沖擊地壓礦井大斷面開切眼支護參數技術研究

摘 要：隨著科學技術的發展，煤礦機械化程度的提高，綜放工作面的開采日益普遍，需要開切眼的斷面也相繼變大。彬長胡家河煤礦煤層埋藏較深，經過鑒定本煤層存在沖擊地壓的危險，為了保證大型綜放設備的安裝，采用二次掘進的方法施工切眼，切眼最寬處可達10m。二次掘進時，巷道發生沖擊地壓現象，為了保證工作面順利安裝，采用了“卸壓+加強支護+讓壓”的方法，通過監測和現場觀察驗證了支護的可行性。事實證明，該優化后的支護參數可靠性，為其他具有沖擊地壓和大斷面開切眼的礦井提供可靠的參考依據。

關鍵詞：沖擊地壓；二次掘進；大斷面開切眼；支護參數

引言

沖擊地壓是指井巷或工作面周圍巖體，由于彈性變形能的瞬時釋放而產生突然劇烈破壞的動力現象，常伴有煤巖體拋出、巨響及氣浪等現象。2015年1月15日，北京天地科技公司提交了礦井沖擊傾向性鑒定報告，報告結果表明胡家河礦4#煤層具有強沖擊危險性。2月15日省煤監局組織專家對該鑒定報告進行了評審，專家組一致認為沖擊地壓鑒定報告科學合理、切實可行。

陜西彬長胡家河礦業公司經鑒定為沖擊地壓災害礦井，經統計，2014年礦井累計沖擊地壓顯現8次，2015年礦井累計發生沖擊地壓顯現3次。以上沖擊地壓顯現時均給現場造成了嚴重的破壞，瞬間造成巷道頂板下沉、漏頂，底板鼓起、開裂，幫部收斂、片幫，風、水管路掉落，皮帶散架，綜掘機移位，設備損壞，巷道揚塵嚴重，人員受傷等嚴重破壞現象，導致正常生產無法繼續開展，現場施工人員人身安全受到嚴重威脅等。在胡家河礦井，由于沖擊地壓顯現造成的破壞曾經導致巷道頂板瞬時下沉量達到0.8m，兩幫收斂量達到2m，底板鼓起量達到1.5m，出現漏頂的情況下甚至導致通風受阻、無法排水的危險情況，往往給礦井帶來次生災害。另外，由于沖擊地壓災害導致巷道掘進速度減慢，巷道無法按時完工，礦井采掘接續陷入困局，導致困局半年時間內無煤可采，給礦井的生產經營帶來巨大挑戰。沖擊地壓給一線工人也帶來了巨大的心理壓力，經歷過沖擊地壓顯現的工人由于無法適應這種危險環境，大多選擇了離開一線崗位，最終導致一線員工大量流失，無法組織生產活動。在煤礦災害治理方面，國際上一致認為沖擊地壓是目前最難治理的地質災害之一。

1 工程概況

1.1 地質概況

該工作面為4號煤層，賦存穩定，厚度19.5～26.5m，平均厚度約22.0m，總體趨勢從工作面南西側向北東側逐步變薄，上分層平均可采厚度約13.5m。煤層底板埋深664～750m，總體趨勢從工作面西側向切眼先減小再增大，工作面最西側煤層底板埋深約730m，向切眼方向總體趨勢逐步變淺，距離切眼約1180m處底板埋深最淺，約664m，然后向切眼逐步變深，最深達745m。底板標高+335～+450m，總體趨勢從工作面南西側向北東側煤層底板逐步升高，最高處為切眼附近。煤層結構簡單，一般含兩層夾矸，且位于煤層的中上部，夾矸厚度一般小于0.3m。4號煤層為穩定煤層，其頂板巖性以灰～深灰色粉砂巖、泥巖為主，底板則以灰～灰褐色鋁質泥巖為主。

1.2 施工概況

開切眼采用二次成巷的掘進方式，一次掘進斷面寬為5.1m，高為3.7m；二次掘進斷面寬為3.4m，高為3.7m。最終形成斷面寬為8.5m，高為3.7m的大型斷面。（見圖1、圖2）

2 圍巖破壞變形因素分析

（1）原巖在未開挖時，原巖應力在一定時期內是相對平穩。當開挖后，切眼圍巖的原應力遭到破壞，導致應力重新分布，從而引起周圍巖體的變形、位移、甚至破壞。

（2）401105工作面埋藏較深，煤層底板埋深約為664～750m。開采深度越深，上覆巖層重量越大，支承應力越高，因此，切眼變形及破壞的程度也隨之增大。

（3）工作面厚及特厚煤層具有沖擊危險性為沖擊地壓的發生提供了條件。401105工作面煤層厚度19.5～26.5m，平均厚度約22.0m，上分層平均可采厚度約13.5m。因此，施工切眼時極有可能發生沖擊地壓現象。

（4）開切眼寬度也是影響變性原因之一。在埋深、斷面形式、圍巖特性等影響因素確定的條件下，跨度對圍巖松動范圍的影響表現為：跨度越大，頂板松動范圍越大，頂板越易失穩。

3 大斷面切眼支護理論

大斷面開切眼支護控制頂板是關鍵，胡家河礦401105工作面切眼采用采用二次掘進的方法，高強度錨索網和單體液壓支柱聯合支護，有效地控制頂板下沉。

（1）傳統的支護理論認為錨桿、錨索主要起懸吊作用。錨桿、錨索的高強度支護可以對切眼圍巖施加一定的壓力，在頂板錨固區域內形成“壓力帶”，使圍巖由單向或雙向應力狀態轉變為三向應力狀態，變被動為主動，有效地減弱圍巖的受拉、受剪破壞，改變圍巖的應力狀態，可以有效控制圍巖離層、裂隙發育等變形。

（2）通過二次掘進可以在先掘進的巷道基礎上，使用單體液壓支柱輔助支護，從而達到減小開切眼有效跨度的作用，在一定程度上改善頂板巖層結構的整體性，有利于大斷面切眼的施工和頂板的管理。

4 支護方案設計

開切眼開挖后，會引起圍巖應力的重新分布，煤層本身具有沖擊性，胡家河礦井提出了“卸壓+加強支護+讓壓”支護方法。

4.1 沖擊地壓解危措施

401105工作面切眼分兩次施工，均采取迎頭大孔徑卸壓措施，三花眼布置，孔徑為113mm，孔深50m，距底板高度為1200mm。每掘進40m工作面迎頭重新施工一組大孔徑卸壓孔，一次掘進施工卸壓孔孔間距1.2m，二次刷擴時卸壓孔孔間距0.8m。

4.2 巷道支護參數

（1）錨桿采用φ22×2500mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為700×700mm矩形布置，外露長度10～40mm，錨桿托板采用Q235鋼板，規格為150×150×8mm，頂部錨桿固定W鋼帶，規格5100×280×3mm，兩幫鋼帶以下錨桿固定鋼筋梯相連，鋼筋梯用φ14圓鋼加工，規格為100×1500mm，100×2200配合使用。

（2）網片采用8#鍍鋅鐵絲網，網幅1000×10000mm，搭接長度為100mm，使用16#雙股鐵絲隔孔相連，扎距為200mm。

（3）錨索采用φ21.8×7100mm鋼絞線，間排距1200×1400mm，3-3矩形布置，錨索托盤采用300×300×16mmQ235碟形托盤、導向環，錨索梁采用1800mm長20#槽鋼，距兩端200mm處各打設長50mm×寬25mm的孔一個，每個錨索梁打設2根錨索，平行于巷道中心線方向布置。

錨桿錨固力頂板為120KN（17.6MPa），幫部為100KN（14.7MPa）；錨索預緊力不低于200KN（29.4MPa），錨固力不低于300KN（44.1MPa）。

5 礦壓觀測

（1）錨桿（索）受力監測。錨桿（索）測力計可以反映出巷道支護后，巷道錨桿（索）工作狀態，指導安全施工。錨索測力計在頂部位置處布置3個，錨桿測力計在頂部布置3個，左、右兩幫各1個。

（2）頂板離層監測。利用九點離層監測儀對頂板深部巖層的移動進行監測，及時分析監測數據，發現深部位移量稍大時及時反饋，進行加強支護，保證巷道安全。

（3）巷道表面位移監測。利用帶收斂環的錨桿碟形托盤對巷道斷面進行收斂監測。

（4）通過微震和地音系統進行沖擊地壓監測。未發現頂板下沉現象，掘前卸壓和巷道加密布置提高了巷道的穩定性。

6 結束語

（1）為了保證大型設備的安裝，大斷面切眼二次掘進，并配合單體液壓支柱支護，減小了上覆巖層的壓力，有利于頂板管理。

（2）采用“卸壓+加強支護+讓壓”的理論，同時加密錨索布置起到了減跨的作用，巷道頂板更加完整，有效地防治了沖擊地壓的發生。為其他沖擊地壓大斷面切眼的施工提供了參考依據。

參考文獻

[1]胡家河礦井工作面巷道支護參數研究技術研究報告[R].2012（9）.

[2]朱建明，楊沖.特大斷面開切眼分次掘進支護參數優化[J].金屬礦山，2012（9）：9-12.

[3]曲建光，大跨度開切眼圍巖強化控制技術研究[J].煤炭科學技術，2015（7）：1-3.

作者簡介：焦小年（1968-），男，陜西洛南人，工程師，畢業于重慶煤炭工業學院礦井建設專業，現就職于陜煤彬長胡家河礦業有限公司，從事于沖擊礦壓、煤礦開采相關研究工作。