大跨度5302 切眼一次成巷支護技術的設計與應用

陳 鵬

（晉城煤業集團長平公司，山西 晉城 048400）

1 工程概況

5302 重型放頂煤工作面位于3#煤層，煤層厚度5.6 m，工作面傾斜長度295.0 m。煤層基本頂為粉砂巖，直接頂和直接底均為泥巖，基本底為粉砂巖。其技術特征參數見表1。該工作面在回采至1066 m 處布置有第二切眼，長96 m，第二停采線距第二切眼156 m。切眼工程為矩形斷面，掘進斷面10.2 m×5.6 m，凈斷面積54.54 m2。

表1 煤層頂底板技術特征參數

2 切眼施工方案選擇

方案①：二次成巷技術，掘進巷道6 m×5.6 m并進行支護，在安設液壓支架前擴幫4 m×3.2 m，形成10.2 m×5.6 m 的切眼。該方案優點：初期巷道跨度小，巷道施工及支護難度較小。缺點：需要二次擴幫形成切眼，導致前期支護工程大量浪費和二次破壞，施工進度慢，不利于采礦工程的開展。

方案②：一次成巷技術，一次掘進10.2 m×5.6 m 的切眼。該方案優點：不會因為二次開幫導致巷道支護破壞失穩，工藝簡單，進度快。缺點：由于該切眼跨度大，一次成巷支護難度較大，支護方案必須合理可行。

綜合考慮，為提高生產效率，減少反復支護工程，選用一次成巷技術方案。

3 一次成巷支護參數

3.1 基本要求

5302 重型放頂煤工作面切眼作為大跨度一次成巷支護工程，必須滿足以下4 個方面要求[1-7]：一是掘進后能夠及時控制切眼的整體形變，保證巷道圍巖的整體穩固性；二是支護工作及時跟進，空頂面積在可控范圍之內；三是支護材料的參數選擇能夠滿足支護強度要求，確保支護巷道服務年限內不變形；四是支護后的切眼須滿足設備架設、通風斷面、作業空間等基本要求。

3.2 一次成巷支護參數計算

支護方式采用高強度錨桿、鋼筋托梁、錨索、金屬網聯合支護。本設計的支護理念采用自然平衡拱原理作為支護設計的數學模型，通過巷道圍巖層關系來確定巷道支護的參數。平衡拱理論認為，煤礦巷道在開掘以后，煤層中圍巖層與層間的相互支撐連接關系被破壞，因此巷道圍巖就向自由空間移動從而形成自然平衡拱。

3.2.1 錨桿參數計算

（1）錨桿直徑：查資料可知，錨桿直徑不應＜17 mm，根據長平礦支護施工經驗，錨桿直徑取22 mm。

（2）錨桿長度計算公式：

式中：外露長度L1取值0.1 m；錨桿深入基本頂長度L2=[錨桿直徑（0.022 m）×錨桿抗拉強度（670 MPa）]/[4×粘結強度（6 MPa）]=0.614 2 m；錨桿有效長度L3=圍巖穩定影響系數(0.8)×（1.1+寬度/10）=0.8×(1.1+10.2/10)=1.696 m。

計算錨桿長度L=L1+L2+L3=2.41 m，取值2.5 m。

（3）錨桿間、排距計算：

a={Q/[KHr(1.5～1.8)]}1/2=1.24～1.49 m

式中：a 為錨桿間、排距，m；Q 為錨桿設計錨固力，190 kN；H 為冒落拱高度B/2f=5.0/（2×3.53）=0.708 m，0.972 m；r 為被懸吊煤巖體的密度，取30 kN/m3；K 為安全系數，取K=2。

結合以上計算可以得出錨桿間距和排距均不應大于1.39 m，根據現有支護施工經驗與實際巷道的寬度，錨桿排距取1.2 m，間距取1.0 m。

3.2.2 錨索參數計算

（1）錨索長度計算公式：

式中：錨索深入到較穩定巖層的錨固長度L1為1.874 m；需要懸吊的不穩定巖層厚度L2為2.31 m（自然平衡拱高度）；托盤及錨具的厚度L3為0.1 m；外露張拉長度L4為0.2 m。

算得L=1.874+2.31+0.1+0.2=4.484 m。結合以上計算取錨索長度應不小于4.484 m，考慮現場施工實際，選擇錨索長度為6.3 m。

（2）錨索數目：

式中：N 為錨索數目；k 為安全系數；P斷為錨索最低破斷力，550 kN；W 為被懸吊巖石的自重，W=巷道掘進寬度B×懸吊巖石厚度Σh×懸吊巖石平均容重Σr×錨索排距D，W=5×0.656 25×27×1.2=106.3 kN。

通過計算N=3。

3.3 支護方式及參數

支護方式示意圖如圖1。

圖1 支護設計圖

3.3.1 頂板支護

（1）支護材料規格型號及要求

錨桿規格：高強度錨桿，直徑Ф22 mm，長度2.5 m，型號為MSGLW—500/22×2000 高強左旋無縱肋螺紋鋼樹脂錨桿，配套拱形高強度托盤、MSK2335 型錨固劑。頂網規格及搭接方式：采用金屬網護頂，網片型號為JW10/35×35-1.4×5.4，網孔規格為35 mm×35 mm，網片規格1.4 m×5.4 m，每排2 片。

頂錨索規格：型號SKP22-1/1720-6300，直徑Ф22 mm，長度6.3 m，尾部配套高強度鎖具；錨索托盤規格：300 mm×300 mm×16 mm。鋼筋托梁：T4600×80/16 80×80。其中16-圓鋼直徑16 mm，8-鋼帶寬度80 mm，4600-鋼帶長度4.6 m，網孔規格80 mm×80 mm。

（2）頂板支護參數及布置方式

錨桿布置：以施工中線為基準，先按照錨桿間距與施工中線的相對尺寸以及錨桿排距共同確定錨桿的位置，然后配合鋼筋托梁打注錨桿。錨桿間距為0.9 m，排距為1.2 m，兩端錨桿距巷幫0.3 mm，每排12 根；錨桿角度垂直巷道頂板，兩支錨固劑進行加長錨固；鉆孔直徑30 mm，設計預緊力矩為400 N·m，設計錨固力為190 kN。

錨索布置：錨索施工按照3-3-3 布置方式進行施工，錨索排距1.2 m，錨索間距為1.7 m，距巷幫為1.6 m，錨索角度垂直頂板打注；錨固方式：孔深為5.95～6.05 m，錨固長度為2.0 m，采用三支樹脂錨固劑加長錨固；錨索預緊力為350 kN，滯后抽查時（即預緊力損失后）預緊力不小于300 kN。

3.3.2 兩幫支護

（1）支護材料規格型號及要求：與頂板支護材料規格型號及要求相同。

（2）兩幫支護參數及布置方式。每排每幫施工6 根錨桿，第1 根和第2 根錨桿配合鋼筋托梁支護，第三根單體錨桿支護。錨桿間距為1.0 m，排距為1.2 m，幫角錨桿距離頂板為0.3 m，錨固設計預緊力矩為400 N·m，設計錨固力為190 kN。

4 應用效果

為檢測支護效果，在該工作面切眼工程安設了巷道表面位移監測設備，及時統計圍巖變形量以及巷道實際支護效果。按要求每掘進100 m 安設一組綜合測站，每組綜合測站設置5 個測位（頂板3 個測位、兩幫各1 個測位），本次切眼工程252 m，共設置了3 個測站，各個測站的5 個測位組成三組檢測束管，觀測頻度為每班一次并統計分析，其中切眼累計變形量項目的數據統計分析結果如圖2。

圖2 切眼累計變形量數據統計

分析表明：（1）在完成支護工程30 d 時間左右，巷道累計形變量達到最大，一般累計形變量在42～48 mm；（2）巷道支護完畢一個月時間以后巷道的形變量趨于穩定，不再繼續增長；（3）巷道累計形變量45 mm 左右，能夠滿足工作面大跨度切眼工程的形變量控制要求，說明該支護方案能夠實現對切眼工程的有效支護。

5 結論

（1）5302 工作面切眼作為大跨度切眼工程，采取一次成巷技術切實可行，設計的高強度錨桿+鋼筋托梁+錨索+金屬網聯合支護方案切實有效。

（2）應用效果表明：巷道累計形變量45 mm左右，該支護方案能夠實現對大跨度切眼工程的有效支護。

（3）應用結果表明：5302 工作面切眼采用的一次成巷技術，在提高施工效率、緩解礦源接續的前提下，減少了切眼工程工作量，直接節省的經濟效益達到480 萬元，經濟效益顯著。