松軟特厚煤層大斷面開切眼施工技術研究

張有喜，趙 杰，白慶升

(1.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇徐州221116;2.大同煤礦集團公司，山西大同037003)

由于開采深度和開采強度的增大，我國煤礦逐漸進入煤層賦存地質(zhì)條件較為復雜的區(qū)域，同時為了提高礦井的產(chǎn)能和集約化程度，巷道斷面和采掘機械逐步向大型化轉(zhuǎn)變。由于地質(zhì)條件復雜，巷道斷面增大，礦壓顯現(xiàn)劇烈，給礦井的安全生產(chǎn)帶來了極大的困難，特別是隨著地壓和巷道斷面的增大，存在著一般錨網(wǎng)索支護困難的問題［1－7］。

根據(jù)松軟煤層大斷面留頂煤巷道的地質(zhì)特點及礦壓顯現(xiàn)特征，本文結(jié)合現(xiàn)場實際，提出了在松軟煤層大斷面開切眼支護中采用聯(lián)合支護技術，結(jié)合主動支護和被動支護的優(yōu)點，減少了頂板的變形破壞，實現(xiàn)了對大斷面開切眼圍巖的有效控制，相比其他支護方案具有一定的優(yōu)越性，解決了地質(zhì)條件復雜、礦壓顯現(xiàn)嚴重條件下大斷面巷道錨網(wǎng)索支護困難的問題，達到了良好的支護效果，取得了顯著的技術經(jīng)濟效益。

1 工程地質(zhì)概況

14101工作面是麻家梁煤礦的首采工作面，開切眼位于麻家梁煤礦一采區(qū)東部，665水平大巷南側(cè)，西部為二采區(qū)，東部、南部尚未開采。埋深610m，長度249.5m，工作面開采山西組下部4號煤層，煤層厚度平均6.32m，可采系數(shù)100%。結(jié)構(gòu)復雜，含0～9層夾矸，夾矸巖性以泥巖、高嶺質(zhì)泥巖為主，煤厚總體呈南厚，中部及北部較薄的變化。開切眼處煤層平均厚度9.0m，開切眼沿煤層底板掘進，設計掘進寬9.0m，高度3.6m，留有5.4m松軟破碎的頂煤，煤層偽頂為厚0.3m左右的高嶺巖，直接頂為粉砂巖、泥巖等軟質(zhì)巖石，自穩(wěn)能力差。

根據(jù)現(xiàn)場實際，14101首采工作面膠帶巷掘進至1870m處時，煤層開始變軟，煤體裂隙發(fā)育，常常出現(xiàn)局部漏頂現(xiàn)象，煤壁壓力增大，巷道片幫嚴重，同時14101輔助運輸巷從770m處開始，煤體一直很不穩(wěn)定，裂隙發(fā)育，經(jīng)常出現(xiàn)局部漏頂現(xiàn)象，從14101兩巷掘進過程中的煤體穩(wěn)定性來看，14101工作面所處的區(qū)域地應力較大，煤層松軟，需要優(yōu)化支護方案和支護參數(shù)來確保大斷面開切眼掘進過程中的安全實施。

2 巷道支護參數(shù)理論計算

根據(jù)煤巷支護的自然平衡拱理論，巷道圍巖在上覆巖層的壓力作用下，淺部發(fā)生破壞，而深部形成自然平衡拱，錨桿的作用主要是防止破壞區(qū)圍巖發(fā)生垮落現(xiàn)象，錨桿的支護能力應由破壞巖體的重量確定，同時與巷道斷面尺寸、埋藏深度、采動影響程度、巖層強度與傾角有關［8－10］，構(gòu)建的自然平衡拱理論模型如圖1所示。

圖1 自然平衡拱理論模型

根據(jù)自然平衡拱理論計算模型來確定巷道幫部和頂部的破壞范圍，巷道幫部破壞最大深度為:

式中，Kcx為巷道圍巖擠壓應力集中系數(shù)，4.5;γ為巷道周圍底層的平均重力密度，25kN/m3;H為巷道埋深，610m;B為采動影響無因次系數(shù)，0.4;fy為煤層堅固性系數(shù)，2;h為巷道高度，3.6m;φ為煤體內(nèi)摩擦角，30°。

巷道頂板巖層破壞最大深度為:

式中，a為巷道半跨距，4.5m;α為煤層傾角，5°;ky為煤層的穩(wěn)定性系數(shù)，1.35。

式中，Q為錨桿的錨固力，設計為70kN;K為安全系數(shù)，2;L為錨桿的有效長度，不小于不穩(wěn)定巖層的厚度，2m;γ為不穩(wěn)定巖層平均重力密度，25kN/m3。

由自然平衡拱理論模型計算得出，麻家梁煤礦14101工作面開切眼巷道幫部破壞最大深度為0.8m，頂板巖層破壞最大深度為2.0m，故所選錨桿長度需大于2.0m，使錨固端位于破壞范圍之外的深部圍巖，同時計算得出錨桿的間排距最大為700mm。

此外，按照廣義懸吊理論進行錨索加固設計，保證錨索有能力承擔其承載范圍內(nèi)潛在冒落層的巖層重量，錨索長度為:

式中，D為錨索鋼鉸線錨固直徑，17.5mm;Fst為錨索設計抗拉強度，1860kN/m2;Fcs為錨索與錨固劑的設計粘結(jié)強度，10kN/m2;K為安全系數(shù)，1.5;Lu為不穩(wěn)定巖層頂部距穩(wěn)定巖層的厚度，根據(jù)工程情況取5.4m;Lb為錨索的外露長度，一般為0.3m。

每排錨索所能夠承擔的冒落長度lm為:

式中，H為巷道潛在冒落巖層深度，2m;W為錨索的破斷荷載，設計為260.9kN;γ為潛在冒落巖層平均重力密度，25kN/m3。

根據(jù)計算得出，每排錨索所能夠承擔的冒落長度為1.9m，故14101工作面開切眼的錨索排距最大取為3.8m。

3 現(xiàn)場施工工藝

根據(jù)現(xiàn)場實際地質(zhì)條件和其他類似礦井大斷面開切眼掘進的經(jīng)驗，14101工作面切眼決定采用EBZ300懸臂式硬巖掘進機分兩次掘進成巷，一次掘進巷道寬度為5m，將14101膠帶運輸巷和14101輔助運輸巷貫通，形成通風系統(tǒng)，再進行工作面?zhèn)认锏浪停瑢挾葹?m。具體支護方案如下:

3.1 導硐巷道支護方案

導硐頂板支護為每排 7根 φ20mm、長度2400mm的高強度螺紋鋼錨桿，間排距700mm，兩幫支護為每排4根φ20mm、長度2400mm的玻璃鋼錨桿，間排距700mm，每根采用 MSCK2360，MSK2360錨固劑各1支，錨固長度1400mm，保證錨桿錨固力70kN以上，靠近擴幫巷道側(cè)采用塑料托盤，另一側(cè)錨桿托盤采用W鋼托盤，托盤規(guī)格500mm×280mm×3mm，鋼梁采用11號礦用工字鋼，長度為4800mm。

導硐頂板錨索采用φ17.8mm，長度為9000mm的高強度鋼絞線錨索，錨索間排距為1850mm×2800mm，錨索托盤規(guī)格300mm×300mm×16mm。每根錨索使用1根MSCK2360和2根MSK2360錨固劑，保證錨索錨固力200kN。遠離擴幫巷道一側(cè)巷幫采用加強錨索進行支護，采用φ17.8mm，長度為11000mm的鋼絞線錨索，錨索排距2000mm，與巷幫成50°角，每孔2支 MSCK2360型和1支MSK2360型樹脂藥卷進行錨固。

分別在距擴幫巷道側(cè)300mm和距另一側(cè)900mm支設 DW31.5－3500/110單體液壓支柱，柱距為1200mm，導硐頂板鋼筋網(wǎng)規(guī)格為100mm×100mm，單體液壓支柱必須豎直打柱，頂部用卡口鋼梁與頂板結(jié)實?？阡摿阂?guī)格500mm×150mm×100mm用8號鐵絲固定在頂板鋼筋網(wǎng)上，巷幫靠近擴幫巷道側(cè)采用雙層塑料網(wǎng)，另一側(cè)采用菱形金屬網(wǎng)，規(guī)格為100mm×100mm。

導硐頂板支護三組合錨索組，間排距為1800mm×2800mm，錨索采用 φ17.8mm，長度為9000mm鋼絞線錨索，錨索托盤規(guī)格為600mm×600mm×16mm。

3.2 刷幫巷道支護方案

頂板支護為6根φ20mm、長2400mm的高強度螺紋鋼錨桿，間排距700mm，靠近工作面一側(cè)煤幫支護為每排4根φ20mm、長2400mm的高強度螺紋鋼錨桿，間排距 700mm，每根采用MSCK2360，MSK2360錨固劑各1支，錨固長度1400 mm，保證錨桿錨固力70kN以上。鋼梁采用11號礦用工字鋼，長度為3900mm。

擴幫巷道頂板錨索間排距為1850mm×2800mm，錨索采用φ17.8mm，長度為9000mm的高強度鋼絞線錨索，每根錨索使用1根MSCK2360和2根MSK2360錨固劑，保證錨索錨固力200kN?？拷ぷ髅嬉粋?cè)巷幫采用加強錨索進行支護，采用φ17.8mm，長度為 11m的鋼絞線，錨索排距2000mm，與巷幫成50°角，每孔2支MSCK2360型和1支MSK2360型樹脂藥卷進行錨固。

分別在距工作面?zhèn)认飵?00mm和3600mm處支設DW31.5－3500/110單體液壓支柱，柱距為1200mm，單體液壓支柱必須豎直打柱，頂部用卡口鋼梁與頂板結(jié)實?？阡摿阂?guī)格500mm×150mm×100mm用8號鐵絲固定在頂板鋼筋網(wǎng)上，巷幫鋪設雙層塑料網(wǎng)，規(guī)格為100mm×100mm。

三組合錨索組間排距為1800mm×2800mm，錨索采用φ17.8mm，長度為9000mm鋼絞線，錨索托盤規(guī)格為600mm×600mm×16mm。

在切眼中部支設1排木垛，木垛中心距為6300mm，道木規(guī)格為200mm×200mm×1500mm。

3.3 加強支護巷道支護方案

由于地質(zhì)條件原因，巷道穿過破碎帶較多，淋水大，頂板及幫部煤質(zhì)松軟等原因，巷道出現(xiàn)局部頂板下沉嚴重的情況，需要采取加強支護方式，加強支護方式為加打五組合錨索組及錨索鋼梁。

鋼梁采用11號礦工鋼制作，長度4500mm，每根鋼梁上穿3根錨索。鋼梁平行于巷道排列，每排3根。

五組合錨索組排距5600mm，每排3組，錨索五花布置，組合錨索中間1根錨索規(guī)格φ22mm×13m，其余4根錨索規(guī)格φ22mm×11m，錨索盤規(guī)格600mm×600mm×16mm，每孔3支MSCK2360型和1支MSK2360型樹脂藥卷進行錨固。

單體液壓支柱之間安裝防倒裝置。防倒裝置用2mm厚扁鐵制作，寬度50mm。

14101工作面開切眼頂板加固示意圖及斷面支護圖如圖2和圖3所示。

4 現(xiàn)場應用效果

圖2 14101工作面開切眼頂板加固

圖3 14101工作面開切眼斷面支護

為了掌握松軟煤層大斷面留頂煤開切眼的施工效果和礦壓規(guī)律，在施工過程中，自開切眼開口處開始，在開切眼頂板中部每隔15m安設1臺LCZ－3型頂板離層指示儀，當遇地質(zhì)構(gòu)造時，在構(gòu)造附近安設1臺，以便直觀地反映頂板的變化狀況，有效地維護和控制頂板，共安裝17臺LCZ－3型頂板離層指示儀。觀測點在40d左右逐漸趨于穩(wěn)定，具體觀測結(jié)果如圖4所示。

圖4 14101工作面開切眼頂板累計下沉曲線

由圖4可知，從巷道變形開始至巷道穩(wěn)定，錨固范圍內(nèi)巷道頂板累計下沉量最大為25mm，錨固范圍外，巷道頂板累計下沉量最大為3mm，從現(xiàn)場實際觀測情況看，頂板最大下沉處，正好位于地質(zhì)構(gòu)造帶距開口50m左右，在其他地方頂板下沉量變化不大，平均為12mm，符合規(guī)程規(guī)定的頂板最大下沉量50mm的要求。

5 結(jié)論

(1)在巷道支護過程中，錨桿發(fā)揮快速、成片的優(yōu)勢，提高了錨固區(qū)內(nèi)的壓應力值。形成一個主動支護區(qū)，同時錨索及錨索組將錨桿支護形成的預應力與深部圍巖相連，充分調(diào)動深部圍巖的承載能力，主動支護圍巖，保持其完整性，為大斷面巷道提供有力支撐，提高支護的可靠性。

(2)單體液壓支柱和木垛可提供可靠的初撐力，有效控制巷道掘進初期的頂板下沉量，保證開切眼掘進支護的安全，提高了施工質(zhì)量。

“錨網(wǎng)索—錨索組—木垛—單體液壓支柱”聯(lián)合支護技術在麻家梁煤礦松軟煤層大斷面留頂煤開切眼掘進過程中取得了良好的支護效果和社會經(jīng)濟效益。

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