西曲礦18503 工作面大斷面開切眼圍巖控制技術(shù)研究

李一飛

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司西曲礦，山西 太原 030053）

引言

煤炭作為我國的基礎(chǔ)能源，在消費(fèi)能源中占據(jù)并將長期占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著煤礦采掘技術(shù)的快速發(fā)展，礦井綜采工作面采用的綜采設(shè)備體積、功率及重量等均呈增加趨勢(shì)，大功率綜采設(shè)備應(yīng)用在一定程度上提升了采煤工作面回采效率，但是也給綜采設(shè)備安裝帶來較大的挑戰(zhàn)[1]。綜采工作面留設(shè)的切眼規(guī)格需滿足綜采設(shè)備安裝需要，切眼斷面積、施工技術(shù)方法決定了切眼支護(hù)形式，同時(shí)切眼寬度越大、支護(hù)難度越高。本文以西曲礦18503 綜采工作面切眼掘進(jìn)及支護(hù)為工程背景，對(duì)大斷面切眼支護(hù)技術(shù)進(jìn)行分析探討，為后續(xù)的安裝液壓支架并順利實(shí)現(xiàn)工作面回采創(chuàng)造便捷。

1 礦井綜采工作面概況

西曲礦位于太原西山煤田北緣，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為400 萬t/a，煤層傾角3°～15°，平均5°左右，現(xiàn)主要開采煤層8#、9#，礦井面積為15.7 km2。18503 綜采工作面開采8#煤層，煤層埋深390 m，煤層厚度平均厚度4.3 m，平均傾角為4.5°，煤層賦存較為穩(wěn)定，為全區(qū)可采煤層。8#煤層上覆巖層以炭質(zhì)泥巖、石灰?guī)r、中粒砂巖為主；底板巖層以粉砂巖、泥巖為主，具體巖性參數(shù)，如表1 所示。

表1 8#煤層頂?shù)装鍘r性參數(shù)

為了滿足綜采設(shè)備安裝需要，采面設(shè)計(jì)寬度為8 m、高度為3.5 m，采面切眼斷面整體較大，對(duì)切眼掘進(jìn)及支護(hù)技有較高要求。為了實(shí)現(xiàn)切眼安全掘進(jìn)，切眼采用先掘進(jìn)小斷面導(dǎo)硐（斷面為4.0 m×3.5 m）后進(jìn)行刷擴(kuò)方式掘進(jìn)，并通過工字鋼、錨網(wǎng)索、單體等組合對(duì)圍巖進(jìn)行控制[2]。

2 工作面原有設(shè)計(jì)存在問題

結(jié)合西曲礦地質(zhì)條件和相關(guān)資料總結(jié)得到18503 工作面大斷面開切眼支護(hù)設(shè)計(jì)主要存在以下問題：

1）原有的支護(hù)方案設(shè)計(jì)不合理，沒有考慮到大斷面尺寸對(duì)切眼變形特征的影響，仍采用順槽支護(hù)參數(shù)。

2）單體錨索僅依靠懸吊理論設(shè)計(jì)，沒有把大斷面水平應(yīng)力作用考慮在內(nèi)，未形成整體承載結(jié)構(gòu)，忽略了與錨桿的協(xié)同作用[3]。

3）錨桿索選用的樹脂錨固劑的型號(hào)和數(shù)量不合理。

3 大斷面切眼支護(hù)技術(shù)

3.1 支護(hù)技術(shù)

錨網(wǎng)索支護(hù)是現(xiàn)階段礦井常用支護(hù)技術(shù)，具有支護(hù)強(qiáng)度高、施工便捷以及支護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。為此，采用錨網(wǎng)索支護(hù)方式對(duì)切眼巖層進(jìn)行控制。切眼支護(hù)使用的錨桿長度L 可通過公式（1）計(jì)算：

式中：L 為錨桿長度，m；L1、L2為錨固長度、外露長度，分別取值0.4 m、0.04 m；K 為安全系數(shù)，取2；H 為頂板冒落帶高度，取0.64 m。將上述參數(shù)帶入公式后計(jì)算出錨桿長度為1.73 m，取1.8 m。

錨桿支護(hù)間距C 可通過公式（2）計(jì)算：

式中：C 為錨桿間距，m；Q 為錨固力，取50 kN；R 為覆巖容重，取25 000 N/m3；K 及H 含義與切眼支護(hù)使用的錨桿長度計(jì)算公式一致。將相關(guān)參數(shù)帶入到公式計(jì)算得到錨桿支護(hù)間距為1.2 m，因此切眼支護(hù)使用的錨桿間距、排距均確定為1.2 m。

結(jié)合采面切眼圍巖控制需要錨桿支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，支護(hù)采用的錨桿規(guī)格為椎20 mm×100 mm，每根錨桿使用兩卷樹脂錨固劑（型號(hào)Z2335）錨固，提供的錨固力在50 kN 以上；錨桿配套使用蝶形鋼托盤；在頂板上配合使用網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm 的金屬網(wǎng)。當(dāng)切眼圍巖條件較差時(shí)配合使用11#工字鋼、單體進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

切眼導(dǎo)硐巷幫支護(hù)參數(shù)依據(jù)工程類比法確定，考慮到后期需要對(duì)采面幫進(jìn)行刷擴(kuò)，為此在采面幫使用玻璃鋼錨桿、在煤柱幫采用螺紋鋼錨桿[4]。巷幫錨桿間排距一致，均為1 000 mm×1200 mm，單根錨桿使用2 支樹脂錨固劑錨桿（錨固劑型號(hào)為Z2335），錨固后給錨桿提供的錨固力在50 kN 以上；巷幫錨桿配套使用的托盤類型為蝶形鋼托盤；巷幫鋪設(shè)柔性塑料網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50m。具體采面切眼導(dǎo)硐支護(hù)設(shè)計(jì)，如圖1 所示。

圖1 采面切眼導(dǎo)硐支護(hù)參數(shù)（單位：mm）

3.2 切眼支護(hù)技術(shù)

在切眼完成導(dǎo)硐施工、支護(hù)后開始在刷擴(kuò)采面幫，采面幫刷擴(kuò)深度為2 500 mm。在切眼導(dǎo)硐掘進(jìn)完成后圍巖應(yīng)力重新分布，從而會(huì)在一定程度上增加圍巖裂隙發(fā)育程度以及松動(dòng)圈范圍，導(dǎo)致切眼圍巖變形量增加；在對(duì)切眼采面幫刷擴(kuò)后會(huì)導(dǎo)致切眼圍巖應(yīng)力二次分布，增加圍巖支護(hù)難度[5]。為了確保刷擴(kuò)后切眼圍巖穩(wěn)定，可通過適當(dāng)縮小錨桿間排距來提高圍巖支護(hù)強(qiáng)度。具體頂板錨桿間排距由1 200 mm×1200 mm縮小至900 mm×1 200 mm，巷幫錨桿間排距保持不變。頂板錨桿、巷幫錨桿分別為螺紋鋼錨桿、玻璃鋼錨桿。

為了提高采面切眼圍巖控制效果，在刷擴(kuò)后的切眼內(nèi)布置2 排單體支柱，配合11#工字鋼對(duì)頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，單體支護(hù)間距為2 900 mm、排距為1 200 mm，具體刷擴(kuò)后切眼支護(hù)設(shè)計(jì)圖，如圖2 所示。

圖2 刷擴(kuò)后切眼支護(hù)設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

4 切眼圍巖控制效果分析

西曲礦18503 綜采工作面切眼雖然斷面較大，但是整體使用時(shí)間較短，切眼支護(hù)完成后短期圍巖變形在合理范圍內(nèi)即可滿足采面綜采設(shè)備安裝需要。在采面切眼采用錨桿+錨網(wǎng)+11#工字鋼+單體支柱形式支護(hù)完成后，對(duì)切眼頂板、巷幫變形量進(jìn)行監(jiān)測。從監(jiān)測結(jié)果可看出，切眼頂板、巷幫累計(jì)變形量分別為25 mm、73 mm，切眼斷面收縮量小于設(shè)計(jì)斷面積的2%，頂板以及巷幫變形不會(huì)給切眼內(nèi)綜采設(shè)備正常安裝帶來不利影響。在切眼內(nèi)采用錨桿+錨網(wǎng)+單體支柱+11#工字鋼方式可滿足圍巖控制需要，巷道未發(fā)生明顯的底鼓現(xiàn)象，切眼在服務(wù)期內(nèi)未發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，總體控制效果良好[6]。切眼表面移近量現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，如圖3 所示。

圖3 切眼表面移近量現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)論

西曲礦18503 綜采工作面切眼寬度達(dá)到8 m，切眼斷面較大。為此，文中提出采用先掘進(jìn)切眼導(dǎo)硐、后進(jìn)行刷擴(kuò)方式掘進(jìn)大斷面切眼，并使用錨桿+錨網(wǎng)+單體支柱+11#工字鋼方式對(duì)圍巖進(jìn)行控制；依據(jù)切眼圍巖情況，采用理論計(jì)算方法、工程類比法等確定錨桿支護(hù)參數(shù)；在切眼內(nèi)布置2 排單體支柱可提升頂板支護(hù)強(qiáng)度，確保頂板巖層穩(wěn)定。現(xiàn)場應(yīng)用后，切眼圍巖保持穩(wěn)定，滿足了綜采工作面后續(xù)的支架安裝和工作面回采要求。