綜采工作面大斷面切眼圍巖支護技術

郭洪臣

（山西壽陽潞陽昌泰煤業(yè)有限公司，山西 晉中 045400）

切眼是綜采設備安裝場所以及采面煤炭回采的起點。切眼圍巖支護效果直接關系到綜采設備能夠否安全安裝、采面能否安全回采[1-2]。現階段巷道圍巖控制普遍存在支護強度過高問題，不僅增加支護成本且降低掘進效率，出現上述問題主要原因是：①未能將支護結構與圍巖作為整體考慮。②片面增加支護材料強度及密度，如增加錨桿、錨索直徑、減小間排距。③錨桿、錨索支護作用未能充分發(fā)揮。合理的切眼支護方式不僅可降低勞動強度及支護成本、而且可提升切眼掘進效率[3-5]。

以昌泰礦井1501綜采工作面切眼掘進為工程背景，針對切眼斷面大頂板巖層難以控制問題，采用理論分析、工程類比技術方法提出圍巖控制技術方案，確保了切眼圍巖穩(wěn)定。

1 工程概況

1501 綜采工作面開采15#煤層，地面標高+1 238～+1 301 m，工作面標高+905～+1 000 m，采面傾向長度185 m，設計走向長度1 395 m，可采長度1 340 m，四鄰對本工作面回采無影響，工作面回采區(qū)域地質情況相對簡單。

15#煤層厚度0.76～7.45 m，平均3.5 m，傾角5°，節(jié)理較發(fā)育，頂板為炭質泥巖、砂質泥巖、粗砂巖、細砂巖。在運輸順槽內距切眼35 m位置取頂板巖層巖樣（取樣長度共計28.5 m）進行測試，具體巖性力學參數測試結果見表1。對切眼頂板巖層巖性分類，綜合判定圍巖分級為III類，屬中等穩(wěn)定圍巖。

表1 頂板巖層巖性力學參數測試結果

2 切眼圍巖支護設計

為了降低掘進以及圍巖控制難度，1501綜采工作面大斷面切眼掘進施工采用一次掘進貫通、二次擴刷成巷方式，支護采用錨網與錨索聯合支護方式。

2.1 切眼錨網索支護參數

切眼圍巖采用錨桿、錨索支護，提供的錨固力與錨桿（索）桿體極限破斷載荷相近。

（1）錨桿支護參數

錨桿材質為高強左旋螺紋鋼（25MnSi）、直徑22 mm，破斷載荷220 kN。錨桿錨固長度L11可通過下式計算[6-7]：

式中：P1為錨桿錨固力(按錨桿極限破斷載荷取值，取220 kN；R錨為錨桿半徑，取11 mm；C1為錨固劑錨固強度，取1.35 MPa。

經計算求得L11=1.85 m。

錨桿錨固時需要的錨固藥卷長度L12可通過下式計算：

式中：R為錨桿鉆孔半徑，取14 mm；R藥為藥卷半徑，取值11.5 mm。

代入上式求得L12=1.05 m。

根據上述結果，采用1支型號K2360、1支型號Z2360樹脂藥卷即可滿足錨固需要，則每根錨桿中實際錨固長度L13為：

頂板布置的錨桿實際提供的錨固力P可通過下式計算：P=2πRC1L13=251.6 kN＞220 kN。

綜合采面切眼實際地質賦存情況、錨桿支護要求[8-9]，錨桿間距、排距均為0.8 m。頂板兩側錨桿與采面幫、實體煤間距分別為0.3 m、0.5 m，且均有20°斜角，長度為2 400 mm；巷幫布置4根錨桿，上部、下部錨桿與頂板、底板間距分別為0.4 m、0.7 m，且均有20°斜角，長度為2 200 mm。

（2）錨索參數

錨索為Φ17.8 mm鋼絞線，破斷載荷360 kN，將錨索錨固到頂板穩(wěn)定巖層（砂質泥巖內），錨索錨固長度L21可通過下式計算：

式中：P2為錨索錨固力(按錨索極限破斷載荷取值，取360 kN；R索為錨索半徑，取8.9 mm；C1為錨固劑錨固強度，取2.5 MPa。

經計算求得L21=2.58 m。

錨索錨固時需要的錨固藥卷長度L22可通過下式計算：

式中：R錨為錨索半徑，取8.9 mm；R藥藥卷半徑，取11.5 mm。

代入上式求得L12=2.28 m。

根據上述結果，采用2支型號K2360、2支型號Z2360樹脂藥卷即可滿足錨固需要，則每根錨桿中實際錨固長度L23為：

頂板布置的錨桿實際提供的錨固力P可通過下式計算：P=2πRC2L23=486 kN＞360 kN。

切眼頂板布置的錨索間距×排距=2.4 m×1.6 m，錨索與實體煤幫間距1.3 m、與采面幫間距1.1 m，均垂直于切眼頂板布置。

2.2 一次掘進切眼支護方案

一次掘進切眼斷面為矩形 （寬×高=5.0 m×3.5 m），沿煤層底板掘進，具體掘進完成后切眼圍巖支護方案見圖1。

圖1 一次掘進后切眼圍巖支護方案

切眼采用錨桿+錨索+金屬網+鋼筋梯子梁支護，錨桿、錨索托盤分別為穹形多功能鋼托盤（長×寬×厚=150 mm×150 mm×10 mm）、鋼板托盤（長×寬×厚=300 mm×300 mm×20 mm），梯子梁用Φ12 mm鋼筋焊接而成。金屬網（12#鐵絲編制而成）的網孔60 mm ，鄰近網片間搭接200 mm以上。

2.3 切眼二次擴刷支護

切眼一次掘進貫通后，開始刷擴切眼，將切眼寬度由5.0 m刷擴至8.5 m，矩形斷面，具體刷擴后切眼圍巖支護方案見圖2。

圖2 切眼擴刷后支護方案

在二次擴巷時在巷道中線位置布置一排單體支柱，單體頂部采用金屬鉸接梁、間距均為1 200 mm。當切眼掘進以及擴巷時遇到地質構造或者圍巖破碎時，可采取縮小錨桿、錨索間距方式增加支護強度，必要時進行注漿加固。在切眼刷擴完成后采面煤壁幫施工的玻璃鋼錨桿預緊扭矩、預緊力分別為70 N·m、10 kN；實體煤幫金屬錨桿預緊扭矩、預緊力分別為100 N·m、14 kN； 頂板錨桿預緊扭矩、預緊力分別為180 N·m、20 kN，錨索張緊力在100 kN以上。

3 切眼頂板變形監(jiān)測

在1501綜采工作面切眼掘進過程中，每隔30 m在頂板內布置一組測點，切眼內共計布置6組。每組測點中布置2個傳感器，用以對頂板淺層圍巖、深部位移進行監(jiān)測，其中淺部基點傳感器用以監(jiān)測頂板表層巖層變形、深部基點用以監(jiān)測頂板深部巖層離層情況。淺部基點位于頂板上方2.7～3.0 m（較頂板錨桿深度深0.3～0.6 m）、深部基點位于頂板上方9.8～10.3 m（較錨索深度深0.5～1.0 m）。

在切眼掘進、刷擴完成后頂板離層量在5 mm以內、頂板表層巖層下沉量在57 mm以內，圍巖變形量在允許范圍內，不會給切眼內綜采設備安裝帶來不利影響。

4 結語

1501綜采工作面開采的15#煤層埋深平均240 m，地應力顯現不明顯，制約切眼圍巖控制的主要難題是巷道掘進斷面大、頂板控制困難。采用理論分析、工程類比技術方法對切眼圍巖支護方案進行設計。現場應用后，切眼頂板最大下沉量控制在57 mm內，頂板離層量在5 mm以內，切眼頂板下沉不會給后續(xù)綜采設備安裝帶來不利影響。研究成果可在一定程度上指導礦井15#煤層開采。