切眼大斷面圍巖控制一次成巷快速掘進技術概述

樊綱

華晉焦煤有限責任公司沙曲二號煤礦 山西 呂梁 033000

前言

沙曲二號煤礦井下回采巷道支護現狀存在支護系統中核心支護參數預緊力的作用認識不足，預緊力偏低，初期支護強度小；支護系統剛度低，較低的支護剛度難以發揮錨桿主動支護作用優勢。礦井現采用直徑22mm，335號頂板錨桿；直徑18mm或20mm，335號幫錨桿；直徑17.8mm或21.6mm錨索。頂幫錨桿預緊扭矩200N.m，直徑17.8mm錨索初始張拉預緊力110kN，直徑21.8mm錨索初始張拉預緊力120kN。支護材料強度高但未發揮主動支護作用。支護設計主要依據經驗、理論公式，設計無針對性和差異性，地質力學參數匱乏，加固方案靠經驗；存在錨桿、錨索布置在同一排情況。錨桿、錨索設計錨固力與要求有較大差距；錨桿支護構件結構不合理；錨索張拉等待時間過短，錨桿存在二次預緊現象，部分錨桿（索）施工質量不合格，聯網質量差；施工驗收標準低。4901工作面切眼跨度大、幫部煤巖交互，為確保工作面安裝期間切眼的穩定性，不再打設密集的單體支柱，且實現一次掘進成巷，保障生產銜接，必須專門依據4901工作面切眼實際生產、地質條件，制定有針對性圍巖控制技術[1]。

1 4901工作面概況

4901工作面東南面為九采區三條集中巷道，東北面4901膠帶巷，西南面為4901回風巷，其他為未開掘區。4901工作面切眼沿4#煤跟頂拉底施工，煤層厚度1.8～2.2m（平均厚度2.0m），傾角4°，硬度0.73。煤層直接頂為4.9m細粒砂巖，老頂為2.6m泥巖，直接底為3.1m細砂巖，老底為3.2m砂質泥巖。工作面標高+295～+330m，地面標高+815～+925m。4901切眼沿4#煤跟頂拉底施工，設計掘寬7.0m，掘高2.7m，掘進斷面18.9m2，掘進目的是滿足回采時智能化設備安裝需要。

2 巷道圍巖控制支護形式和參數選擇原則

針對4901工作面地質生產條件，為了充分發揮錨桿支護的作用，要遵循一次支護原則、相互匹配原則；臨界支護強度與剛度原則和可操作性、經濟合理性原則外還有幾項要注意的：

（1）高預應力和預應力擴散原則。預應力是錨桿支護中的關鍵因素，為了提高預應力的標桿支護，現在托辦、鋼帶等的使用擴大了受力范圍，提高錨固體的整體剛性與完整性，從而更充分發揮錨桿支護的作用。

（2）“三高一低”原則。即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。在提。高錨桿強度（如加大錨桿直徑或提高桿體材料的強度）、剛度（提高錨桿預應力、全長錨固），保證支護系統可靠性的條件下，降低支護密度，減少單位面積上錨桿數量，提高掘進速度[2]。

3 4901工作面切眼支護方案

經過數值模擬，結合工程實踐經驗在預應力一定的條件下，錨索越長，錨索預應力的作用越不明顯，主動支護性越差。因此，可得出以下研究結果：當預應力一定時，短錨索的主動支護作用優于長錨索；錨索越長，施加的預應力應越大，才能充分發揮錨索的支護作用；通過提高錨索的預應力，可適當減少錨索長度；根據目前錨索預應力水平，錨索不宜過長。經數值模擬分析，確定4901工作面切眼采用樹脂加長錨固高預應力強力錨桿（索）組合支護系統。考慮到生產的要求和巷道圍巖變形預留量，具體支護方案如下：

3.1 頂板支護

頂板支護采用Φ22×2400mm螺紋鋼錨桿，配套使用一塊130mm×130mm×16mm高強度拱形可調心托盤、調心球墊和減摩尼龍墊圈，碟形高度不低于36mm。長4400mm×250mm×5mm 6眼“W”鋼帶（肋高不低于 25mm）與長2800mm×250mm×5mm 4眼“W”鋼帶（肋高不低于25mm）重疊一個眼并配合菱形金屬網（5×1.1m）進行護頂支護。頂錨間排距為800mm×900mm，全部打注在“W”鋼帶眼內，垂直于頂板打注，頂錨鉆頭直徑為 30mm，錨固端依次上兩支MSCK2455樹脂藥卷，錨桿預緊扭矩：≥350N.m，錨固力不得低于127KN。錨索4-3-4-3布置（錨索規格：Φ21.8×8200m 7芯），配套使用一塊300mm×300mm×16mm高強度可調心拱形托盤、調心球墊及配套鎖具，碟形高度不低于58mm。錨索間排距為1600mm×900mm，垂直于頂板打注，錨索鉆頭直徑30mm，錨固端依次上三支MSCK2455樹脂藥卷，要求錨索初始張拉預緊力不得低于250KN，錨固力不得低于300KN[3]。

3.2 巷幫支護

圖1 4901工作面切眼各斷面錨桿索支護布置圖（單位：mm）

落山幫側均采用Φ20×2000mm螺紋鋼錨桿（螺紋段長度不低于 150mm）、1.9米3眼圓鋼鋼帶，配套使用一塊130mm×130mm×16mm高強度拱形可調心托盤，調心球墊和減摩尼龍墊圈，碟形高度不低于36mm，10×1m雙抗網支護。采煤幫側采用Φ20×2000mm玻璃鋼錨桿、Φ150×8mm玻璃鋼錨桿托盤、350mm×200mm×60mm木托板以及10×1m雙抗網支護。幫錨桿最上一排幫錨距頂板為0.3m，間距0.8m、排距0.9m；幫錨鉆頭直徑為28mm，錨固端上一支MSCK2455樹脂藥卷，錨桿預緊扭矩：≥300N.m，錨固力不得低于105KN。4901工作面切眼各斷面錨桿（索）支護布置如圖1所示。

4 礦壓監測

4901切眼礦壓監測分為綜合監測和日常監測，綜合監測主要作用是驗證或修改初始設計，日常監測主要是為了保證巷道安全。

綜合監測在4901工作面切眼設置綜合礦壓測站。開始施工后，掘進工作面開口處安裝第1個測站，再向前掘進30m安裝第2個測站，以此類推每個30m安裝一組監測站。每個測站包括2個巷道表面位移監測斷面，1個頂板離層監測斷面，1個錨桿受力監測斷面，1個錨索受力監測斷面。日常監測包括三部分內容，錨桿錨固力抽檢，頂板離層觀測和錨桿預緊力矩檢測[4]。

5 效果分析

（1）4901切眼頂板下沉量監測為0，幫部移近量在0～4mm，平均3mm；底鼓量在0～6mm，平均4mm；巷道斷面未發生明顯變化，支護效果佳。

（2）形成沙曲二號煤礦大斷面切眼高預應力錨桿支護技術體系，改善了井下工作面切眼支護現狀，保障了頂板安全，減輕了工人勞動強度，且降低了支護密度。

（3）4901切眼施工期間未進行二次擴幫支護及使用單體液壓支柱，大大節約了支護成本，較原支護節約材料費用110.2萬元。

（4）4901切眼實現大斷面一次成巷，避免了之前二次成巷工藝復雜，掘進速度慢等弊端，較之前縮短施工工期約21天，節約人工成本約48萬元，且大大緩解了生產銜接。

（5）4901切眼大斷面一次成巷快速掘進技術，為同類條件下切眼的支護提供參考和理論依據。

6 結束語

（1）在預應力一定的條件下，錨索越長，錨索預應力的作用越不明顯，主動支護性越差。相反，想要提高預應力，可以適當縮短錨索長度，來達到預期的效果。

（2）使用鋼帶讓錨桿預應力得到了有效擴散，從而使錨桿能有效支護錨桿間的圍巖，明顯改善了整理的支護效果。

（3）選擇科學合理的支護方式后，18.9m2大斷面巷道無須二次成巷，也無須進行滯后單體補強支護，可實現一次成巷快速掘進。