大跨度5302 切眼一次成巷支護(hù)技術(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳 鵬

（晉城煤業(yè)集團(tuán)長平公司，山西 晉城 048400）

1 工程概況

5302 重型放頂煤工作面位于3#煤層，煤層厚度5.6 m，工作面傾斜長度295.0 m。煤層基本頂為粉砂巖，直接頂和直接底均為泥巖，基本底為粉砂巖。其技術(shù)特征參數(shù)見表1。該工作面在回采至1066 m 處布置有第二切眼，長96 m，第二停采線距第二切眼156 m。切眼工程為矩形斷面，掘進(jìn)斷面10.2 m×5.6 m，凈斷面積54.54 m2。

表1 煤層頂?shù)装寮夹g(shù)特征參數(shù)

2 切眼施工方案選擇

方案①：二次成巷技術(shù)，掘進(jìn)巷道6 m×5.6 m并進(jìn)行支護(hù)，在安設(shè)液壓支架前擴(kuò)幫4 m×3.2 m，形成10.2 m×5.6 m 的切眼。該方案優(yōu)點(diǎn)：初期巷道跨度小，巷道施工及支護(hù)難度較小。缺點(diǎn)：需要二次擴(kuò)幫形成切眼，導(dǎo)致前期支護(hù)工程大量浪費(fèi)和二次破壞，施工進(jìn)度慢，不利于采礦工程的開展。

方案②：一次成巷技術(shù)，一次掘進(jìn)10.2 m×5.6 m 的切眼。該方案優(yōu)點(diǎn)：不會(huì)因?yàn)槎伍_幫導(dǎo)致巷道支護(hù)破壞失穩(wěn)，工藝簡單，進(jìn)度快。缺點(diǎn)：由于該切眼跨度大，一次成巷支護(hù)難度較大，支護(hù)方案必須合理可行。

綜合考慮，為提高生產(chǎn)效率，減少反復(fù)支護(hù)工程，選用一次成巷技術(shù)方案。

3 一次成巷支護(hù)參數(shù)

3.1 基本要求

5302 重型放頂煤工作面切眼作為大跨度一次成巷支護(hù)工程，必須滿足以下4 個(gè)方面要求[1-7]：一是掘進(jìn)后能夠及時(shí)控制切眼的整體形變，保證巷道圍巖的整體穩(wěn)固性；二是支護(hù)工作及時(shí)跟進(jìn)，空頂面積在可控范圍之內(nèi)；三是支護(hù)材料的參數(shù)選擇能夠滿足支護(hù)強(qiáng)度要求，確保支護(hù)巷道服務(wù)年限內(nèi)不變形；四是支護(hù)后的切眼須滿足設(shè)備架設(shè)、通風(fēng)斷面、作業(yè)空間等基本要求。

3.2 一次成巷支護(hù)參數(shù)計(jì)算

支護(hù)方式采用高強(qiáng)度錨桿、鋼筋托梁、錨索、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。本設(shè)計(jì)的支護(hù)理念采用自然平衡拱原理作為支護(hù)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，通過巷道圍巖層關(guān)系來確定巷道支護(hù)的參數(shù)。平衡拱理論認(rèn)為，煤礦巷道在開掘以后，煤層中圍巖層與層間的相互支撐連接關(guān)系被破壞，因此巷道圍巖就向自由空間移動(dòng)從而形成自然平衡拱。

3.2.1 錨桿參數(shù)計(jì)算

（1）錨桿直徑：查資料可知，錨桿直徑不應(yīng)＜17 mm，根據(jù)長平礦支護(hù)施工經(jīng)驗(yàn)，錨桿直徑取22 mm。

（2）錨桿長度計(jì)算公式：

式中：外露長度L1取值0.1 m；錨桿深入基本頂長度L2=[錨桿直徑（0.022 m）×錨桿抗拉強(qiáng)度（670 MPa）]/[4×粘結(jié)強(qiáng)度（6 MPa）]=0.614 2 m；錨桿有效長度L3=圍巖穩(wěn)定影響系數(shù)(0.8)×（1.1+寬度/10）=0.8×(1.1+10.2/10)=1.696 m。

計(jì)算錨桿長度L=L1+L2+L3=2.41 m，取值2.5 m。

（3）錨桿間、排距計(jì)算：

a={Q/[KHr(1.5～1.8)]}1/2=1.24～1.49 m

式中：a 為錨桿間、排距，m；Q 為錨桿設(shè)計(jì)錨固力，190 kN；H 為冒落拱高度B/2f=5.0/（2×3.53）=0.708 m，0.972 m；r 為被懸吊煤巖體的密度，取30 kN/m3；K 為安全系數(shù)，取K=2。

結(jié)合以上計(jì)算可以得出錨桿間距和排距均不應(yīng)大于1.39 m，根據(jù)現(xiàn)有支護(hù)施工經(jīng)驗(yàn)與實(shí)際巷道的寬度，錨桿排距取1.2 m，間距取1.0 m。

3.2.2 錨索參數(shù)計(jì)算

（1）錨索長度計(jì)算公式：

式中：錨索深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長度L1為1.874 m；需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度L2為2.31 m（自然平衡拱高度）；托盤及錨具的厚度L3為0.1 m；外露張拉長度L4為0.2 m。

算得L=1.874+2.31+0.1+0.2=4.484 m。結(jié)合以上計(jì)算取錨索長度應(yīng)不小于4.484 m，考慮現(xiàn)場施工實(shí)際，選擇錨索長度為6.3 m。

（2）錨索數(shù)目：

式中：N 為錨索數(shù)目；k 為安全系數(shù)；P斷為錨索最低破斷力，550 kN；W 為被懸吊巖石的自重，W=巷道掘進(jìn)寬度B×懸吊巖石厚度Σh×懸吊巖石平均容重Σr×錨索排距D，W=5×0.656 25×27×1.2=106.3 kN。

通過計(jì)算N=3。

3.3 支護(hù)方式及參數(shù)

支護(hù)方式示意圖如圖1。

圖1 支護(hù)設(shè)計(jì)圖

3.3.1 頂板支護(hù)

（1）支護(hù)材料規(guī)格型號及要求

錨桿規(guī)格：高強(qiáng)度錨桿，直徑Ф22 mm，長度2.5 m，型號為MSGLW—500/22×2000 高強(qiáng)左旋無縱肋螺紋鋼樹脂錨桿，配套拱形高強(qiáng)度托盤、MSK2335 型錨固劑。頂網(wǎng)規(guī)格及搭接方式：采用金屬網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)片型號為JW10/35×35-1.4×5.4，網(wǎng)孔規(guī)格為35 mm×35 mm，網(wǎng)片規(guī)格1.4 m×5.4 m，每排2 片。

頂錨索規(guī)格：型號SKP22-1/1720-6300，直徑Ф22 mm，長度6.3 m，尾部配套高強(qiáng)度鎖具；錨索托盤規(guī)格：300 mm×300 mm×16 mm。鋼筋托梁：T4600×80/16 80×80。其中16-圓鋼直徑16 mm，8-鋼帶寬度80 mm，4600-鋼帶長度4.6 m，網(wǎng)孔規(guī)格80 mm×80 mm。

（2）頂板支護(hù)參數(shù)及布置方式

錨桿布置：以施工中線為基準(zhǔn)，先按照錨桿間距與施工中線的相對尺寸以及錨桿排距共同確定錨桿的位置，然后配合鋼筋托梁打注錨桿。錨桿間距為0.9 m，排距為1.2 m，兩端錨桿距巷幫0.3 mm，每排12 根；錨桿角度垂直巷道頂板，兩支錨固劑進(jìn)行加長錨固；鉆孔直徑30 mm，設(shè)計(jì)預(yù)緊力矩為400 N·m，設(shè)計(jì)錨固力為190 kN。

錨索布置：錨索施工按照3-3-3 布置方式進(jìn)行施工，錨索排距1.2 m，錨索間距為1.7 m，距巷幫為1.6 m，錨索角度垂直頂板打注；錨固方式：孔深為5.95～6.05 m，錨固長度為2.0 m，采用三支樹脂錨固劑加長錨固；錨索預(yù)緊力為350 kN，滯后抽查時(shí)（即預(yù)緊力損失后）預(yù)緊力不小于300 kN。

3.3.2 兩幫支護(hù)

（1）支護(hù)材料規(guī)格型號及要求：與頂板支護(hù)材料規(guī)格型號及要求相同。

（2）兩幫支護(hù)參數(shù)及布置方式。每排每幫施工6 根錨桿，第1 根和第2 根錨桿配合鋼筋托梁支護(hù)，第三根單體錨桿支護(hù)。錨桿間距為1.0 m，排距為1.2 m，幫角錨桿距離頂板為0.3 m，錨固設(shè)計(jì)預(yù)緊力矩為400 N·m，設(shè)計(jì)錨固力為190 kN。

4 應(yīng)用效果

為檢測支護(hù)效果，在該工作面切眼工程安設(shè)了巷道表面位移監(jiān)測設(shè)備，及時(shí)統(tǒng)計(jì)圍巖變形量以及巷道實(shí)際支護(hù)效果。按要求每掘進(jìn)100 m 安設(shè)一組綜合測站，每組綜合測站設(shè)置5 個(gè)測位（頂板3 個(gè)測位、兩幫各1 個(gè)測位），本次切眼工程252 m，共設(shè)置了3 個(gè)測站，各個(gè)測站的5 個(gè)測位組成三組檢測束管，觀測頻度為每班一次并統(tǒng)計(jì)分析，其中切眼累計(jì)變形量項(xiàng)目的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖2。

圖2 切眼累計(jì)變形量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

分析表明：（1）在完成支護(hù)工程30 d 時(shí)間左右，巷道累計(jì)形變量達(dá)到最大，一般累計(jì)形變量在42～48 mm；（2）巷道支護(hù)完畢一個(gè)月時(shí)間以后巷道的形變量趨于穩(wěn)定，不再繼續(xù)增長；（3）巷道累計(jì)形變量45 mm 左右，能夠滿足工作面大跨度切眼工程的形變量控制要求，說明該支護(hù)方案能夠?qū)崿F(xiàn)對切眼工程的有效支護(hù)。

5 結(jié)論

（1）5302 工作面切眼作為大跨度切眼工程，采取一次成巷技術(shù)切實(shí)可行，設(shè)計(jì)的高強(qiáng)度錨桿+鋼筋托梁+錨索+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方案切實(shí)有效。

（2）應(yīng)用效果表明：巷道累計(jì)形變量45 mm左右，該支護(hù)方案能夠?qū)崿F(xiàn)對大跨度切眼工程的有效支護(hù)。

（3）應(yīng)用結(jié)果表明：5302 工作面切眼采用的一次成巷技術(shù)，在提高施工效率、緩解礦源接續(xù)的前提下，減少了切眼工程工作量，直接節(jié)省的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到480 萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。