伊田煤業沿底留厚頂煤開切眼支護技術研究

靳會科

（山西潞安環保能源開發股份有限公司臨汾分公司，山西 臨汾 041204）

1 工程概況

伊田煤業2107 工作面井下標高1140～1150 m，工作面埋深170～320 m。2107 工作面開采9+10+11號煤層，含3～5 層夾矸，煤層厚5.85～7.85 m，煤層傾角0～14°。煤層頂板為0.43 m 泥巖和12.5 m K2石灰巖，底板為7.47 m 泥巖和5.47 m 砂質泥巖。2107 工作面切眼沿11 號煤層底板布置，矩形斷面?？碧劫Y料顯示，2107 切眼處存在DF18 斷層和DF63 斷層，落差均為0～3 m，斷層影響區域內可能存在頂板破碎、煤巖層結構紊亂等現象。

伊田煤業以往工作面順槽巷道和開切眼沿頂留底煤掘進，巷道頂板為K2 石灰巖，其強度高，完整性好，頂板管理難度小。但在工作面回采過程中由于采動壓力影響，順槽巷道極易出現大范圍底鼓現象，為掌握相關數據，在2107 工作面順槽巷道和開切眼施工時采用沿底留頂煤掘進試驗。巷道頂板留4 m 煤頂，煤頂強度低，且開切眼跨度大，圍巖控制難度加大，以往的支護難以滿足需要。

2 圍巖結構觀測

對2107 工作面切眼頂板進行鉆孔窺視[1-3]，掌握頂板巖層結構。窺視地點位于2107 工作面回風順槽，結果如圖1 所示。窺視結果顯示：11#煤工作面回采巷道頂板整體上呈現出下弱上強的規律；頂煤厚度3.3～4.2 m 左右，平均約3.96 m，煤層整體性較好，局部頂煤節理裂隙較發育，頂煤與上覆石灰巖接觸面處較為破碎，一般有微裂隙擴張；頂煤之上為石灰巖，石灰巖層厚度大于5 m，致密堅硬，整體性強，局部范圍節理裂隙較發育。

3 錨桿支護參數確定

3.1 支護方案

目前錨桿支護長度多在2～3 m 之間，主要是通過錨桿支護在頂板巖層形成組合梁來承載。根據頂板結構窺視可知，開切眼上部存在3.3～4.2 m 的厚頂煤，錨桿支護范圍的頂煤內由于煤體強度較低，其形成的組合梁承載能力有限。窺視可知，頂煤與上覆石灰巖接觸面處較為破碎，且工作面開切眼跨度大，僅采用錨桿支護不易于頂板的穩定，必須進行錨索補強。錨索補強支護的強度、支護范圍對于維護切眼頂板穩定尤為重要。巷道圍巖是一個支護整體共同作用，當巷幫支護強度不足時，兩幫變形增大，勢必會引起巷道頂板下沉量增加，從而增大巷道頂板失穩的風險。因此，開切眼開掘后，必須及時對巷幫進行支護，保證預緊力，防止巷幫塑性區的擴大。

通過以上分析可知，開切眼巷道頂板錨索補強支護強度和支護范圍、巷幫錨桿的支護強度和支護范圍是研究重點。

圖1 鉆孔窺視圖

3.2 支護參數分析

（1）理論分析

2107 工作面切眼分兩次掘進，一次掘進寬度為4500 mm，二次掘進寬度為3000 mm，埋藏深度按最大值320 m 考慮。結合圍巖結構觀測情況及巷道頂板物理力學性質，按照巷道頂壓和側壓計算公式[4]，計算得到2107 工作面切眼巷道頂壓為387 kN/m，巷幫側壓為31.8 kN/m。

結合礦上常用錨桿型號，頂錨桿長度取2.4 m，考慮外露端，錨桿支護排距不大于有效長度的一半，故頂錨桿間排距應不大于1.1 m。對每排3 根和4根錨索，排距為2 m 和1.8 m，分別進行校核確定每排3 根，排距1.8 m 時，頂板安全系數1.3，滿足需要。結合斷面形狀，建議頂錨桿間距取1.0 m，排距取0.9 m。按照安全系數為2，計算得到巷幫錨桿間排距不小于1.5 m，結合頂板錨桿支護間排距，初步確定巷幫錨桿排距取0.9 m，間距不大于1.5 m。

（2）數值模擬分析

對巷道開挖后的圍巖應力分布和屈服情況進行分析：在巷道頂板、底板范圍內形成垂直應力降低區域，頂底板中部2.75 m 范圍內垂直應力明顯降低；兩幫垂直應力降低不明顯，1.0～4.0 m 范圍形成應力升高核區，垂直應力峰值位于1.75 m 處。巷道周邊形成水平應力降低區，尤其兩幫1.5 m 范圍水平應力明顯降低，巷道斷面兩底角處出現水平應力升高核區，如圖2 所示。切眼頂板和兩幫圍巖均有一定破壞，頂板表現為拉剪破壞，剪切破壞深度3.25 m，拉破壞區深度為0.3 m；兩幫表現為剪切破壞，破壞深度為1.5 m，如圖3 所示。

圖2 圍巖應力分布云圖

圖3 圍巖區域破壞分布圖

通過對開切眼開挖后圍巖應力分布情況和塑性區分布范圍分析可知：① 頂板上覆5.0 m 左右存在應力降低區，剪切破壞深度為3.25 m，故錨索應錨固到5.0 m 以上位置，錨固段長度取1.5 m，錨索外露長度0.3 m，則頂錨索長度不宜小于6.8 m；② 巷道兩幫垂直應力峰值距巷幫1.75 m，1.5 m 內水平應力降低明顯，出現剪切破壞，故巷幫兩幫錨桿支護深度不小于1.8 m。

3.3 支護參數確定

通過以上分析，綜合確定2107 工作面開切眼錨桿索支護參數（圖4），在巷道中部采用大板棚進行臨時支護，具體如下：

（1）頂板支護

切眼頂板采用螺紋鋼錨桿，錨桿規格為Ф20×2400 mm，間排距1000 mm×900 mm，一次掘進時頂板支5 根錨桿，二次掘進時為4 根。兩側頂錨桿距幫150 mm，外偏20°，其余垂直布置。錨桿采用加長錨固，錨固力不小于100 kN，預緊力矩不小于300 N·m。配套Ф14 mm 的鋼筋焊接而成梯子梁，一次切眼長4300 mm，二次切眼長3200 mm。采用10#金屬經緯網護表，搭接長度不小于100 mm。錨索規格Ф18.9×7300 mm，每排3 根，間排距1950×1800 mm，垂直布置。采用樹脂加長錨固，錨固力不小于300 kN，預緊力不小于150 kN。托盤規格為300×300×16 mm。

在距老塘幫4350 mm 處，順巷打設一排高度3150 mm、型號為DZ35-300/100 單體柱大板棚（一梁3 柱）加強支護。第一根單體柱大板梁頭間距500 mm，單體柱排距為1500 mm，大板規格為4000×180×160 mm，大板梁頭間距500 mm。

（2）巷幫支護

在老塘側巷幫采用螺紋鋼錨桿， 規格Ф20×2000 mm，間排距為800×900 mm，每排4根，上部距頂板250 mm，均與巷幫垂直。錨固方式、參數和預緊力同頂板支護。在工作面回采側巷幫采用玻璃鋼錨桿，規格Ф20×2000 mm。錨固方式同頂板支護，錨固力不小于70 kN，預緊力不小于40 N·m。采用Ф12 mm 的鋼筋焊接的梯子梁，長度2800 mm。老唐側采用10#金屬經緯網護表，搭接長度不小于100 mm。

一次切眼前進左幫（臨時幫）打設玻璃鋼錨桿點錨進行臨時支護，五花布置：第一排3 根玻璃鋼錨桿，間排距為1100 mm×900 mm，上部距頂板400 mm；第二排2 根玻璃鋼錨桿，間排距為1200 mm×900 mm，上部距頂板900 mm。其他參數同上。

圖4 切眼支護斷面圖（單位：mm）

4 支護效果分析

為分析支護效果，對2107 工作面開切眼一次掘進期間和二次掘進后的圍巖變形進行持續觀測，如圖5 所示。由圖5（a）可見，在切眼一次掘進后，巷道頂底板及兩幫變形均快速增加，7 d 后巷道頂底板及兩幫變形開始逐步放緩，約20 d 后巷道頂底板及兩幫變形趨向于收斂。最大頂板移近量為45 mm，兩幫收縮量為75 mm。由圖5（b）可見，切眼二次掘進成巷后，由于巷道斷面增加，在掘進過后10 d 內圍巖變形均較為劇烈，之后隨著臨時架棚支護的作用，巷道圍巖變形速度趨緩，在約30 d 后巷道圍巖變形趨于收斂。最大頂板移近量為139 mm，兩幫收縮量為83 mm。通過對比分析可知，二次掘進切眼成巷后，由于切眼跨度加大，巷道頂底板移近量明顯大于巷道兩幫變形量，在錨網+錨索+架棚臨時支護的共同作用下，切眼巷道圍巖穩定。

圖5 實測巷道圍巖變形曲線圖

5 結論

（1）通過圍巖結構觀測、巷道支護參數校核以及數值模擬分析，確定切眼巷道頂板補強錨索每排3 根，排距為1.8 m，錨索長度不小于6.8 m；兩幫錨桿間排距不大于1.5 m，錨桿長度不小于1.5 m。并由此確定了2107 工作面切眼支護參數。

（2）切眼成巷約30 d 后，巷道圍巖變形趨于收斂，最大頂板移近量為139 mm，兩幫收縮量為83 mm。巷道頂底板移近量明顯大于巷道兩幫變形量，在錨網+錨索+架棚臨時支護的共同作用下，切眼巷道圍巖穩定。