厚煤層大斷面切眼新型支護(hù)設(shè)計(jì)方案及應(yīng)用

王 坤

(同煤集團(tuán) 晉華宮礦，山西 大同 037016)

1 概 況

隨著煤炭工業(yè)的迅速發(fā)展和機(jī)械化開(kāi)采程度的不斷提高，巷道斷面逐漸增大，尤其是工作面開(kāi)切眼，為了適應(yīng)大型設(shè)備搬家安裝，巷道跨度達(dá)到8 m 以上，開(kāi)切眼斷面多為矩形，兩幫為煤層，頂板為煤層或巖層，圍巖強(qiáng)度較低，受力復(fù)雜，圍巖變形量和破裂范圍都很大，這些都直接影響該類巷道的穩(wěn)定性，支護(hù)較為困難。

同煤集團(tuán)晉華宮礦為多井口大型礦井，年產(chǎn)量450 萬(wàn)t，主要含煤地層為下侏羅統(tǒng)大同組，含煤地層厚度133.22～247.47 m，一般為189.27 m，屬于典型的內(nèi)陸河湖沉積，因此，在時(shí)間和空間上，煤層頂?shù)装鍘r性變化大，頂板軟弱夾層時(shí)常存在，對(duì)頂板的穩(wěn)定性產(chǎn)生了極其不利的影響。南山井12#煤層402 盤區(qū)8208工作面切眼的支護(hù)中就深受頂板軟弱夾層的影響，該煤層埋深343.7～368.9 m，煤層厚度為1.5～7.85 m，平均厚度為5.74 m，傾角2°～12°，平均為7°，采用MG1100/2760－GWD 型雙滾筒采煤機(jī)采煤，最大截割高度為5.83 m。煤層工作面地層綜合柱狀圖見(jiàn)圖1，由圖1 可以看出，在煤層頂板上方存在1.7 m 左右的砂質(zhì)泥巖和煤的軟弱夾層，切眼頂板支護(hù)難度大。

圖1 8208工作面綜合柱狀圖

本文分析了傳統(tǒng)切眼支護(hù)設(shè)計(jì)方法的不足，在以往工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，提出了“支柱減跨，漸變錨索，強(qiáng)頂弱幫”的切眼新型支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)思想，并進(jìn)行了工程應(yīng)用，降低了切眼支護(hù)的工作量，節(jié)約了支護(hù)成本，取得了良好的效果。

2 切眼常用支護(hù)方案設(shè)計(jì)

綜放工作面切眼以往多為架棚支護(hù)，由于架棚支護(hù)巷道作業(yè)空間小，綜放支架安裝、回撤困難。隨著機(jī)械化程度的提高和巷道斷面尺寸的不斷加大，錨索網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)逐漸被應(yīng)用到切眼的支護(hù)設(shè)計(jì)中。

1)錨桿長(zhǎng)度:

式中:

W—巷道跨度，m，取8.4;

N—圍巖穩(wěn)定影響系數(shù)，m，取1.1;

故選用2.2 m 長(zhǎng)的錨桿合理。

錨桿直徑:

D=L/110=0.02 m，取22 mm，故選用直徑22 mm的錨栓合理。

2)錨桿間排距:

式中:

a—錨桿間排距，m;

Q—錨桿設(shè)計(jì)錨固力，kN/根，取83.3;

H—冒落拱高度，H=W/(2f)=2.4 m;

f—巖石堅(jiān)固性系數(shù)，砂質(zhì)泥巖取1.8;

γ—被懸吊砂巖的重力密度，kN/ m3，取25;

K—安全系數(shù)，一般取2。

故取錨桿間排距為700 mm。

3)錨索長(zhǎng)度及間排距:

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，錨索的間排距一般為錨桿的2 倍，故確定其間排距為1 400 mm，錨索的長(zhǎng)度計(jì)算主要是根據(jù)頂部懸吊作用，根據(jù)地質(zhì)巖層情況，取錨索長(zhǎng)度為8.0 m。100 m 切眼所用支護(hù)材料見(jiàn)表1。

3 新型切眼支護(hù)方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用

3.1 新型支護(hù)方案特點(diǎn)

1)支柱減跨。

表1 100 m 巷道常用設(shè)計(jì)所需錨桿(索)數(shù)量統(tǒng)計(jì)表

跨度大是煤巷切眼的最大特征之一，也是增加巷道支護(hù)難度的最主要因素，研究表明［4］，巷道頂板的最大下沉量與巷道跨度的四次方成正比，當(dāng)巷道的跨度增加2 倍時(shí)，頂板最大下沉量則為原來(lái)的16 倍。為適應(yīng)大型機(jī)械的生產(chǎn)安裝，目前切眼的跨度達(dá)到8 m以上，是順槽的2 倍，甚至更多，這就需要加大對(duì)頂板變形的控制。以往的工程中，頂板的變形破壞都是通過(guò)大量錨桿、錨索來(lái)控制，而在對(duì)晉華宮礦12#煤層402 盤區(qū)8208工作面切眼進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，為了切實(shí)的改善由于巷道跨度的增大給支護(hù)帶來(lái)的困難，在巷道中間布設(shè)了2 排可回收單體液壓支柱，將巷道的跨度減小為原來(lái)的1/3，大大降低了頂板支護(hù)的難度。

2)漸變錨索。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的圍巖力學(xué)參數(shù)和巷道的地質(zhì)條件，采用FLAC3D［5－7］對(duì)8208工作面切眼無(wú)支護(hù)時(shí)進(jìn)行模擬，塑性區(qū)及位移分布圖見(jiàn)圖2。從圖2 可以看出，頂板最大塑性區(qū)厚度為2.5 m，與第1 節(jié)冒落拱高度吻合，說(shuō)明數(shù)值模擬能很好地反應(yīng)實(shí)際情況。巷道開(kāi)挖后，若無(wú)支護(hù)，頂板塑性區(qū)厚度和位移在中部最大，向兩幫依次減小，因此，在支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。在8208工作面切眼支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，采用10 m、8 m 和6 m 三種長(zhǎng)度的錨索，從頂板中部向兩側(cè)長(zhǎng)度依次減小，間距1 500 mm，排距3 000 mm，取得了較好的效益。

圖2 8208工作面切眼無(wú)支護(hù)時(shí)塑性區(qū)及位移分布圖

3)強(qiáng)頂弱幫。

頂板是巷道中最為重要的部位，許多事故都是由于頂板的冒落造成的，因此，加強(qiáng)對(duì)切眼頂板的支護(hù)十分必要。但與此同時(shí)，切眼巷道往往只有幾個(gè)月的服務(wù)時(shí)間，周圍的煤層未經(jīng)開(kāi)采，作用在兩幫的支承壓力較小，因此，在保證頂板安全的情況下可以對(duì)兩幫的支護(hù)強(qiáng)度加以弱化。在晉華宮礦12#煤層402 盤區(qū)8208工作面切眼的兩幫僅安裝2 排錨桿用以固定金屬網(wǎng)，防止兩幫表面煤層的脫落。

3.2 新型支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)多年來(lái)在切眼支護(hù)中積累的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合上述分析，對(duì)晉華宮礦12#煤層402 盤區(qū)8208工作面切眼的支護(hù)進(jìn)行了創(chuàng)新，支護(hù)參數(shù)如下:

錨桿選用無(wú)縱筋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，直徑18 mm，長(zhǎng)度2 000 mm，間排距1 000 mm×1 000 mm;錨索選用1 ×7 股d17.8 mm 高強(qiáng)鋼絞線錨索，長(zhǎng)度分別為6 000 mm、8 000 mm 和10 000 mm，間排距1 500 ×3 000 mm;選用DW40－150/100X 型柱塞懸浮式單體液壓支柱帶0.8 m 長(zhǎng)的H 型鋼頂梁，柱間排距3 400 ×2 000 mm，錨桿(索)托盤及錨具都選用配套裝置，支護(hù)參數(shù)見(jiàn)圖3，100 m 巷道所用支護(hù)材料見(jiàn)表2。

圖3 8208工作面切眼支護(hù)橫斷面圖

表2 100 m 巷道新型設(shè)計(jì)所需錨桿(索)數(shù)量統(tǒng)計(jì)表

從表1 和表2 可以看出，與目前常用的切眼支護(hù)設(shè)計(jì)方法相比，支護(hù)100 m 8208工作面切眼，新型支護(hù)方案所用錨桿和錨索總長(zhǎng)度都約為前者的1/3，在降低支護(hù)材料的同時(shí)也大大降低了支護(hù)的工作量和支護(hù)成本，提高了煤礦的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3.3 支護(hù)效果監(jiān)測(cè)

根據(jù)量測(cè)簡(jiǎn)單、便于施工、結(jié)果可靠、量值顯著、數(shù)據(jù)易于分析等量測(cè)項(xiàng)目選定原則［8］，在8208工作面切眼20 m 里程安設(shè)一個(gè)觀測(cè)站，采用十字布點(diǎn)法監(jiān)測(cè)掘巷期間圍巖變形規(guī)律，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 掘巷期間巷道表面位移變化規(guī)律

從圖4 可以看出，巷道開(kāi)挖后20 m 范圍內(nèi)圍巖位移迅速增加，距掘進(jìn)迎頭60 m 左右以前的巷道已經(jīng)基本上保持穩(wěn)定，整個(gè)過(guò)程中，頂板下沉量39.5 mm，底鼓24.5 mm，兩幫收斂量60.8 mm，較好地滿足了切眼的安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

1)跨度大是增加切眼支護(hù)難度的重要因素之一，目前常用錨索網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)方法沒(méi)考慮到減跨的問(wèn)題，通過(guò)加大錨桿(索)的用量來(lái)達(dá)到切眼支護(hù)的目的，材料消耗大，施工速度慢，經(jīng)濟(jì)效益低。

2)利用可移動(dòng)、可回收的單體液壓支柱減小切眼的跨度，在保證采煤設(shè)備的正常安裝調(diào)試的同時(shí)，也達(dá)到降低切眼支護(hù)困難的目的，在晉華宮礦8208工作面切眼支護(hù)中得到了較好的應(yīng)用。

3)在“支柱減跨，漸變錨索，強(qiáng)頂弱幫”的新型切眼支護(hù)設(shè)計(jì)思路的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)了以單體液壓支柱和漸變錨索為主的新型支護(hù)方案，并在8208工作面切眼中應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，切眼從開(kāi)挖到穩(wěn)定，頂板下沉量39.5 mm，底鼓24.5 mm，兩幫收斂了60.8 mm，滿足了切眼的正常生產(chǎn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，值得其他類似工程借鑒。

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