大采高綜采工作面切眼擴刷支護技術研究

李利東

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西呂梁033102）

0 引 言

近些年，隨著礦井生產能力不斷提高，巷道斷面也隨之越來越大，特別是工作面的開切眼寬度已經增大到9 m，甚至更大[1-2]，導致工作面及開切眼礦壓顯現較一般開采明顯且更加劇烈，應力集中更為明顯，給支護帶來困難，對安全生產帶來不利影響[3-4]。諸多學者對切眼的破壞規律及相應支護做了大量的研究工作。謝生榮等[5]針對大斷面復合頂板開切眼圍巖的控制難題，分析了桁架錨索支護機理，運用數值模擬的方法對大跨度切眼支護參數進行了優化。李沖等[6]在高應力大跨度巷道支護問題上，探究了在不同埋深和側壓系數情況下，大跨度巷道圍巖應力分布特點、變形及垮冒規律。賈后省等[7]構建了大跨度切眼頂板斷裂力學模型，得出了在回采過程中大跨度切眼頂板失穩垮落規律。闞甲廣等[8]探究了切眼大跨度不同成巷方式對巷道穩定性的影響。張東等[9]在論證傳統支護方式的基礎上，有效地控制大采高、大跨度情況下的切眼兩幫及頂板的變形。

對于大采高大斷面開切眼的開挖，圍巖的穩定性常常難以維護，支護參數的設計嚴重影響開切眼的安全。本文針對木瓜礦S10-102 大采高綜采工作面大斷面開切眼擴刷區支護困難等問題，根據現場實際情況，提出了“錨網梁+錨桿（索）”聯合支護方案，現場工業性實驗和礦壓監測說明了該支護方案在切眼擴刷區域能夠有效地控制圍巖變形，顯著提高了切眼圍巖的穩定性，保證了采煤工作面開采初期支架安裝期間的安全性。

1 概 況

木瓜煤礦位于山西省呂梁市方山縣大武鎮木瓜村。S10-102 工作面采高平均6.2 m。其切眼擴刷區老頂為灰巖，厚度2.8 ～7.0 m，深灰色堅硬中厚層狀，參差狀斷口，局部裂隙發育，局部含少量燧石結核；直接底為泥巖，厚度3.6 ～7.4 m，灰黑色半堅硬中厚層狀、含大量植物化石；老底為鋁質泥巖，厚度3.1 ～9.6 m，灰色、灰白色，半堅硬中厚層狀，具少量節理。

2 支護形式理論分析

2.1 錨桿+w 鋼帶支護技術原理

切眼第一次掘進后原巖應力受到破壞，巷道兩側及肩角會出現不同程度的應力集中，圍巖整體性遭到破壞。二次擴刷切眼支護難度比初次開挖支護更加困難，頂板破碎甚至出現離層，錨桿可以將表面不穩定巖層懸吊在上部穩定巖層。另外通過錨桿的預緊力可以加固桿體周圍的破碎巖層[10]，錨桿和其周圍巖層相互作用組成錨固體，最終形成承壓拱，防止了破裂區擴散，改善圍巖支護狀況，減小塑性區范圍和圍巖位移。同時配合W 鋼帶使用，可將多根錨桿連接起來，改變錨桿點作用狀態，擴大作用面積，使錨桿預緊力和阻力得到擴散，受力更均勻，提高了整體支護能力。

2.2 錨索（梁） 支護技術原理

大采高大跨度切眼穩定性差，變形量大，一般矩形斷面巷道主要有2 種破壞形式：一是在巷道兩幫頂板處出現剪切破壞；二是巷道頂板的拉伸破壞。對于大斷面巷道，第二種破壞更為顯著。雖然錨桿+w 鋼帶可以形成較為堅固承壓拱，具有一定的承載能力，但由于錨桿長度有限，不能使淺部圍巖錨固在更深層巖層中，隨著時間推移，圍巖將會發生破壞。而錨索較長，錨固點在更深部，從而達到懸吊淺部不穩定圍巖的作用，減緩錨桿形成的承載結構的下沉及破壞。

3 現場試驗

3.1 支護方案與參數

根據木瓜礦開切眼地質條件，確定該條件下巷道支護采用“錨網梁+錨桿（索）”聯合支護，達到強化巷道圍巖整體強度的目的，提高圍巖的自承能力。與傳統的架設鋼棚、注漿支護等相比，該支護方案具有工藝簡單、施工方便、支護成本低等優點。為了使錨桿(索)充分發揮其作用，通過在錨桿(索)托盤與螺母間安裝減摩墊圈和調心球墊，使托盤與墊圈接觸更嚴密，防止錨桿偏心受力和應力局部集中，減小摩擦力，提高預緊力。在高應力情況下減摩墊圈還能適應性的張開，提供緩沖作用，改善錨桿受力不良的情況，有效防止錨桿拉斷破壞而失效。另一方面，W 型鋼帶等構件的安裝增大了與圍巖的接觸面積，擴散了錨桿預應力。錨索配合錨梁使用，在調動深部圍巖強度的同時，使受力更均勻，淺部圍巖與深部穩定巖層形成連接，提高圍巖整體強度與自承能力。錨桿、錨索、錨網的聯合支護作用保持了圍巖的完整性，有效控制巷道變形。其具體支護方法如圖1 所示。

3.1.1 “錨網梁+ 錨索”支護

S10-102 切眼擴刷區域，頂錨桿采用φ20 mm×2 500 mm 的左旋螺紋鋼高強錨桿，間排距880 mm×900 mm，與原切眼對應頂錨桿同排安裝，每排錨桿安裝一個長度2.8 m（4 孔，孔距880 mm） 鋼筋梯子梁，同時靠左幫第一根頂錨桿與原巷道最右側頂錨桿間距為860 mm，錨固劑采用CKb2340、Z2360 樹脂錨固劑；擴刷幫錨桿使用左旋螺紋鋼高強錨桿φ20 mm×2 000 mm，間排距為1 400 mm×1 350 mm，與頂錨桿同排布置，每孔充填Z2360 樹脂錨固劑1 條；頂錨索采用φ18.9 mm×6 300 mm 鋼絞線，間排距1 600 mm×1 800 mm，與原頂錨索同排對齊布置，同時靠左幫1 根頂錨索布置在距離原巷道靠右幫頂錨索1 200 mm，且靠左幫一列的頂錨索每2 根采用3.0 m 的16 號槽鋼（2 孔，孔距1 900 mm） 進行聯鎖，配合使用φ130 mm×8 mm×22.5 mm 沖擊蝶形墊片，靠右幫采用1 根300 mm×300 mm×12 mm 方形帶拱托板，并加調心球墊。

3.1.2 加強支護

S10-102 開切眼擴刷期間從起始至120 m 位置，每隔20 m，采用150 mm×150 mm×1 500 mm道木搭設井字形木墩，分別搭設在距巷道擴刷后左幫2 600 mm 及右幫4 200 mm 位置；在巷道中線位置設1 根φ200 mm×4 400 mm 圓木，且頂板與圓木之間搭設200 mm×200 mm×500 mm 方木作為柱帽，在柱帽和頂板間塞入木楔，柱窩開挖深度100 mm 以防止松動。打點柱滯后擴刷迎頭不得大于30 m，木墩滯后擴刷迎頭不得大于40 m。若頂板巖性或礦壓監測數據異常變化，需及時根據現場實際情況，另行編制措施加強支護。

圖1 切眼擴刷支護布置Fig.1 Support plan of open-off cut

3.2 支護效果

采用上述支護方案后，為檢驗支護效果，對切眼進行“十”字交叉布點法進行監測，監測結果如圖2 所示。結果表明，頂底板最大移近量為159 mm，兩幫最大移近量為115 mm。整體來看，支護效果良好，說明支護能提高圍巖的整體強度，進而有效控制圍巖變形，保證了采煤工作面支架安裝期間的安全性。

圖2 切眼表面位移觀測曲線Fig.2 Deformation curves of open-off cut

4 結 語

根據圍巖破壞特征，提出切眼擴刷采用“錨網梁+錨桿（索）”聯合支護方案，確定了錨桿（索）間排距等參數，在現場得到良好的應用。現場礦壓監測表明，頂底板最大移近量為159 mm，兩幫最大移近量為115 mm，該支護方案能提高圍巖整體強度和穩定性，使切眼變形處在合理范圍內，為今后類似工程提供借鑒。