急傾斜厚煤層綜放工作面開切眼支護技術

馬燕超

（冀中能源峰峰集團有限公司，河北 邯鄲 056000）

峰峰集團天順煤礦1101WX3急傾斜厚煤層切眼掘進采用光面爆破3次掘擴成巷的施工方式，先鉆孔導硐后掘進和擴刷。切眼采用鉆機由下向上沿煤層傾角打設鉆孔并擴孔，形成運煤系統，再由上向下依次掘進小斷面巷道和切眼擴刷，最終達到切眼設計斷面的要求，此方案可減少開切眼施工的安全隱患，有效防止切眼內頂板垮冒，確保急傾斜厚煤層開切眼安全掘進。

1 概 況

天順井田位于新疆巴里坤礦區石炭窯向斜構造南翼的中部，主要構造呈向北偏東傾斜的單斜構造，地層傾角平均59°，最大78°。實驗的1101WX3工作面位于井田淺部的11采區，該工作面埋藏深度221～165 m，煤層厚度3.5～6.2 m，平均厚度4.9 m，煤層傾角平均54°，局部傾角60°，煤層穩定，結構簡單，無夾石。直接頂為粉砂巖，厚度28.52 m，頂板單軸抗壓強度68.6 MPa，抗拉強度4.83 MPa，直接頂容重25.3 kN；直接底為粉砂巖，厚度6.67 m，單軸抗壓強度44.23 MPa，抗拉強度3.17 MPa。煤體內摩擦角38.4°。采煤面沿煤層走向開采，回采長度260 m，斜長65 m，切眼采用偽斜布置。

2 急傾斜大斷面切眼支護參數確定

2.1 臨時支護

使用金屬前探梁，前探梁前端應有效接觸頂板，后端壓緊褙實，維護好迎頭頂板。頂板破損時打設超前錨桿支護，確保臨時支護可靠、有效。

2.2 切眼掘進施工順序

切眼為大傾角，跨度大，施工順序采取由上向下分3次掘擴成巷，首先切眼內沿煤層傾角（煤層底板）鉆孔導硐并擴孔，形成直徑0.8 m規格的溜煤眼，由上向下沿溜煤眼掘進寬2.4 m、高2.5 m的小斷面巷道，再繼續由上向下擴掘，切眼兩幫各擴2.3 m小規格，擴完一幫后，再擴另一幫，最終完成7 m寬切眼，高度均為2.5 m。

2.3 切眼支護方式

掘進巷道2.4 m寬時，采用錨索+W鋼帶+礦用塑料網支護；7 m寬時，采用錨索+W鋼帶+礦用塑料網+液壓點柱支護。均為煤巷矩形斷面。

2.4 切眼支護參數及質量要求

2.4.1 切眼鉆機導孔施工溜煤眼

利用礦井全液壓鉆機進行施工，先由工作面運輸順槽用φ89 mm合金鉆頭由下向上施工導孔，導孔施工完畢，采用φ200 mm合金鉆頭三花眼布置進行擴孔，直至形成φ800 mm導孔，形成溜煤通道和運煤系統。

2.4.2 首次切眼掘進（巷寬2.4 m規格）

巷道頂板使用錨索+W鋼帶+雙層礦用塑料網支護。每條鋼帶配合3根φ15.24 mm×75 00 mm錨索（錨索采用15.24 mm高強度低松弛鋼絞線制成，強度級別為1 860 MPa，最小破斷力不小于260 kN）。錨索均安設在巷道頂板與頂板呈90°，錨索間排距900 mm×800 mm，每根頂錨索均打在W鋼帶眼中。每根錨索孔內使用3支（1支CK2360和2支K2360）樹脂錨固劑，錨索預緊壓力不小于30 MPa，錨索托板為150 mm×150 mm×15 mm鋼板，錨索露出鎖具長度為150～250 mm。每條鋼帶背面（平面）緊貼巷道頂板布置，塑料網之間搭接均為100 mm，每隔100 mm使用14號鐵絲綁扎一道。頂板錨索先打設中間眼，再打設兩幫眼。

巷道兩幫各采用4根φ20 mm×2 000 mm高強螺紋鋼錨桿及雙層塑料網封幫支護，第一根距頂200 mm打設，依次往下間距700 mm，排距800 mm；每根錨桿孔注入2支（1支CK2360和1支K2360型）樹脂錨固劑進行錨固，每根錨桿托板為120 mm×120 mm×8 mm鋼板。錨桿露出螺母長度10～50 mm，每根錨桿的預緊力不小于150 N·m。塑料網之間搭接均為100 mm，每隔100 mm使用14號鐵絲綁扎一道。

2.4.3 二、三次施工擴切眼（巷寬7 m規格）

待切眼規格為2.4 m寬巷道施工完畢形成系統后，兩幫各擴2.3 m，達到切眼7 m寬規格。擴完一幫后，再擴另一幫，巷道頂板使用錨索+W鋼帶+雙層礦用塑料網+液壓點柱支護。頂、幫支護方式同切眼首次掘進時相同，鋼帶布置與首次掘進鋼帶布置錯距400 mm。W鋼帶長2 400 mm，寬280 mm，厚5 mm。液壓點柱φ100 mm，高3.15 m。

2.4.4 切眼液壓點柱支護

切眼擴幫時，必須及時打上液壓點柱。液壓點柱中間兩排沿切眼中心線對稱布置，間距2.4 m，剩余兩排距巷道兩幫分別為0.8 m，排距均為0.8 m。液壓點柱初撐力不得小于11.5 MPa，點柱必須垂直頂底板打設，保證迎山有勁，柱頭必須打柱帽與頂部W鋼帶緊貼嚴實，并使用尼龍繩固定（栓牢柱頭）在頂板網片上，每根單體液壓點柱必須穿鐵鞋，且底板留有200 mm的柱窩，每排點柱栓設3道繩連鎖，防止下倒。切眼擴幫只允許單向施工，擴完一幫，方可再擴另一幫，嚴禁兩幫同時進行擴掘。

頂錨索+W鋼帶+幫錨桿+礦用塑料網永久支護要跟頭支護，不能滯后，液壓點柱支護滯后1.6 m打設。W鋼帶必須緊貼頂板，當巷道遇構造、煤體破碎松軟、巷道有淋水時或局部頂板破碎出現頂空時，必須在頂空區域補打錨桿，并及時縮小頂、幫錨網索支護間排距，提高巷道支護強度。支護設計如圖1所示。

圖1 切眼支護設計示意Fig.1 Support design of open-off cut

2.5 支護參數驗算

2.5.1 頂板錨索長度L

式中：L為錨索總長度，m；La為錨索打設到較穩定巖層的錨固長度，m。；Lb為需要懸吊的不穩定巖層厚度，取4.5 m；Lc為托板及錨具的厚度，取0.15 m；Ld為外露張拉長度，取0.25 m。

式中：K為安全系數，取1.5；d1為錨索直徑，取0.015 24 mm；fa為錨索抗拉強度，N/mm2，取1 860 N/mm2；fc為錨索與錨固劑的粘合強度，取33 N/mm2。

計算可得La≥0.32 m，根據經驗，取值2 m符合規定。

L=2+4.5+0.15+0.25=6.9 m

該切眼沿煤層底板掘進，預計托頂煤4.5 m，錨索在頂板上矩形均勻布置，結合礦井煤巷錨索支護經驗，取L=7.5 m。

2.5.2 頂錨索間、排距

錨索步距距（So）和排距（S1）根據每根錨桿懸吊的巖石重量確定，通過等距排列，即a=So=S1，則

式中：a為錨索間排距；Q為錨索設計錨固力，150 kN/根；K為錨索安全系數，一般取1.5～2；γ為巖體容重，取25.3 kN/m3；煤體容重取15.8 kN/m3，綜合取值18.7 kN/m3；L2為錨索有效長度，取6.5 m。

設計間排距應≤0.907 m，取排距0.8 m，間距0.9 m符合要求。

2.5.3 懸吊理論校核錨索排距

式中：L為錨索排距；B為巷道最大冒落寬度，7 m；H為巷道最大冒落高度，2 m；γ為煤體容重，15.8 kN/m3；F2為錨索極限承載力，260 kN；n為錨索排數，取1。

則：L≤1.17 m，取排距0.8 m符合要求。

2.5.4 錨索數目

錨索數目的校核，應滿足式（5）。

式中：N為錨索數目；K為安全系數；1.5；P斷為錨索最低破斷力，260 kN；W為被懸吊巖石的自重，kN。

式中：B為巷道掘進寬度，7 m；D為錨索間排距，0.8 m；∑h為需要穩固的巖石高度，取6.5 m；∑γ為需要穩固的巖石平均容重，取18.7 kN/m3。

則W=680.68 kN

N≥3.9，設計取值9，符合要求。

2.5.5 幫錨桿設計參數

根據秦巴列維奇理論計算巷道圍巖破壞范圍，巷道兩幫煤體破壞深度見式（7）。

式中：H為巷道中高，取2.5 m；α為煤層的內摩擦角，取38.4°。

則C=1.97 m。

根據以上計算，設計選用左旋無縱筋等強錨桿，桿體材質為3號鋼，L=2 m，d=20 mm，符合要求。

2.6 支護效果分析

通過頂板離層儀觀測表明，圍巖深部位移受初掘和刷大的影響，刷大時導致深部位移明顯增大。由于錨網索支護結構整體性較好，加上中間支柱的支撐作用，雖然切眼跨度較大，但采用“錨索+W鋼帶+礦用塑料網+液壓點柱支護”聯合支護技術后，巷道頂板無明顯離層，巷道圍巖得到有效控制。

3 針對切眼施工存在難題及采取措施

針對切眼存在巷道施工、運料及人員上下非常困難，特別是由于切眼傾角較大，爆破后煤矸自然滑落，無穩定工作平臺、巷道易飛矸傷人，急傾斜煤層拖煤頂掘進存在頂板維護難度大等問題，研究制定一系列解決方案。

（1）解決人員行走困難。采用人矸分離的方法施工。人行道側使用鐵梯子作為行人時的臺階，鐵梯子距離迎頭不超過1 m，鐵梯每隔2 m兩幫使用錨桿固定在底板上，使用棕繩作為防護繩，人行道一側為鋼梯扶手，另一側為護繩。

（2）解決掘進迎頭施工困難。爆破作業時搭建工作平臺。使用2根圓木、圓環鏈及木板搭建工作平臺。將圓木一頭固定在鏈子上，一頭埋入迎頭預先掏出的柱窩內，并固定牢固。

（3）防飛矸損傷頂板支護結構措施。由于切眼傾角大，遠遠大于煤矸自然安息角，在重力作用下，煤矸爆破，（人工出矸）后加速下落，撞擊頂板，損傷頂板錨固支護結構，使破碎頂板層理、節理結構面進一步發育；為防止飛矸損傷頂板支護結構，采用頂板吊掛廢舊膠帶的方式柔性抗沖擊，吸收動能，阻止其彈射撞擊頂板損傷支護結構。

（4）頂板穩定控制措施。針對煤層節理或裂隙發育等特殊頂板情況，對頂板松散破碎范圍內的煤體巷道使用點錨和超前錨桿支護，通過錨桿支護作用對松散破碎區內的圍巖進行組合梁加固和錨索的補強支護，將其和深部圍巖形成一個整體頂板，進一步強化內承載結構的承載能力。另外，在切眼內及時打設4排液壓點柱，確保支護系統穩定性。

（5）切眼局部底板加固措施。由于切眼傾角較大，切眼上下端頭煤層底板留三角煤處采取局部加固措施，采用φ18 mm×1 800 mm全螺紋等強錨桿，每根錨桿配合120 mm×120 mm×8 mm托板，五花交錯布置，間排距1 400 mm×1 400 mm，底板鋪設菱形金屬網，每200 mm用鐵絲連接。

4 結 論

（1）采用礦用全液壓鉆機施工導孔開切眼的方法，其工作環境和安全狀況都較普通炮掘導洞施工優越，鉆機導孔施工具有鉆進效率高、施工速度快、操作簡單、工人勞動強度低等諸多優勢，消除了類似條件炮掘過程中的諸多安全隱患。鉆機導孔施工技術正成為天順礦業急傾斜煤層工作面開切眼或繞道優先采用的方法。

（2）“錨索+W鋼帶+雙塑料網+液壓支柱”聯合支護技術具有支護強度大、時效性強、適應性強、經濟合理等特點，支護切眼的效果更好，實現安全作業，達到了工作面迅速安裝及礦井的安全高效生產。該技術緩解了急傾斜厚煤層放頂煤工作面托頂煤掘進支護切眼的困難，有效控制了切眼的變形量，單體液壓支柱對頂板適應能力強，每次施工前對點柱進行二次注液，及時有效控制了頂板變形，確保大斷面切眼巷道頂板的安全和使用空間。

（3）該聯合支護技術形成了高強度、高錨固點及高承載結構的支護技術，實現了巷道圍巖的穩定控制，為同等地質條件下的切眼掘進施工提供了技術支撐，減少掘進和維護費用。