煤礦井下切眼擴刷與支護核心要素分析

劉利勤

(霍州煤電集團有限責任公司 木瓜煤礦， 山西 呂梁 033200)

1 礦井地質條件概況

木瓜煤礦設計與公告能力120萬t/年，礦區內10-201工作面位于二盤區準備巷道南翼，工作面上部及周邊均為實體煤巖層，工作面以北緊鄰二盤區3條準備大巷。10-201工作面小切眼沿9#煤層頂板掘進，設計長度245 m(中至中)，煤層傾角9°～13°，平均11°. 煤層頂板巖層裂隙較發育，受風氧化帶影響，頂板泥巖呈黃色，局部呈灰色，較軟，夾雜有灰巖碎屑；底板為灰黑色泥巖，較硬，遇水不膨脹。巷道斷面形狀為矩形，小切眼掘進期間巷道斷面毛寬5 600 mm，凈寬5 400 mm，毛高4 100 mm，凈高4 000 mm. 支護方式為“六·六”布置的錨索網支護，在實際工作過程中，由于大采高支架最小長度為8.5 m，一次成巷頂板管控難度較大，且10-201工作面受井田邊界風氧化帶影響，頂板節理裂隙發育，巖層賦存不穩定，支護穩定性差。因此，迫切需要采用新的切眼擴刷和支護方案，確保綜采面在綜采作業過程中的穩定性。

2 綜采面切眼擴刷要點分析

綜合分析后采用先小切眼預先導洞貫通，再用綜掘機擴刷施工至設計大斷面的方案。在擴刷的過程中采用邊擴刷邊安裝的工藝，提高安裝穩定性。同時為了滿足井下巷道擴刷過程中膠輪車等設備的通過需求，將巷道的擴刷寬度設置為10 m.

為了滿足巷道的擴刷需求，結合10-201綜采面井下實際情況，對切眼擴刷工藝流程進行了優化。首先在開口時使用綜掘機割煤，采用機載臨時支護裝置進行臨時支護，聯排支架加強頂板支護，40 T刮板輸送機配合出煤至10-201巷皮帶。當從開口位置擴刷21 m，具備端頭支架安裝所需空間時，開始安裝第一架端頭支架。支架安裝完成后，綜掘機繼續向前擴刷1.75 m，聯排支架跟著前移，當待安支架與聯排支架末端距離達到10 m時，再進行下一架支架安裝，依此循環。待從開口位置擴刷45 m時，具備安裝簡易皮帶條件，此時拆除40 T刮板輸送機，安裝簡易皮帶。最后形成綜掘機割煤、機載臨時支護裝置進行臨時支護、聯排支架加強頂板支護、皮帶配合出煤，支架正常跟進安裝的邊擴刷邊安裝的開采工藝。

3 大斷面切巷支護思路

10-201工作面切巷設計高度為 4.4 m，寬度為 8.5 m，巷道斷面大，中部張拉應力、頂角剪應力較大，泥巖厚、巖體強度低、自穩能力差，無穩定的上位巖層供錨桿懸吊使用，削弱了錨固劑的錨固強度。為此提出大斷面切巷支護優化思路，見圖1.

圖1 大斷面切向支護優化思路示意圖

由圖1可知，10-201綜采面斷面切巷支護時的難點主要包括：地層變化不清、圍巖錨固力低、巷道頂板強度低、巷道斷面跨度大4個方面。在此提出了具有針對性的控制方案，結合井下實際情況對各控制方案進行分析，選擇出最合適的優化方案，以提高施工質量，確保井下巷道施工過程中的安全性和可靠性。

4 巷道加強方案分析

針對 10-201 工作面切巷斷面跨度大的難題，進行了巷道斷面開挖方案的優化。計劃采用先掘進小導洞，然后邊擴刷邊安裝支架的方案。為了確保大斷面切眼支護方案的可靠性，采用FLAC3D軟件進行模擬仿真分析，根據工作面地質賦存情況建立宏觀采場數值計算模型。選取在巷道走向區域建立分析模型，模型尺寸為沿煤層傾向20 m，走向50 m，高度45 m. 模型的頂部施加6.5 MPa均布載荷(根據井下巷道礦壓實際監測值設置)；模型四周采用水平位移約束，模型底面采用豎直方向位移約束，重力加速度取10 m/s2，側壓力系數取1.2. 為模擬注漿對巷道頂板圍巖的加固作用，通過頂板圍巖強度系數的增加模擬圍巖強度的提高；同時，根據經驗值選取巖石物理力學參數,見表1.

表1 井下巖石物理力學參數表

根據工程實際開采范圍，結合工程經驗參數進行賦值。在計算中，各巖層均采用Mohr-Coulomb 屈服準則。對分段開挖小斷面成巷方式下，采用錨網索支護后的變形情況、采用頂板注漿加強后的變形情況以及采用頂板注漿+長短錨索支護后的變形情況進行仿真分析。不同加強支護方案下的仿真分析結果見圖2.

由圖2可知，當采用錨網索支護時，在礦壓波動和綜采擾動的作用下，巷道頂板的最大變形量出現在巷道頂板中心位置，最大變形量約為740 mm. 當采用頂板注漿加強時，巷道頂板的最大變形量出現在巷道頂板靠左的位置，最大變形量約為593 mm. 當采頂板注漿+長短錨索支護時，巷道頂板的最大變形量出現在巷道頂板靠左的位置，最大變形量約為249 mm. 由此可知，采用頂板注漿+長短錨索支護方案，能夠有效降低巷道在工作過程中的變形，提高穩定性。

圖2 不同加強方案下的巷道變形情況圖

4.1 巷道頂板注漿加固

根據現有的地層條件和現場情況，井下巷道注漿鉆孔布置見圖3. 10-201綜采面上導洞注漿鉆孔間排距為3 000×3 000 mm，布置方式為三二布置，當布置為 3 個鉆孔時靠兩幫的2個鉆孔分別向幫部偏轉5°，鉆孔深度為10 m，與頂板呈45°仰角向掌子面方向超前預注漿。切巷開口區由于頂板暴露面積大，所以適當加大注漿范圍，第一排5個注漿孔，第二排3個注漿孔，孔間距3 000 mm，順槽巷道另一幫進行適當注漿加固。擴刷區從導洞頂角注漿，注漿位置與導洞注漿位置均勻錯開，兩個注漿孔分別與頂板呈15°和45°，鉆孔深度分別為10 m和6 m.

圖3 井下注漿鉆孔分布示意圖

為了滿足井下狹小空間下的注漿要求，結合實際情況，對注漿工藝流程進行了優化，優化后的注漿工藝流程見圖4[1]. 在注漿過程中，首先對鉆孔進行清洗，清洗后下入注漿花管并安裝封孔器，然后按照設定的注漿工藝參數進行注漿，在注漿過程中需要對注漿壓力進行實時監測，確保注漿安全。

圖4 井下注漿加固工藝流程圖

選擇水泥砂漿注漿料，結合注漿速度、凝固速度的需求，注漿料內水、灰比選擇為0.5∶1，并在水泥注漿料內添加早強劑，使注漿后砂漿的凝固強度在72 h后能夠達到總強度的65%以上。

注漿時每個注漿孔內的注漿量可表示為[2]：

Q=AlπRβλ

(1)

式中，Q為單個注漿孔內的注漿量，m3；A為注漿時漿液的消耗系數，取1.5；l為注漿孔在長度方向上的加固厚度，m；R為注漿時漿液的有效擴散半徑，m；β為注漿孔周圍圍巖的裂隙率，取3%；λ為漿液的充填系數，取0.6～1.0.

計算可知，注漿時每個注漿孔內的注漿量約為4.5 t，總注漿量約為1 485 t.

4.2 長短錨索支護

結合仿真分析結果，10-201切巷支護采用長短錨索相結合的支護方案。采用W鋼帶(槽鋼)加強表面支護，同時通過高強錨桿控制幫部變形，最后，采用錨索和槽鋼補強兩次開挖界面處的支護強度。在支護過程中主要包括導洞支護、擴刷區支護以及擴刷線區域補強支護3個部分。

1) 導洞支護。導洞頂板采用長短錨索支護，錨索間排距1 000 mm×1 200 mm，五五布置，長短錨索穿插布置，長錨索采用d18.9 mm×10 300 mm，三二布置，短錨索采用d18.9 mm×6 300 mm，二三布置，靠近左側(工作面后方)錨索向工作面后方偏轉10°，錨索預緊力不小于180 kN. 為了加強頂板圍巖整體性，頂部采用5 mm的W鋼帶，穿過錨索固定，頂網采用鋼筋片網，網孔規格為80 mm×80 mm. 導洞幫部支護時，左側(工作面后方)幫部采用d20 mm×2 000 mm高強錨桿，墊片采用d130 mm×8 mm×22.5 mm蝶形墊片，幫網采用鋼筋片網，網孔規格為80 mm×80 mm. 擴刷側幫采用d20 mm×2 000 mm玻璃鋼錨桿，間排距均為1 000 mm×1 000 mm.

2) 擴刷區支護。擴刷區頂板采用長短錨索，錨索間排距 1 000 mm×1 200 mm，三三布置，長錨索采用d18.9 mm×10 300 mm，短錨索采用d18.9 mm×6 300 mm，長短錨索穿插布置，靠幫側錨索向外偏轉10°，錨索預緊力不小于180 kN. 頂部采用5 mm的W鋼帶，穿過錨索固定，頂網采用鋼筋片網，網孔規格為80 mm×80 mm. 擴刷側幫采用d20 mm×2 000 mm玻璃鋼錨桿，間排距1 000 mm×1 000 mm.

3) 擴刷線區域補強支護。由數值計算結果可知，兩次開挖分界線區域容易發生較大變形，為此在擴刷后沿擴刷線兩側補兩根 d18.9 mm×10 300 mm的長錨索，錨索間排距2 000 mm×2 000 mm，同時底部采用14#槽鋼連接，槽鋼長度2 400 mm，增加剛度并控制擴刷線附近的頂板變形。

長短錨索相結合支護結構見圖5.

圖5 長短錨索支護結構示意圖

4.3 切巷變形監測方案

采用全新的切眼擴刷與支護方案后，在巷道內設置巷道位移監測點，對巷道頂板及巷幫的變化情況進行監測。監測點布置到巷道內30～40 m處靠近頂板和底板的位置，確保對數據監測的準確性，實際井下支護及監測結果見圖6.

圖6 頂板及兩幫相對移近量變化圖

由圖6可知，采用全新的加強支護方案后，井下巷道頂板和兩幫的最初位移量為40 mm，隨著施工時間的增加，頂板和兩幫的相對位移量均逐漸增大，在第22 d后，頂板的下沉量約為158 mm，比優化前的377 mm降低了58.1%，巷道兩幫的變形量約為149 mm，比優化前的420 mm降低了64.5%，提升了巷道在施工作業過程中的穩定性。

5 結 論

針對木瓜煤礦采高支架長、一次成巷頂板管控難度大、頂板節理裂隙發育、巖層賦存不穩定、在施工過程中極易出現頂板垮落事故的情況，提出了先小切眼預先導洞貫通，再用綜掘機擴刷施工至設計大斷面的方案。分析可知，10-201綜采面斷面切巷支護時的難點包括地層變化不清、圍巖錨固力低、巷道頂板強度低、巷道斷面跨度大等4個方面，對此提出了有針對性的控制方案。采用新的切眼擴刷與支護方案后，頂板變形量降低58.1%，兩幫移近量降低64.5%，有效提高了切眼支護的可靠性。