綜采工作面設備安裝開切眼的支護設計及現場監測

王 力

（山西焦煤西山煤電西銘礦，山西 太原 030052）

引言

在煤礦開采中，綜采工作面開切眼是保證煤礦安全生產的基礎，其主要用于對工作面回采工藝相關的綜采設備的安裝。開切眼與工作面其他巷道不同，其主要表現為斷面跨度大，若對其支護不當容易導致其頂板出現冒落、兩幫移近以及底板鼓出的問題，為保證回采任務的順利完成需對開切眼進行多次維護[1]。因此，實現對綜采工作面設備安裝開切眼的有效、穩定支護對保證回采及綜采工作面設備的高效生產具有重要意義。本文將著重對綜采工作面設備安裝開切眼進行支護設計，并對支護效果進行現場監測。

1 工程概況

本文以8702工作面為例開展研究，并結合3號煤層的8702工作面與5號煤層的8704工作面的地質情況綜合分析8702工作面的地質情況，經分析得出如下結論：

1）8702工作面總體地質結構簡單，并且在工作面的開切眼末端存在巖漿巖侵入的情況，為后續開切眼的支護帶來較大的影響；

2）開切眼位于工作面構造簡單的區域，所在區域的斷層落差較小；

3）在實際開采過程中，5號煤層8704工作面開切眼存在頂板冒落的情況，因此需加強對3號煤層8702工作面的頂板支護；

4）現場開挖探測可知，開切眼開挖無瓦斯突出，但存在粉塵爆炸的風險；

5）3號煤層8702工作面的開切眼煤層處于節理裂隙發育的狀態，煤體相對松軟并處于破碎狀態[2]。3號煤層8702工作面的頂底板情況如表1所示。

表1 3號煤層8702工作面頂底板情況

2 開切眼支護設計及數值模擬分析

2.1 開切眼支護設計原則

針對綜采工作面設備安裝開切眼的支護不僅需考慮最終的支護效果，而且還需考慮實際的支護成本。一般情況下，一個綜采工作面兩年即可開采完畢，為避免開切眼支護材料的浪費，在實際支護過程中應盡可能地避免采用噴漿支護，達到保證支護效果的同時節約成本和材料的回收利用。針對綜采工作面設備安裝開切眼的支護需遵循以下兩個原則：

1）當設備安裝工作面開切眼開挖后應立即采取適當的支護措施，避免開切眼變形。而且，開切眼的眼角部為薄弱環節，其會誘發后續的頂板下沉，進而使得開切眼發生整體破壞。因此，需對開切眼的眼角部位采用特殊的支護手段[3]。

2）與常規巷道不同的是，開切眼一般的跨度均很大，而且容易受到礦井地質災害的影響，導致開切眼軟化，從而使得整體圍巖整體強度降低，導致開切眼變形。因此，需特別注意地質災害對開切眼支護的影響，解決大跨度開切眼支護困難的問題。

2.2 開切眼支護設計

結合綜采工作面巷道的常規支護方案，針對8702工作面開切眼采用錨桿、錨索與金屬網聯合支護方式，實現對開切眼圍巖的控制，達到盡可能減少開切眼變形的目的。結合錨桿、錨索各參數的計算得出如下結論：錨桿直徑為16.05 mm，考慮到錨桿加工精度以及取1.1倍的安全系數，最終確定錨桿直徑為20 mm；錨桿長度主要由外露長度、有效長度以及錨桿長度組成，其中一般取外露長度為0.1 m，錨固長度為0.9 m，有效長度結合支護經驗取為1.76 m，則要求錨桿長度為2.76 m，并圓整為2.8 m。本方案所選錨索直徑為17.8 mm，錨索長度包括有深入到穩定巖層的錨固長度、不穩定巖層的厚度、托盤及錨具的厚度以及錨索的外露長度。經計算得出錨索深入穩定巖層的深度為1.27 m，該工作面不穩定巖層的厚度為5 m，一般托盤和錨具的厚度為0.25 m，錨索外露長度為1.8 m。因此，得出開切眼對應錨索的長度為9 m[4]。

綜上所述，開切眼對應頂板錨索的直徑為17.8 mm，錨索長度為9 000 mm，錨索間距為1 m，錨索排間距為2 m；頂板錨桿的直徑為20 mm，錨桿長度為2 800 mm，對應錨桿的間距為1 m，錨索排間距為2 m，所采用錨桿類型為左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。

同理，開切眼對應兩幫所采用的錨桿類型為左旋無縱筋螺紋錨桿，錨桿直徑為20 mm，錨桿長度為2 800 mm，錨桿間距為1 m錨桿排間距為1 m。凈寬度為10.5 m開切眼的支護斷面如圖1所示。

圖1 凈寬度為10.5 m開切眼的支護斷面圖（單位：mm）

3 開切眼支護的現場監測

為驗證上述開切眼支護方案的支護效果，將其在實際工作面施工后對開切眼頂板的離層量、圍巖表面的位移進行監測。其中，頂板的離層量采用頂板離層儀進行測量；圍巖表面的位移采用數顯收斂儀進行測量[5]。結合開切眼的實際情況開切眼頂板中部和開切眼的中間位置為支護的薄弱環節，在巷道內部設計如圖2所示的監測點。

圖2 開切眼支護效果監測位置布置（單位：mm）

3.1 頂板離層量的監測

對上述每個監測點淺基點和深基點分別安裝頂板離層儀的監測傳感器，其中淺基點位于距離圍巖表面3.1 m深的位置處；深基點位于距離圍巖表面9.25 m深的位置處。頂板離層量的監測數據如表2所示。

表2 開切眼支護后頂板離層量 mm

如表2所示，當開切眼跨度增大時深基點的頂板離層量增加；在淺基點位置的離層量均為0。

3.2 圍巖表面位移的監測

經對圍巖表面位移監測數據進行匯總分析后可得出如下結論：

1）當開切眼的跨度為9.3 m時，在30 d的監測周期內頂板最大下沉量為25 mm，對應左右兩幫的最大移近量為40 mm，而且，隨著時間的推移，頂板的最大下沉量可達40mm，兩幫最大移近量可達60mm。

2）當開切眼的跨度為10.5 m時，在30 d的監測周期內頂板最大下沉量為30 mm，對應左右兩幫的最大移近量為45 mm，而且，隨著時間的推移，頂板的最大下沉量可達45 mm，兩幫最大移近量可達65 mm。

綜上所述，不論開切眼跨度為9.3 m還是10.5 m，本文所提出的支護手段達到了預期效果。

4 結論

開切眼作為綜采工作面生產中設備安裝的關鍵場所，其支護效果是保證設備安裝、拆卸快速、高質量完成的基礎。鑒于開切眼與綜采工作面其他巷道具有明顯區別，其跨度較大且容易受到地質條件的影響，故需加強對開切眼的支護。針對8702工作面開切眼，本文提出錨桿+錨索+金屬網的聯合支護方式，最終應用頂板離層儀和數顯收斂儀對支護后開切眼頂板離層量和圍巖變形量進行測量，得知所采取的支護手段達到了預期效果。