煤礦井下大斷面切眼支護(hù)方案的研究

許艷偉

（山西高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100）

1 概況

高河能源有限公司主采煤層平均厚度6.4 m，直接頂以泥巖為主，厚度為2.7 m，基本頂以粗砂巖為主，平均厚3.1 m，巷道的底板以泥巖為主，平均厚度為4.2 m，煤層中含有2 層夾矸。采用的綜采煤巷切眼寬9 m，高3.4 m，一般采用U 型鋼支撐、工字鋼三節(jié)棚支護(hù)結(jié)構(gòu)。由于圍巖穩(wěn)定性差、切眼跨度大，通過(guò)增加支護(hù)密度和支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來(lái)保證切眼支護(hù)的安全性。目前井下常用的錨桿長(zhǎng)度為3.0 m，各個(gè)錨桿間的間距采用了0.8 m，整體的支護(hù)密度大，巷道支護(hù)效率僅22 個(gè)循環(huán)/月，而且支護(hù)成本高達(dá)3260 元/m，嚴(yán)重影響了煤礦井下巷道支護(hù)效率和經(jīng)濟(jì)性，因此迫切需要對(duì)現(xiàn)有的支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，在保證支護(hù)可靠性的情況下提升支護(hù)效率，降低支護(hù)成本。

2 巷道支護(hù)參數(shù)確認(rèn)

針對(duì)傳統(tǒng)全面永久加強(qiáng)支護(hù)時(shí)所存在的支護(hù)效率低、穩(wěn)定性差的情況，提出“錨桿+錨網(wǎng)+錨索”綜合支護(hù)的方案[1-3]，利用錨桿和錨索支撐操作便捷、轉(zhuǎn)運(yùn)方便等特點(diǎn)，進(jìn)行重點(diǎn)加強(qiáng)支護(hù)。在支護(hù)時(shí)根據(jù)巷道頂板受力分析結(jié)果，應(yīng)該將支護(hù)的錨桿形成一個(gè)“組合拱”，縮小頂板的跨距，使支護(hù)結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的自穩(wěn)定能力和承載能力，充分發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)整體的支護(hù)效能。

傳統(tǒng)支護(hù)方案中，對(duì)大斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇通常是依靠經(jīng)驗(yàn)，沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，因此經(jīng)常導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)密度大，遠(yuǎn)超支護(hù)需求，雖然穩(wěn)定性較好，但是效率低，支護(hù)成本高。高河能源從不同支護(hù)參數(shù)對(duì)支護(hù)強(qiáng)度影響入手，通過(guò)實(shí)際支護(hù)驗(yàn)證，獲取了最直接的試驗(yàn)參數(shù)，為支護(hù)參數(shù)的選擇提供了依據(jù)，目前已經(jīng)在高河能源形成了一個(gè)完整的參數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)。

（1）錨桿長(zhǎng)度對(duì)巷道圍巖變形情況的影響

錨桿長(zhǎng)度對(duì)巷道圍巖變形情況的影響如表1 所示。隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，頂板位移量逐漸降低，但當(dāng)錨桿長(zhǎng)度超過(guò)2 m 后頂板變形量下降的幅度大幅降低。

（2）錨桿間距對(duì)巷道圍巖預(yù)應(yīng)力影響

錨桿支護(hù)形成后會(huì)在圍巖內(nèi)形成一定的預(yù)應(yīng)力，圍巖內(nèi)部預(yù)應(yīng)力越大，其抵抗礦壓波動(dòng)的能力越強(qiáng)。根據(jù)在高河能源井下的實(shí)際測(cè)量，采用長(zhǎng)度為2 m 的錨桿，不同間距下的巷道內(nèi)圍巖變化如圖1 所示。

表1 不同錨桿長(zhǎng)度對(duì)巷道頂板變形量影響

圖1 不同支護(hù)間距下圍巖應(yīng)力變化趨勢(shì)

由實(shí)際測(cè)量結(jié)果可知，隨著支護(hù)間距的增加，巷道圍巖內(nèi)的預(yù)應(yīng)力逐漸降低，其穩(wěn)定性越差。當(dāng)支護(hù)間距為0.9 mm 時(shí)能夠取得較好的平衡，兼顧支護(hù)穩(wěn)定性和支護(hù)效率。

3 切眼支護(hù)方案

根據(jù)切眼結(jié)構(gòu)，大斷面切眼頂板支護(hù)時(shí)以錨桿支護(hù)為核心，錨桿間距設(shè)定為0.9 m；以錨索支護(hù)為輔助，各組錨索在布置時(shí)采用3+4+3 的均勻分布式結(jié)構(gòu)，錨索間距設(shè)定為2 m，排距為1.8 m。幫部錨桿支護(hù)，間距為1.2 m，每排3 根錨桿。錨桿直徑18 mm，長(zhǎng)2 m，錨索直徑17.8 mm，長(zhǎng)為8.3 m。

錨桿索支護(hù)完成后，在擴(kuò)刷幫處約0.75 m 處設(shè)置一組液壓支架，各個(gè)支架間的距離設(shè)置為1 m。在進(jìn)行切眼支護(hù)時(shí)采用了分層支護(hù)方案，首先對(duì)切眼寬度的2/3 進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)完成并形成一個(gè)穩(wěn)定的支護(hù)體后，再在兩側(cè)進(jìn)行切眼擴(kuò)充。對(duì)擴(kuò)充區(qū)的支護(hù)采用單排錨桿，每排3 根，錨索布置時(shí)同樣采用單排布置結(jié)構(gòu)。在煤壁側(cè)進(jìn)行支護(hù)時(shí)，采用直徑為20 mm、長(zhǎng)度為2000 mm 的錨桿[4]。為了防止在支護(hù)和使用過(guò)程中出現(xiàn)落石，在切眼易出現(xiàn)碎裂的位置設(shè)置孔徑為30 mm 的雙層錨網(wǎng)防護(hù)，有效防止落石傷人現(xiàn)象。新的支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2。

該切眼支護(hù)方案充分利用了巷道頂板簡(jiǎn)易梁模型分析結(jié)果，以降低切眼斷面跨距為主要目的，結(jié)合大斷面切眼的情況，以錨桿和錨索綜合支護(hù)為核心，分層支護(hù)，有效降低了支護(hù)工作量和支護(hù)成本。根據(jù)實(shí)際驗(yàn)證，相同情況下，巷道支護(hù)效率由最初的22 個(gè)循環(huán)/月，提高到了25 個(gè)循環(huán)/月，支護(hù)效率比傳統(tǒng)支護(hù)模式提升了14.2%以上。支護(hù)過(guò)程中的支護(hù)成本由3260 元/m，降低到了目前的2 692.76 元/m，綜合支護(hù)成本降低了17.4%。

圖2 大斷面切眼支護(hù)結(jié)構(gòu)

4 支護(hù)效果分析

煤礦井下大斷面切眼跨距為9 m，屬于典型的大跨距切眼，在切眼附近設(shè)置5 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，1 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于切眼中間，5 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于切眼邊緣，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處設(shè)置一個(gè)位移傳感器，對(duì)切眼使用期間的巷道圍巖變化情況進(jìn)行監(jiān)控。各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的圍巖變化情況如圖3。

圖3 不同位置圍巖位移變化情況

由圖3 可知，隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增加，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的圍巖位移均逐漸增大，約50 d 后位移變化情況趨于穩(wěn)定，最大圍巖變化量約為130 mm，位于頂板的中間位置，比優(yōu)化前的370 mm 降低了約64.9%，顯著降低了圍巖的變形量。

5 結(jié)論

（1）井下切眼頂板受力情況下的撓度變形量和切眼跨距成正比，因此為了確保井下巷道的穩(wěn)定性，需要對(duì)頂板進(jìn)行加強(qiáng)支撐，降低頂板的切眼跨距。

（2）采用“錨桿+錨網(wǎng)+錨索”綜合支護(hù)的方案，利用錨桿和錨索組合支護(hù)初撐力大、支護(hù)操作便捷、轉(zhuǎn)運(yùn)方便的特點(diǎn)，進(jìn)行重點(diǎn)支護(hù)，利用錨網(wǎng)對(duì)重點(diǎn)落石區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，防止出現(xiàn)安全事故。

（3）新型支護(hù)方案有效降低了支護(hù)工作量和支護(hù)成本，根據(jù)實(shí)際驗(yàn)證，相同情況下的支護(hù)效率比傳統(tǒng)支護(hù)模式提升了14.2%以上，綜合支護(hù)成本降低了17.4%。

（4）優(yōu)化后最大圍巖變化量約為130 mm，位于頂板的中間位置，比優(yōu)化前降低了約64.9%，顯著降低了圍巖的變形量，提升了切眼的穩(wěn)定性。