放頂煤工作面開切眼掘進(jìn)工藝及圍巖控制技術(shù)

雷明

（晉能控股集團(tuán)山西科學(xué)技術(shù)研究院雙創(chuàng)中心 山西 大同 037100）

0 前言

近年來，國內(nèi)優(yōu)勢煤炭企業(yè)產(chǎn)能不斷釋放，越來越多厚煤層、特厚煤層工作面采用放頂煤回采技術(shù)，同時引進(jìn)綜采設(shè)備向大型化發(fā)展，造成開切眼跨度逐步增大，對切眼掘進(jìn)與支護(hù)都提出更高要求[1]。不同開切眼的掘進(jìn)方式對巷道圍巖擾動破壞形式不盡相同，從而對支護(hù)方式也產(chǎn)生較大影響[2]。因此，筆者基于整個工作面開拓實(shí)際條件，加強(qiáng)研究開切眼掘進(jìn)方式及有效合理的支護(hù)方式，為礦井銜接提供保障，以期為類似條件礦井提供參考依據(jù)。

1 工程概況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)某礦工作面煤層賦存穩(wěn)定,煤層厚度平均6.86 m,純煤厚度6.10 m。結(jié)構(gòu)復(fù)雜、含2層夾矸,以泥巖為主。煤層傾角平均2°,屬近水平煤層。煤巖類型半暗型,煤種為氣煤。煤層直接頂為炭質(zhì)泥巖，平均厚度1.4 m，老頂為高嶺泥巖，平均厚度3.1 m，直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度3.76 m，老底為粗砂巖，平均厚度7.24 m。在充分考慮到采煤配套機(jī)組的尺寸后，設(shè)計(jì)切眼掘?qū)? m，掘高3.6 m。切眼布置及尺寸見圖1。

圖1 切眼布置圖

2 開切眼掘進(jìn)工藝

不同的開切眼掘進(jìn)方式對圍巖產(chǎn)生不同程度的擾動，掘進(jìn)及支護(hù)方式的合理選擇可減小大跨度巷道對圍巖的擾動破壞，從而使其保持穩(wěn)定。當(dāng)開切眼跨度保持不變時，通過選擇合理掘進(jìn)方式減小掘進(jìn)對圍巖的擾動破壞，進(jìn)而提高開切眼圍巖的整體承載能力[3-4]。目前開掘切眼有一次成巷與斷面分區(qū)二次成巷兩種掘進(jìn)方式，掘進(jìn)皮帶巷和材料巷（尺寸5.4 m×3.6 m）采用EBZ220 型掘進(jìn)機(jī)沿煤層底板進(jìn)行施工。如果采用一次切眼成巷（尺寸9 m×3.6 m）施工工藝，需將掘進(jìn)機(jī)與皮帶撤出2 800 m的皮帶巷，再運(yùn)送新型機(jī)組，鋪設(shè)新皮帶，同時必須保證新型機(jī)組在5.4 m×3.6 m 尺寸之內(nèi)，施工工期至少增加45 天，極大影響工作面準(zhǔn)備工期，對煤礦采掘銜接制造困難，因此采用EBZ220型掘進(jìn)機(jī)分區(qū)二次掘進(jìn)是最有效的掘進(jìn)方式。

2.1 施工方法

采用EBZ220 型掘進(jìn)機(jī)沿煤層底板進(jìn)行施工，通過見底控頂?shù)那懈罘绞椒侄纬上铮敯逯ёo(hù)采用使用液壓錨桿鉆機(jī)和氣動錨桿鉆機(jī)完成支護(hù)工序；護(hù)幫支護(hù)使用手持式風(fēng)動鉆機(jī)施工。每向前掘進(jìn)（擴(kuò)幫）一個支護(hù)間距（0.9 m）時，停止掘進(jìn)，由外向里進(jìn)行永久支護(hù)，支護(hù)完成后再繼續(xù)向前截割，進(jìn)入下一循環(huán)。

2.2 巷道開口施工方法

開切眼從皮帶巷工作面?zhèn)葞拖葦U(kuò)幫施工，按擴(kuò)長7.4 m（含頭過渡支架壁龕寬2 m）×高3.6 m，每擴(kuò)寬0.9 m 及時支護(hù)頂幫，按此循環(huán)擴(kuò)幫至掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)正到切眼巷，開口第一排先支護(hù)工字鋼梁，然后按支護(hù)設(shè)計(jì)施工。開口擴(kuò)幫超寬處加強(qiáng)錨索支護(hù)，超寬0.8 m增加支護(hù)1根錨索，超寬1.6 m增加支護(hù)2根錨索。

2.3 巷道施工順序

先施工絞車窩，待絞車窩永久支護(hù)完工后，開切眼施工。切眼從右側(cè)幫（古塘側(cè)）掘5.4 m寬，施工到位置撤出皮帶，退出機(jī)組，再擴(kuò)左側(cè)幫（采煤側(cè)）3.6 m寬，達(dá)到斷面寬9 m。在進(jìn)行擴(kuò)幫前，必須在5.4 m寬的斷面內(nèi)，將古塘側(cè)與頂板的永久支護(hù)、擴(kuò)幫側(cè)的玻璃鋼錨桿支護(hù)隨著掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)度支護(hù)完畢。同時在擴(kuò)寬前，將兩排單體液壓支柱支護(hù)完畢。

2.4 絞車窩、壁龕及擴(kuò)幫的施工

絞車窩沿皮帶巷向前施工長5 m，施工規(guī)格（寬5.4 m，高3.6 m）和支護(hù)同皮帶巷一致，左幫玻璃鋼錨桿更換與右?guī)鸵?guī)格一致的高強(qiáng)度金屬錨桿。頭、尾過渡支架壁龕隨掘進(jìn)切眼右側(cè)一起施工，長8 m，寬2 m，高3.6 m；機(jī)組滾筒壁龕隨擴(kuò)幫切眼左側(cè)擴(kuò)幫，長5 m，寬1.5 m，高3.6 m，壁龕三面均采用玻璃鋼錨桿支護(hù)，壁龕頂部采用左旋無縱肋螺紋鋼錨桿支護(hù)，每個壁龕搭配兩根單體柱加1.2 mπ型梁的臨時支護(hù)。

3 切眼支護(hù)方案

錨桿：頂錨桿為?20×2 400 mm 左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，配套使用鋼帶、碟形墊（110×110×10 mm）、球形帽、塑料摩擦墊和加厚螺母；右?guī)筒捎?18×2 000 mm 左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，配套使用W 型鋼帶護(hù)板（450×220×4 mm）、碟形墊（110×110×10 mm）、球形帽、塑料摩擦墊和加厚螺母；左幫采用?20×2 000 mm 玻璃鋼錨桿。機(jī)組滾筒壁龕兩幫錨桿均采用?20×2 000 mm 玻璃鋼錨桿；頭、尾過渡支架壁龕和絞車窩兩幫均采用?18×2 000 mm左旋無縱肋螺紋鋼錨桿。

錨索：采用?21.8×8 000 mm鋼絞線，鋼帶上錨索配套250×250×16 mm鋼托板、KM22型錨具，11#礦用工字鋼上錨索配KM22 型錨具。吊裝錨索采用?21.8×5 000 mm鋼絞線配250×250×16 mm鋼托板。

金屬網(wǎng)：頂和幫金屬網(wǎng)采用?4 mm 鉛絲，網(wǎng)孔規(guī)格為100×100 mm，頂金屬網(wǎng)長×寬=8 m×1.2 m，右?guī)徒饘倬W(wǎng)長×寬=3 m×4 m；左幫采用塑料網(wǎng)。

W 型鋼帶：規(guī)格為BHW—280—3.0，掘?qū)?.4 m 采用5.1 m 長（7 個孔，孔距800 mm），擴(kuò)幫3.6 m 采用3.5 m 長（5 個孔，孔距800 mm），掘?qū)?.4 m（含頭、尾過度支架壁龕）采用7.25 m長（9個孔，孔距800 mm，靠右?guī)瓦? 個孔距550 mm）。規(guī)格為BHW—220—4.0，機(jī)組滾筒壁龕采用450 mm長。

11#礦用工字鋼：掘?qū)?.4 m采用4 m長（3個孔，孔距1 600 mm），擴(kuò)幫3.6 m 采用 3.7 m 長（3 個孔，孔距1 600 mm、1 300 mm），掘?qū)?.4 m（含頭、尾過度支架壁龕）采用5.6 m長（4個孔，孔距1 600 mm）。

錨固劑：選用MSZ2360、MSK2360 型樹脂藥卷，頂錨桿安裝1 支MSK2360 藥卷，幫錨桿安裝1 支MSZ2360 藥卷，均錨固長度600 mm；每根錨索裝2 支藥卷（MSZ2360、MSK2360 型藥卷各1 支），錨固長度1 200 mm。

單體液壓支柱：采用DW-45型配L=1 200 mm的π型梁。過渡壁龕與切眼支護(hù)布置見圖2、圖5。

圖2 過渡壁龕支護(hù)斷面圖

圖3 切眼支護(hù)斷面圖

4 礦壓觀測結(jié)果及分析

4.1 礦壓觀測

根據(jù)開切眼試驗(yàn)段長度，工作面切眼每50 m安裝一臺頂板離層監(jiān)測儀，儀器型號為KGE30B，將頂板離層儀深基點(diǎn)錨頭應(yīng)固定在鉆孔深部7.7 m～7.8 m 處，淺基點(diǎn)固定在鉆孔2.3 m～2.4 m處。通過頂板離層監(jiān)測儀，監(jiān)測錨桿錨固范圍內(nèi)和錨桿錨固范圍外的頂板離層情況。同時設(shè)計(jì)4 個表面位移觀測，按照切眼長度均勻布置，監(jiān)測方法為十字布點(diǎn)法。

4.2 礦壓觀測結(jié)果分析

（1）通過對設(shè)置在工作面切眼4 個測站兩個月的巷道表面位移觀測，兩幫最大移近量為42 mm，頂板最大下沉量為78 mm，開切眼圍巖整體變形量很小，沒有發(fā)生頂板巖體冒落和煤璧片幫等圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象。

（2）開切眼在開挖初期頂板和巷幫變形速度較快，且變形量大，后變形速度逐漸變小并趨于零，其中兩幫變形量在兩周左右達(dá)到穩(wěn)定，頂板下沉經(jīng)過兩到三周逐步趨于穩(wěn)定。

（3）4個測站的離層監(jiān)測結(jié)果表明，巷道深部基點(diǎn)的最大離層值為8 mm，頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)語

（1）綜放工作面開切眼圍巖變形主要表現(xiàn)在頂板下沉，且切眼中部頂板變形較大，巷幫相對變形較小。

（2）開切眼施工采用斷面分區(qū)二次成巷的施工方式，且擴(kuò)幫跨度小于導(dǎo)硐(或已施工)跨度，該施工方式對切眼圍巖的擾動破壞程度較小。

（3）以“強(qiáng)力錨桿錨索、金屬網(wǎng)、W 鋼帶配合單體液壓支柱”為核心的主動支護(hù)方案能夠控制切眼大范圍變形破壞。