焦煤集團臺頭前灣煤業破碎頂板條件切眼支護技術

孫傳文

（焦煤集團臺頭前灣煤業有限公司，山西鄉寧 042100）

0 引言

開切眼作為采煤工作面回采的起始點，其支護效果直接影響了工作面的安裝，對工作面安全高效回采具有重大意義。由于開切眼跨度較大，頂板容易破碎，且應力易集中，所以較難支護[1]。本文針對臺頭前灣煤業2#煤層綜采工作面開切眼頂板破碎，支護困難的問題，從分析開切眼圍巖巖性入手，提出開切眼破碎頂板加強支護方案并應用于現場。

1 工程概況

2S230 綜采工作面位于井田南部，埋深676 m～867 m。工作面沿山西組2號煤層底板回采，工作面開切眼設計長度200 m，開切眼跨度9 m，高4 m。煤層傾角平均為5°，煤層厚度平均為4.3 m。工作面頂底板巖性分布情況如圖1所示。

圖1 工作面頂底板綜合地質柱狀圖

由圖1 可知，頂板偽頂為砂質泥巖，厚度0～0.4 m；直接頂為3 m～5 m厚的粉砂巖；基本頂由細粒砂巖組成，厚度7 m；直接底多為泥巖,局部為粉砂巖，平均厚度為2.4 m；老底以粉砂巖為主，平均厚度2.9 m。各巖層的物理力學參數見表1。

表1 頂底板巖石物理力學參數表

由于開切眼斷面較大，埋藏較深且頂板較破碎，支護較困難，因此有必要對大斷面破碎頂板開切眼的施工方案及支護方案進行合理的設計。

2 施工方案

為有效的控制破碎頂板及兩幫，決定分兩次掘進開切眼，即先掘進出寬度為4.7 m，高度為4 m 的單切眼，再掘進出寬度為4.3 m，高度為4 m 的擴巷切眼。切眼開口采用掘進機進行作業，循環進度為800 mm，以短距離“正臺階”法向前推進。

（1）第一次單切眼掘進施工方案。①掘進作業前做好安全檢查；②掘進機從左幫上部進刀截割，兩幫預留200 mm～500 mm的保護層。③敲幫問頂，去除隱患活矸石；④采用ZLJ-20機載臨時支護裝置向上打開升起進行臨時支護；⑤采用8#鐵絲掛頂錨網，雙絲雙扣隔孔相聯，每100 mm聯接一組；⑥頂板鉆孔，安裝頂錨桿及頂錨索；⑦掘進貫通后，拆除膠帶輸送機，使掘進機撤出；⑧鋪設幫錨網，打幫部錨桿及U型支梁共同支護；⑨架設第一道及第二道托棚。

（2）第二次擴幫支護施工方案。①安全檢查（頂板、瓦斯、積水、工程質量等）；②擴幫截割，切割寬度4.3 m，高度4 m；③～⑨的施工方案與單切眼掘進方案相同；從第⑩步開始，掘進機每向前二次截割切眼達10 m，在初次切眼與二次擴切眼之間架設1排木垛；?拉線架設第三道及第四道托棚（一梁四柱）。

3 開切眼加強支護參數設計

3.1 開切眼圍巖巖性分析

為使設計的支護方案合理，需對工作面開切眼圍巖的巖性進行觀測分析。從距開切眼端部2 m處每隔20 m布置一個觀測孔，孔長均為10 m。鉆孔觀測結果如圖2所示。

圖2 鉆孔觀測結果分析

由圖2可以看出頂板1.2m～2.1m范圍內的圍巖破碎較嚴重；2.1 m～6.2 m范圍內的圍巖較破碎，但存在多處裂隙；而6.2 m～10 m 圍巖完整，因此確定出開切眼圍巖松動圈的范圍為1.2 m～2.1 m。通過對取樣做巖石力學實驗得出，頂板上覆巖層平均容重為24 kN/m3，普氏系數平均為2.3。

3.2 支護方案及參數設計

（1）頂錨桿支護設計

開切眼開挖后，圍巖應力二次分布，由于切眼斷面較大，頂板中部受拉，經平衡后形成拱形結構，稱之為壓力拱。則巷道頂板的壓力僅來自于壓力拱內圍巖的自重。為得出拱內圍巖自重，可根據普氏拱理論[2]，先由下式先計算出自然平衡拱的最大跨度a：

式中b——開切眼跨度，m；

h——開切眼高度，m；

φ——圍巖內摩擦角，（°），取35°。

將切眼跨度b=8 m，切眼高度h=4 m 帶入上式得開切眼自然平衡拱最大跨度a=10 m，切眼自然平衡拱最大高度，則壓力拱內每排錨桿承受的圍巖最大自重G用下式表示[3]：

式中D——錨桿排距，取0.8 m.

得出壓力拱內圍巖自重G=825.6 kN。根據圍巖松動圈為1.2 m～2.1 m，頂錨桿選取φ20×2 400 mm 左旋螺紋鋼強力錨桿，每根錨桿設計錨固力取82 kN，則每排需打825.6 kN/82 kN=10.06，取10 根錨桿。根據以往工程類比，開切眼兩邊上隅角寬度各留250 mm，則頂錨桿的間距為750 mm。

（2）幫錨桿支護設計

開切眼巷道開挖頂板壓力拱形成后，拱腳兩幫承受的應力重新分布，垂直應力與水平應力都增大，導致切眼兩幫煤壁發生破碎形成松動圈。開切眼兩幫煤壁破壞深度c 可由下式計算[4]：

式中K——側壓集中系數，取0.84；

Z——煤層埋深，取680 m；

N——采動影響無因次參數，取2；

f1——煤層普氏系數，取2.0；

m——煤層平均厚度，4.32 m；

φ1——煤的內摩擦角，取30°。

得煤壁破壞深度為c=0.925 m。幫錨桿總長度L應滿足，L＞L1+L2+L3，L1為錨桿外露長度（幫錨桿取0.1）；L2為錨桿有效長度（既巷幫煤壁破壞深度c）；L3為錨桿錨入煤層破壞范圍的深度（幫錨桿取0.6 m）。則L＞0.1+0.925+0.6=1.625 m，由此幫錨桿選取φ20×2 000 mm 左旋螺紋鋼強力錨桿，2m＞L=1.625 m，錨桿間排距800 mm×800 mm。

（3）頂錨索支護設計

由于切眼頂板1.2 m～2.1 m 圍巖破碎較嚴重，2.1 m～6.2 m 圍巖破碎程度較低，但有多處裂隙發育，6.2 m以上的圍巖均較完整，因此決定選用φ22×6 500 mm的錨索鋼絞線。運用懸吊理論等對錨索的間排距進行校核。則切眼頂錨索的排距可由下式計算[5]：

式中n——錨桿排數，取1；

B——巷道最大冒落拱寬度，10 m；

H——巷道最大冒落拱高度，4.3 m；

F2——頂錨桿設計錨固力，82 kN；

F1——錨索極限承載力，400 kN；

θ——角錨桿與頂板夾角，80°；

L1——頂錨桿排距，0.8 m。

L ≤82/[10×4.3×24－（2×400×sin80°）2×400×sin80°）／0.8]=1.737m，因此選取錨索排距為1 500 mm，同時根據頂板懸吊圍巖自重及錨索極限承載力確定出每排錨索的數目應不低于4根，為安全起見，每排打5根錨索，錨索間距1 900 mm。

根據上述支護理論計算及校核，確定出2s230 綜采工作面開切眼破碎頂板加強支護的具體設計參數如下：

①頂錨桿選用φ20×2 400 mm 左旋螺紋鋼強力錨桿，設計錨固力82 kN，間排距750 mm×800 mm，每排布置10 根；②幫錨桿選用φ20×2 000 mm 左旋螺紋鋼強力錨桿，設計錨固力70 kN，錨桿間排距均為800 mm，各幫每排布置5 根；③頂錨索選用φ22×6 500 mm的長錨索鋼絞線，錨索極限承載力為400 kN，錨索間距1 900mm×1 500mm，與頂錨桿間隔式布置，每排布置5 根；④頂錨桿及幫錨桿的錨固劑均選用Z3537 中速樹脂錨固劑2 根，錨索選用4 根加長MSZ2635 樹脂錨固劑；⑤考慮到鋼絲網不能有效防止破碎頂板巖石冒落，需架設托棚支護，長度3 500mm，共布置4道；⑥初次掘進及二次擴幫時，為避免采動應力集中導致頂梁變形嚴重，需架設單體液壓支柱，采取“一梁四柱”的支護形式；⑦由于切眼跨度較大，巷道兩幫承受的垂直應力增大，為減少兩幫的塑性破壞，可采用U型支梁與幫錨桿形成共同支護結構，使巷幫與深部煤巖體相連增強整體性。支護方案如圖3所示。

圖3 開切眼支護斷面圖

4 現場礦壓觀測分析

已知2S230 綜采工作面開切眼施工共歷時62 d，使用巷道十字位移測點法對開切眼圍巖位移量進行監測。自開切眼10 m 處開始布置第一個測點，后每隔30 m布置一個測點，共布置6個測站。6個測站頂底板及兩幫圍巖最終最大移進量觀測結果見表2。

表2 開切眼施工圍巖移進量

選取6個測點中圍巖位移變量最大的4#測點繪制曲線圖，對支護效果進行分析。其中，4#測點位于距切眼端部110 m 處，其頂板位移監測結果見圖4，開切眼初次掘成形成小斷面10d 內采動影響較大，僅有部分錨桿網及托棚支護頂板，兩幫也僅為幫錨桿支護，所以圍巖位移變化較劇烈，10 d 內頂板下沉量劇增至110 mm，速度達11 mm/d，兩幫圍巖移進量達到52 mm；施工進行40 d后，此時開切眼初次斷面已成型，支護系統也已基本布置成型，頂板下沉量在110 mm～186 mm之間，位移速度2.5 mm/d，兩幫圍巖位移量達到了135 mm；開切眼二次擴巷施工在40 d～62 d 內完成，施工期間由于采掘擴巷的擾動影響，圍巖會發生較劇烈的位移變形，但是得益于支護方案的合理設計，支護施工效率較高，二次擴巷期間頂板圍巖下沉量最大為268 mm，兩幫圍巖位移量達到了183 mm，62 d后頂板位移量基本保持在268 mm，兩幫移進量保持在183 mm，直至工作面安裝完成。2S230綜采工作面開切眼加強支護后的圍巖位移量相比于本礦類似工程地質條件 下的2S223綜采工作面開切眼支護施工過程中頂板、兩幫圍巖位移量分別為387 mm 及345 mm，圍巖位移量較小，控制效果明顯，說明設計的加強支護支護方案有效地解決了綜采工作面開切眼破碎頂板的支護難題。

圖4 開切眼圍巖位移曲線

5 結論

通過分析2S230綜采工作面開切眼的巖性及頂板破碎程度，得出了頂板、兩幫的圍巖松動圈范圍，并以此為基礎選取了支護方案：采用錨桿、錨索網對頂板、兩幫加固，并架設托棚木垛及單體液壓支柱配合的聯合加強支護。現場實施后，觀測結果表明：施工62 d后開切眼頂板圍巖最大位移量為268 mm，兩幫圍巖最大位移量為183 mm。相比于該礦類似工況下的切眼支護，加強支護有效控制了2S230 綜采工作面開切眼破碎頂板及兩幫的圍巖變形，一次性保證了開切眼的穩定，為工作面高效安裝提供了保障，為類似工程條件的切眼支護提供了經驗。