特厚煤層綜放大斷面開(kāi)切眼支護(hù)技術(shù)研究

霍 璇

（陜西彬長(zhǎng)小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 713500）

小莊煤礦以往生產(chǎn)組織過(guò)程中，存在大斷面切眼頂板下沉嚴(yán)重、兩幫片幫和肩角變形等圍巖失穩(wěn)問(wèn)題，影響了工作面的安全生產(chǎn)。40309 工作面具有相同的地質(zhì)條件，開(kāi)展40309 切眼支護(hù)研究十分必要。

1 概況

小莊煤礦40309 切眼位于4 煤層中部，距煤層頂板15.2 m 處，4 煤層埋深約為531～731 m，煤層厚度19～28 m。4 煤層偽頂為砂巖，厚度0～0.73 m；直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度0.72～0.73 m；基本頂為粉砂巖，厚度9.16～8.10 m；直接底板為泥巖，厚度4.82～6.64 m。工作面以綜放形式開(kāi)采，全部垮落法管理頂板，煤層開(kāi)采厚度15.2 m，割煤高度3.8 m，放煤高度11.4 m，采放比1:3。

40309 切眼總長(zhǎng)為195 m，一次成巷寬5.7 m，高3.9 m；二次成巷寬為9.2 m，高為3.9 m，斷面為32 m2。切眼南北兩側(cè)為回風(fēng)和運(yùn)輸順槽，東西兩側(cè)以及頂?shù)装寰鶠閷?shí)體煤。

2 大斷面切眼失穩(wěn)原因

針對(duì)以往的大斷面切眼頂板下沉嚴(yán)重、兩幫片幫和肩角變形問(wèn)題，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)分析，總結(jié)支護(hù)失穩(wěn)產(chǎn)生的原因主要有以下三個(gè)方面：

（1）在開(kāi)切眼前，巖體內(nèi)部原巖應(yīng)力相對(duì)穩(wěn)定，開(kāi)挖后打破原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)，改變應(yīng)力分布。由于開(kāi)掘后寬度9.2 m，高度達(dá)3.9 m，斷面面積高達(dá)32 m2，使得應(yīng)力集中系數(shù)偏高，從而產(chǎn)生頂板下沉嚴(yán)重和兩幫片幫的現(xiàn)象[1]。

（2）切眼頂板受到的垂直應(yīng)力是由其上覆載荷產(chǎn)生，而上覆載荷與埋深呈正相關(guān)關(guān)系，埋深大小是影響巖體垂直應(yīng)力大小的關(guān)鍵因素。切眼位于4 煤層，煤層埋深約為531～731 m，埋深大，頂板上方垂直應(yīng)力高，切眼頂板煤層在高垂直應(yīng)力作用下易破碎，導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致頂板產(chǎn)生劇烈下沉現(xiàn)象。

（3）切眼頂?shù)装搴蛢蓭途鶠槊簩?，相較于巖石，煤體自身天然裂隙發(fā)育。在相同垂直應(yīng)力下，煤體裂隙重度發(fā)育，更容易破碎，從而降低圍巖強(qiáng)度，導(dǎo)致頂?shù)装搴蛢蓭鸵平黠@。

3 開(kāi)切眼支護(hù)技術(shù)方案

根據(jù)上述的大斷面切眼失穩(wěn)原因以及40309 切眼地質(zhì)條件，綜合考慮設(shè)計(jì)40309 切眼支護(hù)方案[2]。

3.1 支護(hù)原理

（1）采用錨桿+W 型鋼帶+金屬網(wǎng)組合成“組合梁”結(jié)構(gòu)。因頂板煤層厚度大，錨桿以全錨的形式支護(hù)頂部煤層，錨桿在強(qiáng)化頂板內(nèi)煤體的同時(shí)抑制裂隙發(fā)育，減少垂直應(yīng)力對(duì)煤體的破壞，可以有效約束頂?shù)装宓南鄬?duì)移近。

（2）采用錨索+槽鋼形成“錨索梁”結(jié)構(gòu)，將錨桿錨固煤體懸吊起來(lái)，將頂板松動(dòng)煤層的載荷轉(zhuǎn)移至上方穩(wěn)定煤層[3]。

（3）采用以全錨的形式在肩角處布置錨桿，結(jié)合幫部錨桿的支護(hù)作用，可以提高錨桿支護(hù)強(qiáng)度，降低切眼肩角的應(yīng)力集中，阻礙裂隙發(fā)育，進(jìn)一步提升錨桿對(duì)切眼肩角的支護(hù)作用。

3.2 支護(hù)參數(shù)計(jì)算

40309 切眼開(kāi)挖后，打破原應(yīng)力平衡，應(yīng)力重新分布，切眼圍巖會(huì)形成自然平衡拱（普氏拱）。為切眼圍巖控制得到最大支護(hù)強(qiáng)度，錨桿和錨索需要控制整個(gè)易冒落巖體（普氏拱拱高Hg）。Hg可根據(jù)普氏圍巖壓力計(jì)算模型計(jì)算，普氏圍巖壓力計(jì)算模型如圖1。

圖1 普氏圍巖壓力計(jì)算模型

式中：f為堅(jiān)固系數(shù)，3；φ為頂板煤層內(nèi)摩擦角，30°；B為巷寬，9.2 m；H為巷高，3.9 m。經(jīng)計(jì)算得出Hg=2.28 m。

（1）錨桿長(zhǎng)度

由于Hg=2.28 m，錨桿支護(hù)方式采用95%全錨，即錨桿桿長(zhǎng)由外露桿長(zhǎng)和錨固易冒落巖體桿長(zhǎng)共2部分組成，即：

式中：LL為錨桿桿長(zhǎng)；LL1為外露桿長(zhǎng)，取0.1 m。

經(jīng)式（2）得出LL=2.5 m。由計(jì)算結(jié)果結(jié)合切眼地質(zhì)條件可得，頂板錨桿選用Φ22 mm×2500 mm左旋無(wú)縱筋紋鋼錨桿，錨固力為50 kN。出于對(duì)生產(chǎn)安全考慮，非回采幫選用Φ22 mm×2500 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，回采幫選用Φ22 mm×2500 mm 玻璃鋼錨桿，錨固力為50 kN。

（2）錨索長(zhǎng)度

錨索索長(zhǎng)由外露索長(zhǎng)、錨固懸吊易冒落巖體索長(zhǎng)以及錨固索長(zhǎng)共3 部分組成，即：

式中：LS1為錨索外露索長(zhǎng)，取0.25 m；LS2為錨索錨固索長(zhǎng)，取4.5 m。

經(jīng)式（3）得出LS=7.03 m。由計(jì)算結(jié)果結(jié)合切眼地質(zhì)條件可得，頂板錨索選用Φ21.8 mm×7100 mm 高強(qiáng)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，預(yù)應(yīng)力為200 kN。

（3）頂板及兩幫錨桿、錨索間排距

由錨桿錨固力可得頂板錨桿間排距為700 mm×800 mm，幫部錨桿間排距為750 mm×800 mm。由錨索預(yù)應(yīng)力可得頂板錨索間排距為1400 mm×1600 mm[4]。

3.3 支護(hù)具體方案

（1）頂板支護(hù)

頂部采用錨網(wǎng)索+槽鋼+W 型鋼帶支護(hù)。具體切眼頂板支護(hù)方案見(jiàn)表1。

表1 切眼頂板支護(hù)方案

（2）幫部支護(hù)

幫部采用錨桿支護(hù)，切眼兩幫支護(hù)方案見(jiàn)表2。

表2 切眼兩幫支護(hù)方案

（3）補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

選用兩根DW25-350/110x 型單體支柱對(duì)頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，間距為1200 mm。

切眼頂板以及兩幫支護(hù)具體參數(shù)如圖2。

圖2 切眼斷面支護(hù)圖（m）

4 切眼支護(hù)效果分析

40309 切眼一次成巷14 d，二次成巷18 d。在一次成巷結(jié)束，二次成巷15 m 處布置觀測(cè)站，通過(guò)十字觀測(cè)法，對(duì)頂?shù)装寮皟蓭鸵平窟M(jìn)行監(jiān)測(cè)。第一周1 d 測(cè)1 次，隨著開(kāi)挖進(jìn)度，擾動(dòng)降低，改為第二周2～3 d 測(cè)一次，觀測(cè)總共持續(xù)28 d。切眼頂?shù)装寮皟蓭鸵平咳鐖D3。

圖3 切眼頂?shù)装寮皟蓭鸵平坑^測(cè)曲線

在1～7 d 切眼一次成巷初期圍巖變形明顯，7 d內(nèi)頂?shù)装逡平繛?8 mm，兩幫移近量為30 mm，7 d 以后逐漸穩(wěn)定；16 d 以后，由于二次成巷擾動(dòng)，切眼頂?shù)装寮彼僖平?，頂?shù)装逡平?7.5 mm，兩幫移近量48.6 mm；21 d 后切眼頂?shù)装寮皟蓭鸵平柯晕⑸蠞q，頂?shù)装逡平?8 mm，兩幫移近量50 mm。相對(duì)于切眼成巷后，高度減少2.51%，寬度減少0.54%，說(shuō)明40309 切眼支護(hù)效果良好。

5 結(jié)論

（1）分析得出應(yīng)力集中系數(shù)高、垂直應(yīng)力大和裂隙發(fā)育是影響大斷面切眼產(chǎn)生失穩(wěn)的3 個(gè)主要原因。

（2）針對(duì)大斷面切眼失穩(wěn)原因，建立“錨桿、錨索、金屬網(wǎng)、槽鋼及W 型鋼帶”聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)。

（3）頂?shù)装逡平繛?8 mm，兩幫移近量為50 mm，相對(duì)于切眼成巷后，高度減少2.51%，切眼寬度減少0.54%，支護(hù)效果良好。