厚煤層大斷面切眼新型支護設計方案及應用

王 坤

(同煤集團 晉華宮礦，山西 大同 037016)

1 概 況

隨著煤炭工業的迅速發展和機械化開采程度的不斷提高，巷道斷面逐漸增大，尤其是工作面開切眼，為了適應大型設備搬家安裝，巷道跨度達到8 m 以上，開切眼斷面多為矩形，兩幫為煤層，頂板為煤層或巖層，圍巖強度較低，受力復雜，圍巖變形量和破裂范圍都很大，這些都直接影響該類巷道的穩定性，支護較為困難。

同煤集團晉華宮礦為多井口大型礦井，年產量450 萬t，主要含煤地層為下侏羅統大同組，含煤地層厚度133.22～247.47 m，一般為189.27 m，屬于典型的內陸河湖沉積，因此，在時間和空間上，煤層頂底板巖性變化大，頂板軟弱夾層時常存在，對頂板的穩定性產生了極其不利的影響。南山井12#煤層402 盤區8208工作面切眼的支護中就深受頂板軟弱夾層的影響，該煤層埋深343.7～368.9 m，煤層厚度為1.5～7.85 m，平均厚度為5.74 m，傾角2°～12°，平均為7°，采用MG1100/2760－GWD 型雙滾筒采煤機采煤，最大截割高度為5.83 m。煤層工作面地層綜合柱狀圖見圖1，由圖1 可以看出，在煤層頂板上方存在1.7 m 左右的砂質泥巖和煤的軟弱夾層，切眼頂板支護難度大。

圖1 8208工作面綜合柱狀圖

本文分析了傳統切眼支護設計方法的不足，在以往工程經驗的基礎上進行創新，提出了“支柱減跨，漸變錨索，強頂弱幫”的切眼新型支護參數設計思想，并進行了工程應用，降低了切眼支護的工作量，節約了支護成本，取得了良好的效果。

2 切眼常用支護方案設計

綜放工作面切眼以往多為架棚支護，由于架棚支護巷道作業空間小，綜放支架安裝、回撤困難。隨著機械化程度的提高和巷道斷面尺寸的不斷加大，錨索網支護設計逐漸被應用到切眼的支護設計中。

1)錨桿長度:

式中:

W—巷道跨度，m，取8.4;

N—圍巖穩定影響系數，m，取1.1;

故選用2.2 m 長的錨桿合理。

錨桿直徑:

D=L/110=0.02 m，取22 mm，故選用直徑22 mm的錨栓合理。

2)錨桿間排距:

式中:

a—錨桿間排距，m;

Q—錨桿設計錨固力，kN/根，取83.3;

H—冒落拱高度，H=W/(2f)=2.4 m;

f—巖石堅固性系數，砂質泥巖取1.8;

γ—被懸吊砂巖的重力密度，kN/ m3，取25;

K—安全系數，一般取2。

故取錨桿間排距為700 mm。

3)錨索長度及間排距:

根據經驗，錨索的間排距一般為錨桿的2 倍，故確定其間排距為1 400 mm，錨索的長度計算主要是根據頂部懸吊作用，根據地質巖層情況，取錨索長度為8.0 m。100 m 切眼所用支護材料見表1。

3 新型切眼支護方案設計及應用

3.1 新型支護方案特點

1)支柱減跨。

表1 100 m 巷道常用設計所需錨桿(索)數量統計表

跨度大是煤巷切眼的最大特征之一，也是增加巷道支護難度的最主要因素，研究表明［4］，巷道頂板的最大下沉量與巷道跨度的四次方成正比，當巷道的跨度增加2 倍時，頂板最大下沉量則為原來的16 倍。為適應大型機械的生產安裝，目前切眼的跨度達到8 m以上，是順槽的2 倍，甚至更多，這就需要加大對頂板變形的控制。以往的工程中，頂板的變形破壞都是通過大量錨桿、錨索來控制，而在對晉華宮礦12#煤層402 盤區8208工作面切眼進行支護設計時，為了切實的改善由于巷道跨度的增大給支護帶來的困難，在巷道中間布設了2 排可回收單體液壓支柱，將巷道的跨度減小為原來的1/3，大大降低了頂板支護的難度。

2)漸變錨索。

根據實驗室測得的圍巖力學參數和巷道的地質條件，采用FLAC3D［5－7］對8208工作面切眼無支護時進行模擬，塑性區及位移分布圖見圖2。從圖2 可以看出，頂板最大塑性區厚度為2.5 m，與第1 節冒落拱高度吻合，說明數值模擬能很好地反應實際情況。巷道開挖后，若無支護，頂板塑性區厚度和位移在中部最大，向兩幫依次減小，因此，在支護設計時應該根據需要進行相應的調整。在8208工作面切眼支護設計時，采用10 m、8 m 和6 m 三種長度的錨索，從頂板中部向兩側長度依次減小，間距1 500 mm，排距3 000 mm，取得了較好的效益。

圖2 8208工作面切眼無支護時塑性區及位移分布圖

3)強頂弱幫。

頂板是巷道中最為重要的部位，許多事故都是由于頂板的冒落造成的，因此，加強對切眼頂板的支護十分必要。但與此同時，切眼巷道往往只有幾個月的服務時間，周圍的煤層未經開采，作用在兩幫的支承壓力較小，因此，在保證頂板安全的情況下可以對兩幫的支護強度加以弱化。在晉華宮礦12#煤層402 盤區8208工作面切眼的兩幫僅安裝2 排錨桿用以固定金屬網，防止兩幫表面煤層的脫落。

3.2 新型支護方案設計

根據多年來在切眼支護中積累的經驗，結合上述分析，對晉華宮礦12#煤層402 盤區8208工作面切眼的支護進行了創新，支護參數如下:

錨桿選用無縱筋高強螺紋鋼錨桿，直徑18 mm，長度2 000 mm，間排距1 000 mm×1 000 mm;錨索選用1 ×7 股d17.8 mm 高強鋼絞線錨索，長度分別為6 000 mm、8 000 mm 和10 000 mm，間排距1 500 ×3 000 mm;選用DW40－150/100X 型柱塞懸浮式單體液壓支柱帶0.8 m 長的H 型鋼頂梁，柱間排距3 400 ×2 000 mm，錨桿(索)托盤及錨具都選用配套裝置，支護參數見圖3，100 m 巷道所用支護材料見表2。

圖3 8208工作面切眼支護橫斷面圖

表2 100 m 巷道新型設計所需錨桿(索)數量統計表

從表1 和表2 可以看出，與目前常用的切眼支護設計方法相比，支護100 m 8208工作面切眼，新型支護方案所用錨桿和錨索總長度都約為前者的1/3，在降低支護材料的同時也大大降低了支護的工作量和支護成本，提高了煤礦的經濟效益和社會效益。

3.3 支護效果監測

根據量測簡單、便于施工、結果可靠、量值顯著、數據易于分析等量測項目選定原則［8］，在8208工作面切眼20 m 里程安設一個觀測站，采用十字布點法監測掘巷期間圍巖變形規律，監測結果見圖4。

圖4 掘巷期間巷道表面位移變化規律

從圖4 可以看出，巷道開挖后20 m 范圍內圍巖位移迅速增加，距掘進迎頭60 m 左右以前的巷道已經基本上保持穩定，整個過程中，頂板下沉量39.5 mm，底鼓24.5 mm，兩幫收斂量60.8 mm，較好地滿足了切眼的安全生產。

4 結論

1)跨度大是增加切眼支護難度的重要因素之一，目前常用錨索網支護設計方法沒考慮到減跨的問題，通過加大錨桿(索)的用量來達到切眼支護的目的，材料消耗大，施工速度慢，經濟效益低。

2)利用可移動、可回收的單體液壓支柱減小切眼的跨度，在保證采煤設備的正常安裝調試的同時，也達到降低切眼支護困難的目的，在晉華宮礦8208工作面切眼支護中得到了較好的應用。

3)在“支柱減跨，漸變錨索，強頂弱幫”的新型切眼支護設計思路的指導下，設計了以單體液壓支柱和漸變錨索為主的新型支護方案，并在8208工作面切眼中應用，現場實測結果表明，切眼從開挖到穩定，頂板下沉量39.5 mm，底鼓24.5 mm，兩幫收斂了60.8 mm，滿足了切眼的正常生產，取得了良好的經濟效益和社會效益，值得其他類似工程借鑒。

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