大傾角超寬斷面條件下切眼安全施工工程實踐

呂兆海，張振飛，靳 華，劉 濤，馮耀東，張錦宏，岳曉軍

(國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司,寧夏 銀川 750001)

0 引言

隨著礦井開采裝備不斷大型化、多功能化，工作面切眼斷面尺寸也不斷增大，合理的支護方式及施工工藝是實現(xiàn)大跨度斷面圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵。廣大學(xué)者針對大斷面切眼支護及圍巖控制進行了廣泛研究，陳春穎研究了特大斷面切眼的圍巖變形特征，提出組合錨索桁架主動控制原理及技術(shù)[1]；何富連教授基于大斷面巷道圍巖變形破壞機制分析，提出了以桁架錨索為核心的多維主動控制系統(tǒng)；張里生等研究了不穩(wěn)定厚泥巖層頂板條件下大跨度切眼圍巖承載結(jié)構(gòu)，提出了高強錨桿(索)、高錨固點(大錨固范圍)及高承載結(jié)構(gòu)的“三高”支護技術(shù)[2]；丁國峰等綜合分析切眼頂板巖層的結(jié)構(gòu)特點、受力特征和穩(wěn)定性等因素，建立了頂板巖層極限跨距的力學(xué)模型和公式[3]；馬占元采用頂板離層率、圍巖松動系數(shù)及頂板裂隙發(fā)育度3個控制指標(biāo)，對切眼圍巖控制難度進行分級管控[4]；針對大傾角超寬斷面條件下切眼施工由于涉及斷面、傾角、巖性等耦合因素作用，開展切眼施工工藝及支護研究十分重要。

1 工作面切眼概述

金家渠煤礦位于馬家灘礦區(qū)的南部，距寧夏回族自治區(qū)鹽池縣約70 km，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力400萬噸/年。110302工作面回采煤層為3煤，采用綜合機械化一次采全高，走向長壁后退式采煤方法，全部垮落法管理煤層頂板。3煤位于延安組第Ⅳ旋回的頂部，厚度變化小，結(jié)構(gòu)簡單，煤類單一，為不粘煤，屬穩(wěn)定煤層；3煤老頂為粗粒砂巖，平均厚度23.42 m，以灰白色為主，局部有黃色或青灰色，泥質(zhì)膠結(jié)、較松散，遇水易軟化、泥化，巨厚層狀，裂隙孔隙較多，是三煤頂板主要含水層；直接頂為粉砂巖，以灰白色為主，局部為灰色，平均厚度5.58 m，鈣質(zhì)膠結(jié)，較堅硬，節(jié)理較發(fā)育、完整性較差；3煤底板為粉砂巖，以灰白色為主，平均厚度1.6 m，較堅硬。根據(jù)勘探孔資料統(tǒng)計，工作面距直羅組含水層53.13～175.72 m，平均112.01 m；上覆延安組2～3煤間含水層厚度18.19～35.05 m，平均厚度24.1 m。工作面走向長度1895 m、傾向長度278 m、采高3.68 m，開采儲量為222萬噸；切眼斷面8.3～9.3 m、傾角36°～40°，切眼層位標(biāo)高+948～+1093 m。

2 煤巖試樣物理力學(xué)性質(zhì)

利用鉆機垂直煤、巖層理面鉆取φ50 mm×100 mm、φ50 mm×25 mm兩類試件共45塊，試驗儀器采用TAW-3000型電液伺服巖石三軸試驗機，用荷載傳感器測量試件承受的荷載、用位移傳感器測量試件的變形，直至試件破壞[5]。煤、巖試樣的力學(xué)性質(zhì)測定結(jié)果見表1，試樣單軸抗壓強度3煤為14.221 MPa、粗砂巖頂板為4.291 MPa、粉砂巖頂板為18.399 MPa、底板為24.782 MPa。

3 切眼支護設(shè)計

3.1 永久支護

(1) 支護載荷的確定

采用極限平衡法確定傾斜大斷面開切眼塑性區(qū)半徑[6，7]

(1)

式中，Rs為巷道塑性區(qū)半徑，m；R0為開切眼外切圓半徑，m；φ為巷道圍巖內(nèi)摩擦角，泥巖取38°；γ為上覆巖層巖石平均容重，kN/m3；H為開切眼最大埋深，m；C為巷道上覆圍巖內(nèi)聚力，MPa。

上覆巖層載荷的厚度

(2)

式中，b為開切眼高度，m。

為保證巷道圍巖在極限平衡區(qū)范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，最小支護力

P頂=∑γihi

(3)

式中，γi為第i層巖層的容重，kN/m3；hi為第i層巖層的厚度，m。

根據(jù)式(3)計算，為保證切眼頂部圍巖最小的支護力為125 kN/m2。

(2) 支護參數(shù)的確定

切眼正常斷面寬度8.3 m，采用“錨網(wǎng)”加“鋼帶”加“錨索桁架”聯(lián)合支護。采用M22-20-2000左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×900 mm，呈矩形布置，錨桿扭矩大于等于200 N·m，安裝W280 mm×450 mm×5 mm鋼護板和150 mm×150 mm ×12 mm蝶形鐵托盤。頂板采用φ6.5 mm圓鋼焊接而成的包邊網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格100 mm×100 mm，網(wǎng)寬900 mm；頂板金屬網(wǎng)對接連接，兩幫采用8#鉛絲編制而成的菱形網(wǎng)，搭接長度200 mm，包邊網(wǎng)與菱形網(wǎng)采用14#鉛絲連接。鋼帶采用φ16 mm圓鋼加工，頂板安裝鋼帶規(guī)格為φ16 mm×4000×80 mm，橫筋間距750 mm，鋼帶沿巷道中心向兩側(cè)均勻鋪設(shè)。頂板整體采用φ21.8 mm×4300 mm錨索和200 mm×60 mm×20 mm鋼托盤支護，錨索矩形布置，間排距750 mm×900 mm；桁架錨索沿巷道中心布置，錨索規(guī)格φ21.8 mm×6300 mm，間排距均為2000 mm×1800 mm，錨索預(yù)緊力大于等于200 kN；桁架采用長2.5 m的11#礦工鋼，孔徑φ26 mm，孔尺寸30 mm×80 mm，孔間距2000 mm，沿巷道傾向布置。

3.2 上下交岔點加強支護

為保證110302工作面端頭支架、過渡支架安裝需求，將切眼上下口10 m范圍跨度由8.3 m增至9.3 m，隨著跨度增大造成頂板應(yīng)力集中，加大了頂板管理的難度，因此對上下口交岔點進行加強支護。以下口交叉點為例，在皮帶運輸巷同切眼下口交岔點區(qū)域提前打設(shè)雙排桁架錨索對頂板加強支護，對切眼老塘側(cè)同皮帶運輸巷交岔點巷幫打設(shè)φ20 mm×2400 mm螺紋鋼錨桿，錨桿間距900 mm，如圖1所示，上口交岔點支護形式與下口相同。

4 切眼施工工藝

4.1 工藝選擇

(1) 施工層位的選擇

“上山式”掘進優(yōu)點是出渣容易、迎頭不積水、掘進速度快，缺點是迎頭煤矸易滾落、人員作業(yè)或行走時易下滑摔倒、迎頭易片幫。“下山式”掘進優(yōu)點是迎頭煤矸不易滾落傷人，缺點是出渣困難、迎頭積水給施工帶來不便、掘進速度慢。結(jié)合本切眼傾角大、頂板富含水的特征，以及掘進工期對礦井生產(chǎn)接續(xù)的影響，決定切眼導(dǎo)硐階段選用“上山式”、切眼擴幫階段選用“下山式”的掘進方式。

(2) 作業(yè)方式的選擇

因切眼傾角在36°～40°，超過了綜掘機額定爬坡能力18°的限值，加之傾角大出渣困難，決定選用“爆破方式”掘進。

(3) 施工斷面的選擇

因切眼頂板富含水且頂板巖性遇水易軟化泥化，頂板事故風(fēng)險較高、頂板管理難度大，同時切眼傾角決定了易采用炮掘方式掘進；大斷面炮掘存在勞動強度大、打眼裝藥工序費時費力、作業(yè)效率低下等缺點，故選用“導(dǎo)硐和擴幫”兩階段掘進方式。綜合考慮煤層賦存條件、施工工期、工作面接續(xù)等因素，本切眼采用“導(dǎo)硐和擴幫”分階段炮掘施工，切眼導(dǎo)硐階段選用“上山式”、擴幫階段選用“下山式”的作業(yè)方式，其中切眼導(dǎo)硐寬度4.25 m、擴幫寬度4.05 m，高度3～4.1 m，切眼支護斷面如圖2所示。

4.2 臨時支護方式

切眼導(dǎo)硐階段選用“上山式”爆破掘進，臨時支護采用金屬前探梁(φ50 mm鋼管、長度3000 mm)，前探梁前端焊接安裝端頭(φ30 mm圓鋼，長度800 mm)，焊接加工時安裝端頭插入φ50 mm鋼管中300 mm，外露長度500 mm；前探梁吊環(huán)采用40T刮板鏈及φ16 mm圓鋼加工而成，便于前探梁的竄移。每根前探梁使用2副吊環(huán)，掘進施工時，吊環(huán)通過鎖具吊掛在巷道頂板的錨索上，隨著掘進前探梁及吊環(huán)前移掛設(shè)，每根前探梁尾部焊接長500 mmφ9.5 mm鋼絞線，鋼絞線末端焊接φ16 mm 圓鋼加工而成的掛鉤，掛鉤吊掛在頂板金屬網(wǎng)上，作為硐室施工時前探梁防滑裝置。

每個循環(huán)爆破后迎頭必須全斷面掛設(shè)柔性網(wǎng)(φ4 mm油絲繩制作，網(wǎng)孔小于等于150 mm)，柔性網(wǎng)通過S型掛鉤掛設(shè)在前探梁安裝端處的圓環(huán)及肩窩區(qū)域的金屬網(wǎng)上。掘進施工期間迎頭浮渣過多，柔性網(wǎng)下部必須固定牢靠，緩沖上方矸石滑落時的沖擊力。

4.3 爆破參數(shù)設(shè)計

為了保證頂幫成型和支護質(zhì)量，并達到光面爆破的起爆效果，對爆破參數(shù)進行了特殊設(shè)計，要求導(dǎo)硐、擴幫施工巷道頂板周邊眼采取間隔裝藥，掏槽眼之間打設(shè)空眼。采用正向裝藥、正向起爆的方法爆破掘進，爆破參數(shù)如表2、表3所示，炮眼布置方式如圖3所示。

名稱眼號眼數(shù)炮眼深度角度/(°)裝藥量/kg垂深斜長水平垂直每眼節(jié)數(shù)每眼藥量小計爆破順序聯(lián)線方式掏槽眼1-441.892.0728440.83.2灰紅輔助眼5-24201.801.8909030.612.0灰黃周邊眼25-57331.791.8868620.413.2灰藍串聯(lián)合計共布置57個炮眼。共計142卷,重28.4kg。

表3 擴幫循環(huán)爆破圖表

4.4 切眼導(dǎo)硐施工

(1) 切眼導(dǎo)硐出渣方式

切眼導(dǎo)硐期間出渣分三個時期，前期巷道(0～10 m)施工期間，掘進出渣采用人工配合MWY6/0.3煤礦用液壓挖掘機和機巷刮板輸送機和機巷膠帶輸送機出渣；中期(10～20 m)施工期間，拆除機巷刮板輸送機，將膠帶輸送機機尾延至切眼導(dǎo)硐段下口，在110302工作面切眼內(nèi)安裝一部刮板輸送機，刮板輸送機搭接機巷膠帶輸送機出渣，刮板輸送機鋪設(shè)長度15～20 m，由于切眼坡度較大，在切眼下口處加工制作安裝平臺調(diào)整刮板輸送機鋪設(shè)平整度，保證設(shè)備正常運行。后期(20～2278 m)施工期間，即掘進至20 m后，在切眼下口安裝兩部JD-1.6型調(diào)度絞車，主絞車安裝在擴幫側(cè)，副絞車安裝在老塘側(cè)，出渣采取絞車牽引耙斗和切眼內(nèi)刮板輸送機和機巷膠帶輸送機出渣。刮板機機頭及機巷膠帶機搭接如圖4所示。

圖3 炮眼布置圖

圖4 刮板機機頭及膠帶機搭接示意圖

(2) 開口區(qū)域施工

開口區(qū)域搭設(shè)腳手架，進行打眼、裝藥等作業(yè)，開口施工時切眼下口留設(shè)刮板輸送機安裝臺階，高度1500 mm，自下向上按設(shè)計斷面進行導(dǎo)硐施工，沿三煤底板按15°上坡掘進。導(dǎo)硐施工10 m后，再進行擴幫側(cè)施工以便安裝作業(yè)平臺，做為絞車硐室及材料臨時碼放點；擴幫施工期間沿切眼中心線加打一排桁架錨索，“二一二”五花布置。

(3) 切眼導(dǎo)硐區(qū)域安全防護

開口段施工完畢后，按設(shè)計斷面及層位施工。在行人道設(shè)置絞車鋼絲繩運行防護網(wǎng)，如圖5所示，每隔0.9 m在底板打設(shè)φ20 mm×2400 mm螺紋鋼錨桿，錨底深度700 mm，錨桿頂部牢固捆綁在頂網(wǎng)上，然后掛設(shè)金屬網(wǎng)和塑料網(wǎng)做防護網(wǎng)，防護網(wǎng)高度2.7 m；在行人道距切眼迎頭端，設(shè)置1.5 m×1.8 m活動門(鋼管配合菱形網(wǎng)加工)，爆破作業(yè)前，將活動門關(guān)閉，防止大塊煤矸進入行人道內(nèi)。行人道側(cè)用4000 mm×30 mm×300 mm木板制作行人臺階，老塘側(cè)形成300 mm×200 mm水溝，用于巷內(nèi)淋水自流；防護網(wǎng)、行人臺階及防滑棕繩隨掘進工作面推進進行延設(shè)，滯后迎頭25 m。在刮板輸送機機尾處做一道全斷面防護網(wǎng)(寬3 m，高3 m，20 mm鋼管加工框架，掛設(shè)φ4 mm柔絲繩和菱形網(wǎng)，網(wǎng)孔小于等于150 mm)，防止捆綁支護材料時煤渣滾落傷人。該防護網(wǎng)在絞車運行期間拉起，其余時間處于關(guān)閉狀態(tài)，以防大塊煤滑落砸傷裝料人員，防護網(wǎng)開啟、閉合由行人側(cè)處絞盤控制，如圖6所示。

圖5 防護網(wǎng)及行人道設(shè)置示意圖

圖6 絞車安裝及防護網(wǎng)設(shè)置示意圖

4.5 切眼擴幫施工

切眼導(dǎo)硐貫通后，考慮到傾角較大，擴幫側(cè)煤幫采用“由上向下”炮掘施工，利用切眼導(dǎo)硐期間安裝的絞車牽引耙斗和切眼內(nèi)刮板輸送機和機巷膠帶輸送機系統(tǒng)出渣。擴幫施工期間，在擴幫后沿切眼中心線打設(shè)一排桁架錨索加強支護，切眼桁架錨索“二一二”五花布置，擴幫期間在切眼上口方向距離作業(yè)人員15 m處設(shè)置滾矸防護網(wǎng)，在行人側(cè)利用絞盤控制防護網(wǎng)開啟，防止切眼上口區(qū)域矸石或雜物滾落傷人。

4.6 切眼設(shè)備安裝

經(jīng)過長期生產(chǎn)實踐，總結(jié)了符合金家渠煤礦實際的快速安裝基本方法，即“推行一面一策，實施多措并舉，實現(xiàn)快速安裝”；當(dāng)煤層傾角大于12°，采用特種運輸車輛和液壓叉車、雙臂吊和絞車配合軌道(2.0 m軌距)提升的方式進行。

4.7 疏放水方案

疏放水工程要綜合考慮工程圍巖環(huán)境、構(gòu)造條件、采掘現(xiàn)狀等，盡可能降低3煤頂板含水層靜儲量、削減水頭高度，采取可控疏放且疏水鉆孔盡可能多穿過疏放層。切眼300 m區(qū)域上覆含水層以靜儲量為主，通過疏放水鉆孔實施降壓泄水。切眼300 m區(qū)域每隔100 m設(shè)置一個鉆場，鉆孔方位角呈扇形布置、鉆孔與順槽夾角小于等于50°，盡可能減少穿過隔水層長度，增大穿過含水層長度。將2030～2070 m段機巷底板進行硬化、并預(yù)留水溝，在切眼下口位置施工40 m3水倉，安裝2臺280 m3/h的多級泵，并安裝1趟φ273 mm的排水管；在機巷2030 m位置巷幫水倉安裝2臺155 m3/h的多級泵，并安裝2趟φ108 mm的排水管。

5 結(jié)論

(1) 大傾角超寬斷面切眼施工按照“方案最優(yōu)、絕不漏頂、設(shè)備保障、人員到位、緊扣工期、行動同步”的思路，高度重視切眼施工的前期準(zhǔn)備工作，制定了最優(yōu)的施工方案。

(2) 大傾角超寬斷面切眼采用“導(dǎo)硐”和“擴幫”兩階段施工，對實現(xiàn)圍巖穩(wěn)定性控制具有積極作用。

(3) 大傾角超寬斷面切眼導(dǎo)硐選用“上山式”、擴幫選用“下山式”的作業(yè)方式，設(shè)置的安全防護設(shè)施有效防止“飛煤飛矸”，改善了大傾角施工的不利因素，實現(xiàn)安全作業(yè)。

(4) 大傾角超寬斷面切眼采用“錨索和錨索桁架”聯(lián)合支護，從掘進至支架安裝期間頂板無明顯離層現(xiàn)象，表明聯(lián)合支護達到了預(yù)期效果，滿足工作面安裝要求。