案可满足213工作面开切眼顶板控制的需要。
6.建立213工作面开切眼大跨度支护的“共因失效”计算模型，分析了开切眼大跨度和锚固失效的相关理论。运用UDEC数值模拟分析了103工作面采动对213工作面开切眼顶板的扰动影响，得出103工作面推进0～150 m范围内时，其采动影响对213工作面开切眼的影响较大。对213工作面开切眼顶板支护的表面位移进行了现场监测，结果表明支护方案对围岩的控制效果良好。
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