近距離煤層采空區下大斷面切眼支護技術應用

盧 劍

（山西河曲晉神磁窯溝煤業有限公司，山西 忻州 036599）

近距離煤層聯合布置，能夠有效利用現有生產系統，減少開采前期的生產投入，且開采生產集中，生產效率高，近年來在工程實踐中應用廣泛。由于煤層間距較近，切眼掘進過程中，巷道斷面跨度大、圍巖穩定性差、頂板強度低，上下煤層礦山壓力顯現明顯，導致下部煤層頂板極易冒落，這對采空區下大斷面切眼掘進帶來極大的困難，進而嚴重影響切眼的掘進安全。

根據礦井的生產接續計劃，磁窯溝煤礦10-2#煤層回采即將結束，需要開采11#煤層，而10-2#煤層與11#煤層層間距平均5.47 m，上層的采空區還未穩定、頂板強度低，給11#煤層切眼大斷面掘進頂板管控帶來極大困難。因此，研究近距離煤層大斷面巷道掘進支護，對于保證掘進施工安全具有重大的意義。

1 礦井概括及煤層特征

磁窯溝煤礦井田面積為10.6227 km2，批準開采煤層為10-1#、10-2#、11#、13#煤層，礦井生產能力為2.4 Mt/a。礦井劃分為兩個水平，一水平運輸大巷布置在10-2#煤層中， 聯合開采10-1#、10-2#、11#煤層，標高+924 m；二水平開采13#煤層。現生產水平為一水平。

根據ZK18、ZK23、HZK6-1鉆孔資料和礦內現場鉆探驗證結果分析：二盤區11#煤層區域煤厚為3～5.5 m，平均煤厚約4.25 m，上下兩層煤間距平均5.47 m，煤層結構簡單，層位較穩定。煤層的頂底板特征如下：

偽頂：煤、炭質泥巖、泥巖工作面上部發育。

直接頂：厚度為5.50 m左右的的泥巖夾煤線、炭質泥巖夾煤線，泥巖裂隙發育，砂泥質膠結，易冒落。直接頂上部位為10-2#煤層采空區，10-2#煤層上部的砂巖隨工作面采空后垮落。

直接底：厚度為0.45 m左右泥巖，黑色、致密，塊狀夾薄煤。

老底：厚度為5.50～22.07 m的砂質泥巖，粗粒、中粒、細粒、粉砂巖，白色、灰白色、灰色，成份以石英為主，次為長石及巖屑，見少量暗色礦物及綠泥石，局部含長石細礫，顆粒棱角狀、次棱角狀，分選較差，泥質膠結，致密堅硬中等，局部巖石軟且易碎，發育斜層理，與底板煤層呈沖刷接觸。

2 切眼布置及掘進工藝

2.1 切眼布置

11101切眼布置前，經地質部門對該區域的地質情況進行預測，有效避開大斷層和構造，確保巷道開口位置合理。切眼的設計寬度參考綜采工作面配套設備、安裝尺寸，保證滿足設備安裝要求，故設計寬度為7.8 m。同時考慮到設備運輸及調車，在切眼內設計兩個11 m長的調車硐室，兩順槽掘進到位后再延長11 m兼作調車硐室，抹角為3 m×3 m，見圖1。

圖1 11101切眼平面布置

2.2 掘進工藝

11101切眼掘進配套了12CM15-10D型連續采煤機、10SC32-48B型梭車、GP460/150型給料破碎機進行掘進。頂錨桿、錨索采用CMM2-24型全液壓錨桿錨索鉆車支護，幫部錨桿采用風動鉆機支護。巷道掘進分兩次巷道成型，先掘負幫側，寬度為4.5 m，向前掘進30 m后退機刷幫，二次成巷，完成頂部錨網索支護后再沿巷道中心線支護1排單體，2 m支護1根單體。當30 m刷幫完成、單體支護到位后，繼續向前掘進下一個大循環。

3 11101切眼支護設計

3.1 支護設計

（1） 頂板支護

11101切眼頂板錨桿設計采用型號為Φ20 mm×2.2 m的鋼筋錨桿，配套CK2360型樹脂1支，間排距為800 m×1000 m，每排布置10根；錨索設計規格為Φ17.8 mm×5000 mm，配套CK2360型樹脂2支，錨索間排距設計為1.5 m×2.5 m，每排5根；W形鋼帶配合錨索布置，鋼帶規格設計為0.23 m×3.6 m每條布置3孔，先掘4.5 m側頂板支護2根錨索，二次刷幫時兩條鋼帶搭接支護3根錨索，見圖2。

（2） 幫部支護

正幫錨桿設計采用型號為Φ22 mm×2000 mm的玻璃鋼錨桿，配套CK2360型樹脂1支，間排距為1000 mm×1600 mm，每排3根；負幫錨桿為鋼筋錨桿，型號為Φ18 mm×2000 m，配套CK2360型樹脂1支，間排距為1000 mm×1600 mm。

圖2 11101切眼巷道支護斷面

（3）單體液壓支柱

當切眼二次刷幫結束、錨索支護完成后，沿巷道中心線設置一排單體液壓支柱，排距為2 m。礦用單體液壓支柱型號為DW45-250/110x，單體液壓支柱單體工作阻力不得小于23 MPa，且施工完后采用防倒繩連接頂網，保證安全。

3.2 支護參數驗算

（1）切眼錨桿校核

利用普氏公式計算切眼煤幫破碎深度和冒落拱最大高度。

巷道幫部破碎深度：

冒落拱最大高度：b=［B/2+c］/f頂

式中：c為工作面切眼幫部破碎深度，m；b為工作面切眼冒落拱的最大垮落高度，m；B、H為工作面切眼的寬和高，B=7800mm，H=3700mm；ω為fc反算煤體似內摩擦角，ω=arctan （fc），fc為煤層普氏系數， 取2，則ω=arctan（2）=63.43°；f頂為頂部泥巖普氏系數，取3；c=3700×tan(45°-63.43°/2)=873.62 mm，b=［7800/2＋873.62］/3=1591.21 mm。

利用煤幫破碎深度和冒落拱高度計算巷頂板載荷集度WS。

式中：WS為切眼巷道頂板的載荷集度，kN/m；b為冒落拱最大高度，1.59 m；γ為懸吊巖體平均容重，取21 kN/m3；B為巷道掘進寬度，7.8 m；頂錨桿懸吊頂板，達到支護條件需應滿足：

式中：L為錨桿總長，mm；L1為錨桿外露長度 （頂網厚+托盤厚+螺母厚+20～50 mm，取50 mm；L2為有效長度 （工作面切眼冒落拱最大高度b），mm；L3為錨入巖體深度，頂錨桿取值350 mm。則：

頂錨桿長L頂（2200 mm）≥L=50+1591.21+350=1991.21mm。

據上式計算得出：選取長度為2200 mm的頂錨桿，滿足要求。

（2）切眼錨索校核

錨索支護計算巷頂板載荷集度WS，考慮到安全因素，巷道按最嚴重錨桿冒落高度計算。

式中：WS為切眼頂板的載荷集度，kN/m；b為工作面切眼最嚴重的冒落高度，2.2 m；γ為巖體被懸吊的平均容重取值21 kN/m3；B為巷道掘進寬度，7.8 m。

根據經驗初步確定錨索的直徑為17.8 mm，長度為5.0 m，確定其長度和位置時主要應考慮載荷高度和穩定巖層的賦存，根據冒落拱高度計算載荷高度：

式中：Lm為錨索總長，m；La為錨索深入切眼頂板穩定巖層的錨固長度，m；Lb為切眼頂板需懸吊非穩定巖層（切眼頂部最大冒落高度），取2.2 m；Lc為托盤和鎖具總厚度，取0.2 m；Ld為需外露的張拉長度，取0.35 m（按GB J86-1985要求）。

按下式確定錨索錨固長度La：

式中：k為安全系數，一般取2～2.5，取2.5 ；D1為七芯鋼絞線錨索直徑，取17.8mm；f1為七芯鋼絞線錨索抗拉強度，取1860 N/mm2；f2為錨固劑與七芯錨索的粘合強度，取10 N/mm2。

4 11101切眼布置實際效果

圖3 錨網索+鋼帶支護現場實拍

11101切眼大斷面巷道掘進，特別是上部采空區垮落時間不長、頂板不穩定，上下兩層層間距較小的情況下，支護方式采用錨網索，經過嚴格的理論驗算，結合現場施工經驗，實踐驗證確定其可靠性（見圖3）。施工工藝上采取二次成巷的方式，有效的緩解了頂板壓力。掘進完成一個循環后采用單體補強支護，增加支護的可靠性，最終安全順利的完成了11101大斷面切眼的掘進。

5 結語

磁窯溝煤礦采空區下近距離煤層大斷面巷道掘進，受到頂板的嚴重威脅，施工前期，結合現場條件研究巷道支護設計參數，調整掘進工藝，最終實現了11101切眼大斷面巷道安全掘進，為類似條件大斷面巷道掘進提供了借鑒。