景福礦厚煤層大斷面開切眼支護(hù)優(yōu)化研究與應(yīng)用

令狐繼耀

（太原煤炭氣化（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 太原 030032）

0 引言

隨著煤礦采掘機(jī)械裝備的大型化，巷道斷面也越來越大。開切眼作為工作面開采設(shè)備的安裝空間，其規(guī)格也逐漸增大，導(dǎo)致圍巖控制難度急劇增加[1-4]，采用常規(guī)的錨網(wǎng)索支護(hù)控制效果不理想。許多學(xué)者開展了不同條件下大跨度開切眼支護(hù)技術(shù)的研究。陳立虎[5]等針對(duì)張家洼煤礦泥巖頂板開切眼的支護(hù)難題，提出了梯次主動(dòng)支護(hù)和主動(dòng)被動(dòng)協(xié)同控制技術(shù)；王再峰[6]研究了辛置煤礦K8 中細(xì)砂巖頂板下的開切眼支護(hù)技術(shù)；劉治成[7]等利用FLAC3D 軟件模擬了大跨度開切眼的頂?shù)装逦灰萍八苄詤^(qū)發(fā)育情況，提出了強(qiáng)力錨桿索的支護(hù)方案；楊玉亮[8]采用數(shù)值模擬、理論分析等手段對(duì)紅柳林礦25206 工作面開切眼支護(hù)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了支護(hù)效能；張鄭波[9]利用數(shù)值模擬的方式分析了開切眼不同支護(hù)條件下的變形特征，從而提出錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。本文結(jié)合陽煤集團(tuán)景福礦15 號(hào)煤在大斷面開切眼支護(hù)中遇到的變形控制難題，開展了桁架錨索支護(hù)技術(shù)的研究。

1 概 況

景福礦井田主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組及石炭系上統(tǒng)太原組，共含煤14 層，含煤地層總厚181.06 m，煤層總厚11.97 m，含煤系數(shù)6.61%。15 號(hào)煤層位于太原組下部，煤厚最大5.21 m，平均4.00 m，屬穩(wěn)定的全區(qū)可采厚煤層，為礦井的主采煤層。煤層平均埋藏深度為591 m，傾角4°～9°，平均5.7°。煤層頂?shù)装鍡l件如圖1 所示。

圖1 15 號(hào)煤頂?shù)装鍘r性Fig.1 Lithology of No.15 coal roof and floor

景福礦15103 工作面采用綜合機(jī)械化走向長(zhǎng)壁開采，全部垮落法處理頂板，開切眼規(guī)格為4 000 mm×9 000 mm（寬×高），沿15 號(hào)煤層頂板布置。

2 原支護(hù)方式存在的問題

2.1 原支護(hù)主要參數(shù)

原15 號(hào)煤15103 工作面開切眼采用的是錨網(wǎng)索支護(hù)，頂板及非回采幫采用螺紋鋼錨桿，規(guī)格為φ18 mm×2 000 mm，配2 卷Z2335 樹脂藥卷錨固，間排距為900 mm×900 mm?；夭蓭筒捎玫氖遣Ａт撳^桿，間排距為900 mm×900 mm。巷道頂板補(bǔ)打錨索加強(qiáng)支護(hù)，錨索直徑為17.8 mm，長(zhǎng)度為6 300 mm，鉆孔深度為6 000 mm，采用4卷Z2335 樹脂錨固，布置方式為3-2-3，排距為900 mm。

2.2 變形特征觀測(cè)

15103 工作面開切眼掘進(jìn)后變形嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為以下方面。

（1）巷道下沉量大。切巷頂板呈現(xiàn)整體下沉，并且下沉量大，尤其是巷道中部，支架安裝時(shí)的最大下沉量可達(dá)500 mm 以上。

（2）支護(hù)損壞。部分區(qū)域的錨桿索托盤出現(xiàn)外翻，局部托盤與頂板脫離，并且部分區(qū)域錨網(wǎng)被撕裂，出現(xiàn)網(wǎng)兜。

2.3 原因分析

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合15 號(hào)煤層的頂?shù)装鍡l件，分析研究造成切巷變形嚴(yán)重的主要原因。

（1）切巷跨度較大。

開切眼的巷道寬度達(dá)到9.0 m，幾乎為順槽寬度的2 倍。跨度的增加造成巷道圍巖應(yīng)力及變形急劇增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的順槽支護(hù)方式整體支護(hù)強(qiáng)度較低，對(duì)巷道變形的控制效果差。

（2）煤層頂?shù)装鍘r性。

由圖1 可以看出，15 號(hào)煤的頂板為堅(jiān)硬的石灰?guī)r，底板為松軟的泥巖，為典型的“硬頂軟底”組合，巷道泥巖底板作為整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的承載基礎(chǔ)較差，而石灰?guī)r頂板裂隙較少，整體性強(qiáng)，容易出現(xiàn)區(qū)域性下沉。

（3）煤層厚度的影響。

15 號(hào)煤的厚度變化較大，最大厚度達(dá)到5.2 m，平均厚度為4.0 m。開切眼按4 m 高度掘進(jìn)，部分區(qū)域頂板有煤層，極易出現(xiàn)垮落，造成巷道變形量大。

3 支護(hù)方案優(yōu)化

3.1 桁架錨索的優(yōu)點(diǎn)

根據(jù)15103 工作面開切眼的變形特點(diǎn)，結(jié)合原因分析，確定采用以桁架錨索為主的支護(hù)方式。桁架錨索是將2 根傾斜布置的錨索利用專用的連接器連接到一起，其作用機(jī)理如圖2 所示。

圖2 桁架錨索支護(hù)原理Fig.2 Supporting principle of truss anchor cable

與傳統(tǒng)的單體錨索相比，將2 根錨索布置為桁架模式具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。

（1）增大與頂板的接觸面積。

單體錨索與頂板屬于點(diǎn)接觸，支護(hù)面積有限，而桁架錨索與頂板為線型接觸，并且接觸面的長(zhǎng)度一般大于2 000 mm，大大提高了對(duì)頂板的支護(hù)強(qiáng)度。

（2）錨固點(diǎn)穩(wěn)定。

由圖2 可以看出，桁架布置的2 根錨索與巷道頂板有一定的夾角，其錨固點(diǎn)位于巷道兩幫上方的穩(wěn)定巖體中，受巷道變形的影響較小。

（3）具有一定的變形適應(yīng)能力。

當(dāng)巷道頂板出現(xiàn)小程度的變形時(shí)，錨索底部的錨索可具有一定程度的延伸性，可適應(yīng)頂板的變形，同時(shí)由于巷道頂板壓力影響，受拉的2 根錨索可提供更強(qiáng)的支護(hù)力，減少頂板的進(jìn)一步下沉。

3.2 巷道圍巖破壞深度計(jì)算

為保證支護(hù)效果，錨桿索的長(zhǎng)度應(yīng)大于頂板及兩幫的破壞深度。建立如圖3 所示的力學(xué)模型。

圖3 圍巖破壞范圍計(jì)算Fig.3 Calculation of surrounding rock failure range

根據(jù)彈塑性力學(xué)理論，頂板破壞深度h 的計(jì)算公式為：

式中：a 為巷道寬度，m；Rc為頂板巖層的抗壓強(qiáng)度，MPa；b 為兩幫的破壞深度，m；H 為切巷的高度，m；θ 為塌落角，與煤層的內(nèi)摩擦角有關(guān)。

代入數(shù)據(jù)可得，15103 工作面開切眼頂板的破壞深度為6.2 m，巷幫破壞深度為1.9 m。

3.3 優(yōu)化方案

結(jié)合15 號(hào)煤層的地質(zhì)條件，確定桁架錨索支護(hù)方案如圖4 所示。

圖4 15103 開切眼優(yōu)化支護(hù)方案Fig.4 15103 open-off cut optimization support scheme

3.3.1 頂板支護(hù)

（1）錨桿支護(hù)。

巷道頂板采用BHRB500 螺紋鋼制作的高強(qiáng)錨桿，抗拉強(qiáng)度為670 MPa，規(guī)格為φ22 mm×2 400 mm，拉斷載荷為255 kN。每根錨桿配2 卷K2360樹脂藥卷錨固。錨桿托盤為150 mm×150 mm×10 mm（長(zhǎng)×寬×厚）的碟形托盤，錨桿采用厚度為5 mm 的W 鋼帶連接到一起。

（2）錨索支護(hù)。

頂板錨索為單體錨索和桁架錨索聯(lián)合布置，錨索直徑為20 mm，1×19 結(jié)構(gòu)，其拉斷載荷為510 kN，延伸率為7%，較之前錨索分別提高25%和75%。

單體錨索的長(zhǎng)度為8 300 mm，鉆孔深度為8 000 mm，采用4 卷K2360 數(shù)值藥卷錨固，配400 mm×400 mm×16 mm（長(zhǎng)×寬×厚）的托盤。

2 根桁架錨索的長(zhǎng)度為9 500 mm，鉆孔深度為8 000 mm，與豎直方向的夾角為20°，采用4 卷K2360 數(shù)值藥卷錨固，桁架錨索底部跨距為2 500 mm。

3.3.2 巷幫支護(hù)

實(shí)體煤幫采用φ20 mm×2 000 mm 高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，回采煤幫采用φ20 mm×2 000 mm 玻璃鋼錨桿，布置方式保持不變。

切巷成型后，安裝支架及設(shè)備之前對(duì)巷道底板利用混凝土進(jìn)行鋪底硬化，強(qiáng)度不低于C20，厚度為200 mm。

3.4 應(yīng)用效果

為驗(yàn)證桁架錨索支護(hù)效果，在15103 工作面掘進(jìn)過程中，采用十字布點(diǎn)法布置測(cè)點(diǎn)對(duì)巷道變形進(jìn)行觀測(cè)。由于后期需要對(duì)底板進(jìn)行臥底硬化，因此底板變形不予觀測(cè)。2 號(hào)測(cè)點(diǎn)的頂板下沉量?jī)蓭妥冃斡^測(cè)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 巷道變形觀測(cè)結(jié)果Fig.5 Roadway deformation observation results

由圖5 可以看出，開切眼掘進(jìn)初期，變形速率相對(duì)較快，大變形持續(xù)時(shí)間約為10 d 左右，之后巷道變形進(jìn)入穩(wěn)定期，該階段頂板下沉量約為44 mm，回采幫鼓出量約為21 mm。開切眼二次擴(kuò)幫掘進(jìn)時(shí)，巷道再次出現(xiàn)變形，但時(shí)間較短，最終頂板下沉量為66 mm，回采幫鼓出量為27 mm。巷道變形量較小，保證了工作面設(shè)備的正常安裝。

4 結(jié)論

（1）景福礦15 號(hào)煤為典型的“硬頂軟底”煤層，承載基礎(chǔ)差，15103 工作面開切眼寬度達(dá)到9 m，頂板壓力大，且煤層厚度不均勻，造成部分區(qū)域有煤頂，巷道變形量大。

（2）與單體錨索相比，桁架錨索增大了與頂板的接觸面積，且錨固點(diǎn)位于巷道兩幫上方的穩(wěn)定巖體中，受巷道變形的影響較小。在巷道變形時(shí)同步受拉，支護(hù)力變大，可有效控制巷道頂板的變形。

（3）礦壓觀測(cè)表明，優(yōu)化后的桁架錨索支護(hù)方案巷道頂板下沉量為66 mm，回采幫鼓出量為27 mm，減沉80%以上，并且減少了巷道維修量，保證了工作面設(shè)備的正常安裝，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。