大采高工作面切眼安全穩(wěn)定研究

摘 要：眾所周知，大采高工作面切眼跨距較大，影響其安全穩(wěn)定的因素較多，不僅受工作面埋深影響，并且受切眼巷道支護(hù)參數(shù)和跨距大小的影響。文章以工程實(shí)踐為契機(jī)，建立了切眼跨距力學(xué)模型，推算出極限跨距計(jì)算公式，并結(jié)合實(shí)際工程條件，選擇合理支護(hù)參數(shù)，保證了切眼巷道的安全穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：大斷面；安全跨距；力學(xué)模型

前言

工作面開(kāi)切眼是工作面回采開(kāi)始準(zhǔn)備的場(chǎng)所，回采設(shè)備的安裝、準(zhǔn)備需要在此空間內(nèi)進(jìn)行，因不同的回采工藝，需要的回采設(shè)備的不同，也就決定開(kāi)切眼的斷面大小不同[1-2]。開(kāi)切眼斷面過(guò)小，回采設(shè)備安裝不了，不能順利進(jìn)行生產(chǎn)，開(kāi)切眼斷面過(guò)大，巷道支護(hù)困難，故開(kāi)切眼合理跨距選擇以及巷道支護(hù)參數(shù)直接影響煤礦安全高效生產(chǎn)[3-4]。

1 工程概況

河南某礦主采二1煤，煤層平均厚度6.3m，煤層傾角平均8°，屬于大采高近水平煤層，煤層回采采用走向長(zhǎng)壁一次采全高綜合機(jī)械化采煤法；偽頂主要為泥巖、炭質(zhì)泥巖，厚度不超過(guò)0.5m，僅零星分布；直接頂板厚度一般1～6.5m，以泥巖頂板為主。老頂多為厚度0.94～19.85m、平均7.46m的粗、中、細(xì)粒砂巖（大占砂巖）。底板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，厚度9.1～17.27m，平均12.84m。工作面屬于大采高綜采，切眼需要的設(shè)備體積較大，一般跨度需要9m左右，局部跨度需要10m左右，大斷面切眼巷道安全穩(wěn)定問(wèn)題亟需解決。

2 切眼巷道穩(wěn)定性影響因素分析

大采高工作面巷道圍巖穩(wěn)定性受多種因素影響，切眼作為巷道比較特殊的一種，斷面一般較大，其穩(wěn)定性受到影響的因素更加復(fù)雜，并且可能因地、因時(shí)、因工藝不同而變化[5-6]相互交叉影響，故在確定切眼巷道合理跨距以及支護(hù)參數(shù)之前，有必要先分析一下影響切眼巷道的影響因素。

（1）巷道斷面。巷道圍巖由于采出空間圍巖應(yīng)力重新分布發(fā)生變形，不僅頂板發(fā)生下沉，兩幫以及底板也會(huì)發(fā)生不同程度的變形。一般而言，采出空間越大，頂?shù)装逡约皟蓭妥冃卧絿?yán)重，主要是因?yàn)椴蓜?dòng)空間越大，人工擾動(dòng)深度越深，圍巖裂隙及破碎范圍越大，圍巖完整性被破壞的越嚴(yán)重，圍巖本身的強(qiáng)度和自穩(wěn)能力越弱，故圍巖變形量越大。若是巷道橫向空間越大，頂?shù)装遄冃温瘦^兩幫變形率大，若是巷道縱向空間越大，巷道兩幫較頂?shù)装遄冃温蚀蟆?/p>

（2）巷道的支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)。巷道支護(hù)旨在促進(jìn)巷道圍巖的完整性和增加圍巖抵抗強(qiáng)度，巷道支護(hù)方式以及參數(shù)的選擇是直接影響巷道圍巖安全穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，但支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)選擇不合理，會(huì)造成一系列問(wèn)題，如支護(hù)強(qiáng)度過(guò)大，造成支護(hù)成本過(guò)高，資源浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)不合算，若支護(hù)強(qiáng)度過(guò)低，支護(hù)失效，巷道圍巖變形量過(guò)大，生產(chǎn)受到嚴(yán)重影響，故巷道支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)選擇尤為重要。

（3）地質(zhì)因素。在一定程度上，地質(zhì)因素是決定巷道圍巖穩(wěn)定的比較關(guān)鍵的因素。不同的地質(zhì)條件存在不同圍巖性質(zhì)，即圍巖中存在不同的軟弱結(jié)構(gòu)面（即節(jié)理）和其間的充填物，以及它們本身的空間分布狀態(tài)，包括結(jié)構(gòu)面的組數(shù)、間距及巖體單位體積中的節(jié)理數(shù)。

（4）巷道的埋藏深度。巷道埋深也是決定巷道圍巖穩(wěn)定性的因素之一。巷道不同的埋深決定了巷道不同的圍巖應(yīng)力，而圍巖應(yīng)力是影響巷道圍巖變形的直接因素，巷道埋深越大，巷道圍巖應(yīng)力越大，致使巷道圍巖變形越大。

3 切眼巷道跨距計(jì)算力學(xué)模型

切眼巷道穩(wěn)定跨距可用材料力學(xué)的方法求得。切眼巷道掘進(jìn)支護(hù)完成后，形成了一個(gè)新的結(jié)構(gòu)空間，由于工作面切眼上部受力基本相當(dāng)，可假設(shè)切眼巷道軸向上受力相同，截取切眼巷道截面建立模型。單層巖層的穩(wěn)定跨距可以用材料力學(xué)方法求得，可簡(jiǎn)化成兩端固支梁和兩端簡(jiǎn)支梁模型進(jìn)行分析，圖1和圖2為受力模型。

兩端分別為固支和簡(jiǎn)支時(shí)，根據(jù)最大正應(yīng)力和最大剪應(yīng)力分別達(dá)到該處的極限強(qiáng)度時(shí)，可分別得到極限跨距：

4 切眼合理跨距設(shè)計(jì)及支護(hù)參數(shù)

通過(guò)建立力學(xué)模型進(jìn)行理論計(jì)算以及設(shè)備安裝要求等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定切眼巷道的合理跨距以及支護(hù)參數(shù)。以工作面11050工作面為工程實(shí)踐背景，確定該工作面切眼斷面為矩形，切眼巷道分兩次開(kāi)掘，第一次小斷面掘進(jìn)，第二次擴(kuò)刷斷面至設(shè)計(jì)斷面。具體操作如下：第一次掘進(jìn)跨距為4800mm，采用錨網(wǎng)（索）+槽鋼梁+W型鋼帶+鋼筋梯聯(lián)合支護(hù)，第二次擴(kuò)刷至9200mm，切眼高度為4620mm采用超長(zhǎng)錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+槽鋼梁+W型鋼帶+鋼筋梯聯(lián)合支護(hù)。由于工作面設(shè)備形狀原因，工作面不同地段（如刮板輸送機(jī)機(jī)頭段、正常段和刮板輸送機(jī)機(jī)尾段）斷面不同，根據(jù)實(shí)際情況酌情調(diào)整斷面。在11050工作面實(shí)施后，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，滿足了正常安全的生產(chǎn)需要。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)大采高工作面切眼安全穩(wěn)定性問(wèn)題，分析了影響其穩(wěn)定的影響因素，即切眼巷道斷面大小、支護(hù)參數(shù)、地質(zhì)因素以及埋深，建立切眼跨距力學(xué)模型并計(jì)算得到合理跨距，以11050工作面為實(shí)踐背景進(jìn)行應(yīng)用，取得了良好效果，為類似工作面切眼跨距的設(shè)計(jì)及支護(hù)提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。

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作者簡(jiǎn)介：謝暉（1987-），男，2013年畢業(yè)于河南理工大學(xué)，碩士研究生，長(zhǎng)期從事煤礦安全監(jiān)管工作。