采煤工作面大斷面切眼掘進及支護技術研究

孟光華

（山西焦煤汾西礦業正善煤業，山西 孝義 032300）

引言

切眼是采煤工作面安裝位置以及工作面煤炭開采起點，切眼掘進效率以及圍巖支護效果會直接影響開采設備安裝效率以及回采安全[1-2]。現階段礦井巷道圍巖支護強度普遍較高，不僅增加了支護成本，而且增大了支護耗時[3-5]。出現巷道支護強度過大的主要原因有:支護設計時未將圍巖與支護結構作整體考慮；為提高支護效果，片面增加支護材料布置密度以及支護材料強度；錨桿、錨索等支護材料作用未能充分發揮[6-8]。合理的切眼支護方式不僅可滿足圍巖控制需要，而且可顯著提升切眼掘進效率。為此，本文以1503 切眼掘進為背景，依據現場實際情況對掘進以及切眼圍巖支護技術展開分析，以期為其他礦井類似情況下大斷面切眼掘進工作提供參考。

1 1503 綜采工作面工程概況

1503 綜采工作面回采15 號煤層，煤層埋深均值390 m，采面設計推進長度1 359 m、傾斜長度185 m。15 號煤賦存穩定，煤厚0.85～7.02 m、均值3.1 m，煤層傾角6°，煤層裂隙及節理發育，頂底板為碳質泥巖、砂質泥巖、細砂巖以及粗砂巖。在采面運輸巷內取樣進行測試，并對切眼頂板巖性進行分級，確定圍巖等級為Ⅲ類，為中等穩定圍巖。具體現場測試取得的15號煤層頂板巖層力學參數見表1。1503 綜采工作面切眼從采面運輸巷側向回風巷側掘進，設計凈寬7.5 m、凈高3.1 m。

表1 頂板巖體力學參數

2 切眼掘進及支護技術

2.1 切眼掘進

切眼掘進工藝依據工程類比法確定，依據1501、1502 綜采工作面切眼掘進方案以及現場應用情況，1503 切眼沿15 號煤層掘進。1503 工作面切眼斷面為矩形，凈高3.1 m、凈寬7.5 m，切眼分兩次掘進，施工時先施工凈寬4.5 m、凈高3.1 m 導硐，導硐前10 m 施工采用風鎬；掘進10m后采用綜掘機（型號EBZ-160TY）沿煤層底板掘進，并自動完成裝載、運輸；綜掘機每次破煤深度為1.0 m。待導洞施工完成后，再對導硐進行刷擴，刷擴斷面高度3.1 m、寬度3.0 m。

2.2 切眼圍巖控制

由于1503 工作面切眼斷面大，圍巖內應力存在一定程度集中，因此在對圍巖進行控制時需要強化支護。因此在1503 切眼圍巖控制采用錨網索并配合工字鋼方式進行支護。具體切眼導硐施工期間通過錨網索方式控制圍巖，在導硐刷擴時采用錨網索+工字鋼組合方式進行補強支護，具體大斷面切眼圍巖支護設計如下頁圖1 所示。

圖1 切眼圍巖支護示意圖（單位：mm）

切眼圍巖支護時錨桿材質為BHRB500、直徑22 mm 螺紋鋼錨桿。在導硐施工期間，頂板布置5 根錨桿，間排距950 mm、1 000 mm；巷幫各布置3 根Φ22 mm×1 900 mm，間排距1 100 mm、1 000 mm。切眼刷擴段頂板錨桿布置4 根，間排距800 mm、1 000 mm，巷幫3 根Φ22 mm×1 900 mm 錨桿，間排距1 100 mm、1 000 mm。錨桿均垂直頂板、巷幫施工，施加預緊力400 N·m。巷道采用W 鋼帶護表，在切眼導硐施工期間使用規格BHW-280-4-4100-4 型W 鋼帶護表，導洞刷擴完成后采用規格BHW-280-4-2700-4 型W鋼帶護表。導硐、刷擴段護表分別用4 900 m×1 200 mm、3 000 mm×1 200 mm 金屬網，留設網孔規格為50 mm×50 mm。

切眼支護時采用的錨索規格為Φ22 mm×7 300 mm，在導硐施工時錨索按照“二三”布置，2 根、3 根錨索時錨索距離巷幫間距分別為1 500 mm、750 mm，錨索間距均為1 500 mm；導硐刷擴后錨索在導硐刷擴范圍內按照“二一”方式布置，布置2 根、1 根錨索時錨索與巷幫間距分別為1 500 mm、1 900 mm，錨索間距均為1 500 mm。配套用300 mm×300 mm×14 mm 高強度金屬托盤，預加的預緊力為300 kN。

2.3 切眼刷擴工字鋼補強支護

2.3.1 超前支護

在距離刷擴幫煤壁500 mm 范圍內，采用長度5 000 mm、規格11 號工字鋼，以及單體支柱按照“一梁三柱”方式構成邁步式超前棚對頂板進行支護。支護采用的單體三向閥均應朝向柱體，手把均超前同一方位。超前支護距離控制在20 m 以上，同時應緊跟切眼刷擴工作面進行布置。

2.3.2 補強支護

采用工字鋼、單體支柱構成抬棚進行補強支護，采用的11 號工字鋼長度為5 000 mm，架設棚距為900 mm，采用“一梁三柱”布置形式。在補強支護時，單體應布置成一條直線。為滿足后續綜掘機破煤時截割頭搖擺需求，在掘進迎頭綜掘機截割頭影響范圍內暫時不架設工作鋼架棚；在綜掘接機身至轉載機位置段按照“一梁兩柱”方式架棚，轉載機以外位置按照“一梁三柱”方式架棚。

3 切眼圍巖控制效果分析

在1503 工作面切眼掘進以及支護完成后，對切眼圍巖變形量進行持續監測，具體監測結果如圖2所示。

圖2 切眼圍巖變形監測結果

從監測結果看出，切眼圍巖變形可分為4 個階段，其中0～35 d 為切眼導硐施工階段，期間圍巖變形量值變化較大，圍巖變形受導硐施工影響明顯；在35～50 d 內切眼圍巖變形量較為穩定，增加不明顯，屬于切眼導硐圍巖穩定階段；在50～89 d 內切眼開始進行刷擴，圍巖變形量呈快速增加趨勢；90 d 以后切眼刷及支護完成，圍巖變形趨于穩定。

從整個切眼圍巖變形監測結果看出，切眼頂底板、兩幫收斂量值分別穩定到113 mm、91 mm，切眼圍巖變形量在較小范圍內，表明大斷面切眼采用的錨網索、工字鋼架棚支護技術方案可滿足切眼圍巖控制需求，可為后續采面綜采設備安裝創造良好條件。

4 結語

隨著大功率設備應用范圍逐漸廣泛，切眼斷面呈不斷增加趨勢，給切眼掘進以及圍巖控制帶來新的挑戰。1503 工作面切眼凈寬為7.5 m、凈高3.1 m，為實現切眼圍巖穩定，提出分兩次施工切眼。第一次用綜掘機施工凈寬4.5 m、凈高3.1 m 導硐，后刷擴導硐將切眼刷擴至設計斷面，降低切眼掘進難度；綜合使用錨網索、架棚方式對大斷面切眼圍巖進行控制。現場應用后，切眼得以安全快速掘進，圍巖變形量較小，可滿足切眼后續使用需要。