大采高工作面切眼安全穩定研究

摘 要：眾所周知，大采高工作面切眼跨距較大，影響其安全穩定的因素較多，不僅受工作面埋深影響，并且受切眼巷道支護參數和跨距大小的影響。文章以工程實踐為契機，建立了切眼跨距力學模型，推算出極限跨距計算公式，并結合實際工程條件，選擇合理支護參數，保證了切眼巷道的安全穩定。

關鍵詞：大斷面；安全跨距；力學模型

前言

工作面開切眼是工作面回采開始準備的場所，回采設備的安裝、準備需要在此空間內進行，因不同的回采工藝，需要的回采設備的不同，也就決定開切眼的斷面大小不同[1-2]。開切眼斷面過小，回采設備安裝不了，不能順利進行生產，開切眼斷面過大，巷道支護困難，故開切眼合理跨距選擇以及巷道支護參數直接影響煤礦安全高效生產[3-4]。

1 工程概況

河南某礦主采二1煤，煤層平均厚度6.3m，煤層傾角平均8°，屬于大采高近水平煤層，煤層回采采用走向長壁一次采全高綜合機械化采煤法；偽頂主要為泥巖、炭質泥巖，厚度不超過0.5m，僅零星分布；直接頂板厚度一般1～6.5m，以泥巖頂板為主。老頂多為厚度0.94～19.85m、平均7.46m的粗、中、細粒砂巖（大占砂巖）。底板以泥巖、砂質泥巖為主，厚度9.1～17.27m，平均12.84m。工作面屬于大采高綜采，切眼需要的設備體積較大，一般跨度需要9m左右，局部跨度需要10m左右，大斷面切眼巷道安全穩定問題亟需解決。

2 切眼巷道穩定性影響因素分析

大采高工作面巷道圍巖穩定性受多種因素影響，切眼作為巷道比較特殊的一種，斷面一般較大，其穩定性受到影響的因素更加復雜，并且可能因地、因時、因工藝不同而變化[5-6]相互交叉影響，故在確定切眼巷道合理跨距以及支護參數之前，有必要先分析一下影響切眼巷道的影響因素。

（1）巷道斷面。巷道圍巖由于采出空間圍巖應力重新分布發生變形，不僅頂板發生下沉，兩幫以及底板也會發生不同程度的變形。一般而言，采出空間越大，頂底板以及兩幫變形越嚴重，主要是因為采動空間越大，人工擾動深度越深，圍巖裂隙及破碎范圍越大，圍巖完整性被破壞的越嚴重，圍巖本身的強度和自穩能力越弱，故圍巖變形量越大。若是巷道橫向空間越大，頂底板變形率較兩幫變形率大，若是巷道縱向空間越大，巷道兩幫較頂底板變形率大。

（2）巷道的支護方式及支護參數。巷道支護旨在促進巷道圍巖的完整性和增加圍巖抵抗強度，巷道支護方式以及參數的選擇是直接影響巷道圍巖安全穩定的關鍵因素，但支護方式和支護參數選擇不合理，會造成一系列問題，如支護強度過大，造成支護成本過高，資源浪費，經濟不合算，若支護強度過低，支護失效，巷道圍巖變形量過大，生產受到嚴重影響，故巷道支護方式及支護參數選擇尤為重要。

（3）地質因素。在一定程度上，地質因素是決定巷道圍巖穩定的比較關鍵的因素。不同的地質條件存在不同圍巖性質，即圍巖中存在不同的軟弱結構面（即節理）和其間的充填物，以及它們本身的空間分布狀態，包括結構面的組數、間距及巖體單位體積中的節理數。

（4）巷道的埋藏深度。巷道埋深也是決定巷道圍巖穩定性的因素之一。巷道不同的埋深決定了巷道不同的圍巖應力，而圍巖應力是影響巷道圍巖變形的直接因素，巷道埋深越大，巷道圍巖應力越大，致使巷道圍巖變形越大。

3 切眼巷道跨距計算力學模型

切眼巷道穩定跨距可用材料力學的方法求得。切眼巷道掘進支護完成后，形成了一個新的結構空間，由于工作面切眼上部受力基本相當，可假設切眼巷道軸向上受力相同，截取切眼巷道截面建立模型。單層巖層的穩定跨距可以用材料力學方法求得，可簡化成兩端固支梁和兩端簡支梁模型進行分析，圖1和圖2為受力模型。

兩端分別為固支和簡支時，根據最大正應力和最大剪應力分別達到該處的極限強度時，可分別得到極限跨距：

4 切眼合理跨距設計及支護參數

通過建立力學模型進行理論計算以及設備安裝要求等現場實際情況，確定切眼巷道的合理跨距以及支護參數。以工作面11050工作面為工程實踐背景，確定該工作面切眼斷面為矩形，切眼巷道分兩次開掘，第一次小斷面掘進，第二次擴刷斷面至設計斷面。具體操作如下：第一次掘進跨距為4800mm，采用錨網（索）+槽鋼梁+W型鋼帶+鋼筋梯聯合支護，第二次擴刷至9200mm，切眼高度為4620mm采用超長錨桿+錨索+金屬網+槽鋼梁+W型鋼帶+鋼筋梯聯合支護。由于工作面設備形狀原因，工作面不同地段（如刮板輸送機機頭段、正常段和刮板輸送機機尾段）斷面不同，根據實際情況酌情調整斷面。在11050工作面實施后，現場應用效果良好，滿足了正常安全的生產需要。

5 結束語

針對大采高工作面切眼安全穩定性問題，分析了影響其穩定的影響因素，即切眼巷道斷面大小、支護參數、地質因素以及埋深，建立切眼跨距力學模型并計算得到合理跨距，以11050工作面為實踐背景進行應用，取得了良好效果，為類似工作面切眼跨距的設計及支護提供了借鑒經驗。

參考文獻

[1]錢鳴高，等.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2010.

[2]王二飛，崔石磊.三軟傾斜厚煤層放頂煤工作面切眼支護技術[J].中州煤炭，2012，204

[3]董海蟬，等.錨網索耦合支護技術在南屯煤礦綜放切眼支護中的應用[J].建井技術，2003，24（1）：4-8.

[4]鄧聚龍.灰色預測與決策[M].武漢：華中理工大學出版社，1986.

[5]李先煒.巖體力學性質[M].北京：煤炭工業出版社，1990.

[6]賈喜榮，劉國利，徐林生.采場礦壓計算分析方法[J].煤炭學報，1993（5）.

作者簡介：謝暉（1987-），男，2013年畢業于河南理工大學，碩士研究生，長期從事煤礦安全監管工作。