綜采工作面大斷面切眼支護(hù)技術(shù)研究與實(shí)踐

耿文濤

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦，山西 太原 030200）

綜采工作面切眼尺寸的設(shè)計(jì)必須滿足設(shè)備安裝需求，而切眼尺寸和切眼的施工方法又決定了支護(hù)形式的選擇。對于現(xiàn)場施工和后期安裝設(shè)備而言，切眼的跨度越大，支護(hù)難度越大，對于支護(hù)方式的及時(shí)性、有效性和時(shí)效性要求越高[1-5]。西曲礦切眼多采用先導(dǎo)硐掘進(jìn)后刷幫掘進(jìn)的形式施工，即先施工一定斷面的切眼并進(jìn)行支護(hù)，而后采用刷幫得到設(shè)計(jì)尺寸，支護(hù)方式多選擇架11#礦工鋼梯形棚。梯形棚屬于被動(dòng)式支護(hù)，其優(yōu)點(diǎn)是抗壓強(qiáng)度大，可回收復(fù)用，缺點(diǎn)是施工繁瑣，掘進(jìn)速度慢，回撤棚子速度慢，影響掘進(jìn)和安裝。隨著西曲礦大型綜采設(shè)備的應(yīng)用，工作面切眼寬度已達(dá)到7m以上，大跨度切眼對于支護(hù)方法和支護(hù)效果的要求也越來越高。考慮到西曲礦采掘接替問題，鑒于錨網(wǎng)支護(hù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，決定在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際在18502工作面大斷面切眼實(shí)施錨網(wǎng)支護(hù)實(shí)踐研究。

1 概況

18502工作面所采煤層為8#煤層，煤層厚3.2～4.5m，平均4.0m，煤層傾角2°～7.5°，平均為4.1°，屬于穩(wěn)定可采厚煤層。工作面頂板偽頂為均厚0.4m的炭質(zhì)泥巖，裂隙發(fā)育；直接頂為均厚2.8m的石灰?guī)r，致密堅(jiān)硬，局部受構(gòu)造影響較破碎；基本頂為均厚4.2m的中粗粒砂巖；底板為均厚3.5m的泥巖-細(xì)粒砂巖。由巖石物理試驗(yàn)可知，頂板石灰?guī)r抗壓強(qiáng)度為102.7MPa，抗拉強(qiáng)度為13.5MPa，軟化系數(shù)為1.4，硬度f=10.6；底板砂巖抗壓強(qiáng)度為55.9MPa，抗拉強(qiáng)度為10.9MPa，軟化系數(shù)為0.6，硬度f=5.7。18502工作面切眼設(shè)計(jì)規(guī)格（長×寬×高）為143×7×3.5m，工作面切眼先導(dǎo)硐掘進(jìn)規(guī)格（長×寬×高）為143×4.5×3.5m的切巷，然后在煤壁側(cè)刷出寬2.5m的切巷。為了提高切眼的施工速度，減少后期安裝作業(yè)工序，決定在18502切眼實(shí)施錨網(wǎng)支護(hù)。

2 切眼導(dǎo)硐掘進(jìn)支護(hù)方案的確定

2.1 頂板支護(hù)方案的確定

根據(jù)錨桿懸吊理論，計(jì)算錨桿長度L：

式中：

H-冒落拱高度，m；

K-安全系數(shù)，一般取2；

L1-錨桿錨固長度，取0.4m；

L2-錨桿外露長度，取0.04m。

冒落拱高度H=0.5B/f（B-巷道寬度，4.5m；f-巖石堅(jiān)固性系數(shù)，3.5）=0.64，計(jì)算可得L=1.73m。考慮到頂板的復(fù)雜多變，同時(shí)鑒于以往巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，確定錨桿長度L=1.8m。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（2）對錨桿間排距C進(jìn)行確定：

式中：

C-錨桿間排距，mm；

Q-錨桿錨固力，取50kN；

γ-上覆巖層容重，25kN/m3。

將相關(guān)參數(shù)帶入公式（2），計(jì)算可得C=1.25m。考慮到西曲礦回采巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，取C=1.2m，即確定錨桿間排距為1200×1200mm。

考慮到工作面實(shí)際，確定選用規(guī)格為Ф20×1800mm的高強(qiáng)無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為1200×1200mm，每根錨桿采用2卷Z2335型樹脂藥卷進(jìn)行錨固，錨桿錨固力不低于50kN，錨桿配套托盤為碟形鋼托盤，頂網(wǎng)采用網(wǎng)孔為50×50mm的金屬菱形網(wǎng)。當(dāng)切眼頂板條件較差，易出現(xiàn)頂板冒漏時(shí)，沿傾向方向架設(shè)11#礦工鋼配合液壓單體柱進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

2.2 兩幫支護(hù)方案的確定

根據(jù)西曲礦回采巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮到18502工作面實(shí)際，采用工程類比法，確定幫錨桿選用規(guī)格為Ф20×1800mm玻璃鋼錨桿，錨桿間排距為1000×1200mm，每根錨桿采用2卷Z2335型樹脂藥卷進(jìn)行錨固，錨桿錨固力不低于50kN，錨盤采用碟形鋼托盤，幫網(wǎng)選用網(wǎng)孔為50×50mm的塑料網(wǎng)。18502工作面切眼導(dǎo)硐掘進(jìn)支護(hù)參數(shù)如圖1所示。

圖1 18502工作面切眼導(dǎo)硐掘進(jìn)支護(hù)參數(shù)

3 切眼刷幫掘進(jìn)支護(hù)方案的確定

18502工作面切眼先期進(jìn)行導(dǎo)硐掘進(jìn)造成切眼圍巖應(yīng)力重新分布，且因松動(dòng)圈的存在，導(dǎo)硐掘進(jìn)形成的切眼巷道周圍巖體破碎，破碎巖體向巖體深部一定范圍形成塑性區(qū)，塑性區(qū)的存在造成巷道頂板和兩幫產(chǎn)生塑性破壞，其表現(xiàn)形式即是巷道變形收斂。在切眼刷幫掘進(jìn)的過程中，原導(dǎo)硐掘進(jìn)形成的巷道會(huì)發(fā)生二次擾動(dòng)破壞；同時(shí)，因?qū)ы暇蜻M(jìn)對刷幫掘進(jìn)造成不利影響，原支護(hù)方案難以有效對刷幫掘進(jìn)形成的巷道進(jìn)行支護(hù)，故對刷幫掘進(jìn)支護(hù)的要求更高。為了掌握不同錨桿參數(shù)支護(hù)條件下的巷道支護(hù)效果，特對不同錨桿間排距條件下巷道圍巖變形情況進(jìn)行試驗(yàn)和分析，最終確定刷幫掘進(jìn)頂錨桿間排距為900×1200mm，幫錨桿間排距為1000×1200mm，頂錨桿和幫錨桿分別選用高強(qiáng)無縱筋螺紋鋼錨桿和玻璃鋼錨桿，錨盤配套使用，每根錨桿采用2卷Z2335型樹脂藥卷進(jìn)行錨固，頂錨桿和幫錨桿錨固力均不低于50kN。為了提高刷幫掘進(jìn)巷道支護(hù)效果，沿傾向方向采用11#礦工鋼配液壓單體柱架設(shè)托棚。當(dāng)巷道頂板較差，易出現(xiàn)頂板冒漏時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況改架11#礦工鋼梯形棚支護(hù)。如圖2所示。

圖2 18502工作面刷幫掘進(jìn)后大斷面切眼支護(hù)

4 支護(hù)效果

18502綜采工作面切眼服務(wù)時(shí)間短，斷面尺寸較大，斷面收斂后能夠滿足設(shè)備安裝即可。采用“十字交叉法”對切眼收斂變形和頂板離層等進(jìn)行觀測，觀測時(shí)間以刷幫掘進(jìn)開始至支架安裝前結(jié)束。觀測方案：在切眼內(nèi)共布置3個(gè)測點(diǎn)，同時(shí)在切眼掘進(jìn)結(jié)束、設(shè)備安裝前，在測點(diǎn)對應(yīng)處的頂板上方布置10m深的觀測孔，觀測結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可知：18502工作面切眼兩幫累計(jì)收斂量為72mm，頂板下沉量累計(jì)為24mm，不足設(shè)計(jì)斷面尺寸的1%，切眼表面位移量在可控范圍內(nèi)，可滿足綜采設(shè)備安裝；頂板離層總量約為11.9mm，其中頂板上方淺部離層約7.4mm，深部離層約4mm，以頂板上方巖層淺部離層為主，占了總離層量的65%。由此可知，通過錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化，18502工作面切眼圍巖收斂變形和頂板離層得到了明顯控制，支護(hù)效果較好，能夠滿足生產(chǎn)需求。

圖3 18502工作面切眼表面位移變化

5 結(jié)語

通過理論計(jì)算，結(jié)合礦井支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，在18502工作面大斷面切眼支護(hù)時(shí)采用錨網(wǎng)支護(hù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的架設(shè)梯形棚支護(hù)，有效控制了切眼圍巖收斂變形和頂板離層，為實(shí)現(xiàn)綜采設(shè)備快速安裝提供了有利條件。18502工作面大斷面切眼錨網(wǎng)支護(hù)的成功應(yīng)用，也為類似工作面切眼支護(hù)提供了指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)。

圖4 18502工作面切眼頂板離層監(jiān)測