不規(guī)則大斷面切眼主被動支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用

丁希陽 周慶亮 榮維濤

（1.汶上義橋煤礦有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)寧 272500；2.濟(jì)寧能源發(fā)展集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)寧 272000）

隨著回采工作面綜合機(jī)械化程度的提升，特別是近年來智能化工作面的普及，為滿足支架安裝空間和單軌吊機(jī)車運輸需求，采煤工作面切眼的跨度顯著增加，切眼斷面也愈加不規(guī)則，對支護(hù)技術(shù)和支護(hù)質(zhì)量的要求也越來越高。

1 概況

3 煤層厚度約3.8～5 m，平均4.2 m，傾角15°，地層為一單斜構(gòu)造。3307 工作面切眼掘進(jìn)過程中揭露斷層SF18，落差約4.0 m。直接底為深灰色薄層狀粉砂巖，厚1.5～3.8 m，堅固性系數(shù)4～6；直接頂為具斜交裂隙砂質(zhì)泥巖，厚0.5～1.5 m，堅固性系數(shù)3～5；基本頂為灰色細(xì)砂巖，厚5.5～9.8 m，堅固性系數(shù)5～7。

3307 工作面切眼按210.040°方位角沿煤層底板施工，切眼長度195 m，埋深-460～ -469 m。切眼為不規(guī)則矩形斷面，左半部為安裝支架斷面，高2.5 m、寬4.4 m；右半部為通行單軌吊機(jī)車斷面，高3.7 m、寬4.2 m。施工切眼時需先施工右邊斷面再擴(kuò)寬施工左邊斷面，切眼總跨度8.6 m，荒斷面26.54 m2。

切眼所掘煤層弱沖擊傾向性，切眼巷道頂板有強(qiáng)沖擊傾向性，切眼巷道底板無沖擊傾向性。經(jīng)評價3307 工作面切眼掘進(jìn)期間具有中等沖擊危險性。

2 切眼支護(hù)方案

2.1 支護(hù)設(shè)計

按照工程類比法和理論驗算相結(jié)合的方式進(jìn)行支護(hù)設(shè)計，結(jié)合地質(zhì)條件和沖擊地壓相關(guān)要求確定采取錨網(wǎng)索+W 鋼護(hù)板+T 型鋼帶+單體液壓支柱的聯(lián)合支護(hù)方式。錨桿選取MSGLW-500/Ф22 mm×2400 mm 無縱肋螺紋鋼錨桿，錨索選取Φ21.8 mm×4500 mm 的1860 級高預(yù)應(yīng)力錨索，T型鋼帶采用GD Ⅱ140/20 型材質(zhì)HRB335 鋼帶裁截加工制作，W 鋼護(hù)板采用Q235 鋼材冷軋制成規(guī)格為5 mm×280 mm×450 mm。

2.2 支護(hù)參數(shù)

（1）錨桿間排距900 mm×900 mm，錨索間排距1700 mm×1800 mm，切眼頂部及兩幫鋪設(shè)1000 mm×2000 mm 的金屬軋花平網(wǎng)。

（2）每根錨桿安裝一個單啟動讓壓環(huán)，順序為托盤、平墊、讓壓環(huán)、平墊、減摩墊圈和螺母。錨桿配合W 鋼護(hù)板形成護(hù)表構(gòu)件，頂幫W 形鋼護(hù)板短邊均平行于巷道中心線布置，增大錨桿護(hù)表面積和強(qiáng)度，如圖1。

圖1 3307 不規(guī)則工作面切眼錨桿支護(hù)示意圖（mm）

（3）頂部采用錨索+T 型鋼帶加強(qiáng)支護(hù)，每根錨索均安裝1個雙啟動讓壓環(huán)，順序為托盤、壓力碗、平墊、讓壓環(huán)、平墊、鎖具。錨索托盤長邊方向沿鋼帶方向，錨索與錨桿錯排布置，錨索滯后迎頭不大于3 m。

（4）右側(cè)斷面施工完成后，在左側(cè)斷面施工期間采用單體支柱配合鉸接頂梁進(jìn)行被動補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，滯后左側(cè)掘進(jìn)迎頭不大于6 m。單體液壓支柱型號為DWX35/45，支柱排距1000 mm，每排3 棵，鉸接頂梁垂直巷道中心線橫向安設(shè)，柱帽應(yīng)卡在鉸接頂梁中心位置，如圖2。

圖2 3307 工作面切眼錨索+單體支護(hù)示意圖（mm）

2.3 支護(hù)質(zhì)量

（1）支護(hù)錨桿的抗拔力不小于100 kN，預(yù)緊力矩為200 N·m。

（2）錨桿間、排距偏差-100～100 mm，錨桿端頭露出錨桿帽10～50 mm，掛設(shè)前探梁吊環(huán)的錨桿外露長度不小于30 mm。

（3）兩幫最下端錨桿至底板的間距大于700 mm 時必須補(bǔ)打錨桿，金屬網(wǎng)鋪至巷道底板。巖性松軟或局部片幫冒頂造成的錨桿外露過長的應(yīng)當(dāng)補(bǔ)打。

（4）矩形巷道頂部錨桿距幫壁不大于300 mm，幫部錨桿距頂板不大于300 mm。錨桿選孔點超過規(guī)定距離時應(yīng)當(dāng)及時補(bǔ)打錨桿。

（5）鋼帶、鋼護(hù)板、護(hù)網(wǎng)與巷道表面貼緊長度不低于70%，因頂板坑洼不平無法貼緊時，可以加墊金屬墊板等剛性較大的材料接頂。

（6）支柱初撐力不低于90 kN，檢測儀器讀數(shù)不低于11.4 MPa，支柱需要支到實底，6°～8°迎1°，支柱應(yīng)當(dāng)迎山有力，垂直頂?shù)装?，向上迎?/p>

3 支護(hù)理論驗算

3.1 錨桿間排距

錨桿間距、排距相等時形成穩(wěn)定承載體，是以錨桿間排距：

a=（Q/KHr）1/2

式中：Q為錨桿設(shè)計錨固力，100 kN/根；H為冒落拱高度；r為被懸吊圍巖的容重，取25 kN/m3；K為安全系數(shù)，取K=2。其中，H=B/（2f）。B為切眼開掘?qū)挾?，取每次施工最大寬?.4 m（考慮到擴(kuò)寬期間采用單體加強(qiáng)支護(hù)，開掘?qū)挾劝辞醒垡淮巫畲箝_掘?qū)挾扔嬎悖籪為頂板圍巖堅固性系數(shù)，取3，則H=B/（2f）≤4.4/（2×3）=0.733。

則a=[100/（2×0.733×25）]1/2=1.65 m， 故 而錨桿間排距900 mm×900 mm 符合護(hù)表設(shè)計要求。

3.2 錨桿長度計算

按懸吊理論計算錨桿長度：L=L1+L2+L3

式中：L1為錨桿有效長度，一般取值不小于不穩(wěn)定巖層的厚度，根據(jù)柱狀圖判定不穩(wěn)定巖層厚度最大為1.8 m，f≥3 時按經(jīng)驗公式，L1=KH=2×0.733=1.47， 兩 者 取 其 大 值 計 算；L2為錨桿錨入深部穩(wěn)固巖層的深度，取0.5 m；L3為錨桿在巷道中的外露長度，取0.15 m。則L≤2×0.733+0.5+0.15=2.12 m。

上述計算錨桿長度2400 mm 符合圍巖控制要求。

3.3 錨索支護(hù)驗算

（1）錨索長度的選擇：L=La+Lb+Lc+Ld

式中：L為錨索的全長；La為錨索深入到穩(wěn)定巖層的錨固長度，一般設(shè)計取值不小于1.5 m，驗算時取該值≥1.7 m；Lb為需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，依據(jù)柱狀圖判斷不穩(wěn)定巖層厚度為1.8 m，則取值2 m；Lc為托盤、讓壓環(huán)和錨具的疊加厚度，取0.3 m；Ld為外露的最大容許張拉長度，取0.25 m。則L≥1.70+2.0+0.3+0.25=4.25 m，故取錨索長度為4.5 m 滿足設(shè)計要求。

（2）確定錨索個數(shù)：N=K×W/P斷

式中：N為錨索具體數(shù)量；K為安全系數(shù)，取2；P斷為錨索的最小破斷力，取583 kN；W為被吊煤巖的自重。

W=B×∑h×∑r×D

式中：B為巷道開掘?qū)挾?，取最大跨?.6 m進(jìn)行計算；∑h為懸吊圍巖的厚度，取2 m；∑r為懸吊圍巖的平均容重，取25 kN/m3；D為錨索排距，取2.7 m。則W=8.6×2×25×2.7=1161 kN。

N=2×1161/583 ≈4 根。

綜上，切眼大斷面頂板選取6 根錨索，符合設(shè)計要求。

（3）根據(jù)懸吊理論校核錨索支護(hù)和最優(yōu)排距：錨索支護(hù)的原理是將錨桿加固的“組合梁”整體懸吊在上部穩(wěn)定巖層中，從而使深部和淺表通過錨索形成一個整體。而在進(jìn)行校核錨索最優(yōu)排距時，其冒落方式需要按最嚴(yán)重的冒落高度大于錨桿長度的整體冒落進(jìn)行考慮。此時，巷道兩幫頂部的角錨桿和錨索在深部形成扇形應(yīng)力區(qū)，從而一起發(fā)揮懸吊作用，在忽略巖體粘結(jié)力和內(nèi)摩擦力的作用下，取垂直方向力的平衡，則按以下公式進(jìn)行校核：

L=n·F2/[B·H·r-2F1sinθ/L1]

式中：L為錨索最優(yōu)排距；B為切眼最大冒落寬度，取巷道總跨度8.6 m；H為巷道冒落高度，取2.4 m；r為煤巖平均容重，取25 kN/m3；L1為錨桿排距，取0.9 m；F1為錨桿錨固力，取100 kN；F2為錨索最大承載力，取583 kN；θ為錨桿與巷道頂板的夾角，不小于75°；n為錨 索 排 數(shù)， 取1。 則L=1×583/[8.6×2.4×25-2×100×sin75°/0.9]=1.93 m，故取錨索間距1700 mm、排距1800 mm 滿足控制圍巖的要求。

4 應(yīng)用效果分析

切眼右側(cè)斷面施工完成后，再開掘左側(cè)斷面，開掘施工期間安設(shè)DLJ-2H 型雙基點頂板離層儀進(jìn)行頂板離層監(jiān)測，每掘進(jìn)不大于40 m 安設(shè)一組，切眼掘進(jìn)期間共安設(shè)6 組。考慮到開門口跨度大，只分析切眼內(nèi)的4 組頂板離層數(shù)據(jù)。

（1）右側(cè)斷面施工期間未出現(xiàn)明顯離層和墜網(wǎng)，開掘左側(cè)斷面期間頂板開始出現(xiàn)淺表離層現(xiàn)象，但未出現(xiàn)大面積頂板下沉和錨桿兜網(wǎng)現(xiàn)象。

（2）切眼開掘后第2 天開始頂板出現(xiàn)明顯離層現(xiàn)象，在第5 天時離層速度達(dá)到最大約7 mm/d，在第19 天時離層增速漸緩，第33 天時頂板離層趨于穩(wěn)定。

（3）切眼開掘一個月后圍巖處于穩(wěn)定控制狀態(tài)，開掘40 d 后頂板離層量不再繼續(xù)增加，最大頂板離層量41～46 mm 不超過50 mm，能夠滿足切眼形變量的要求。切眼頂板移近量數(shù)據(jù)分析圖如圖3。

圖3 3307 工作面切眼頂板移近量數(shù)據(jù)分析圖

5 結(jié)論

（1）對比已施工的相鄰工作面切眼，相較于傳統(tǒng)支護(hù)形式，不規(guī)則大斷面切眼采用主被動相結(jié)合的支護(hù)方式后，頂板離層趨于穩(wěn)定時間提前了20 d，最大離層量減少約150 mm，未發(fā)生錨桿擼絲、爛網(wǎng)現(xiàn)象，充分說明該支護(hù)方案切實有效。

（2）切眼開掘后累計頂板變形量不超過50 mm，符合無腰線巷道凈高誤差-50～200 mm 的施工標(biāo)準(zhǔn)，避免了傳統(tǒng)情況下后期為安裝支架需再次起底，相較于傳統(tǒng)支護(hù)方案減少了切眼工程量和巷道維護(hù)工作量，有效提高了施工效率，降低了職工勞動強(qiáng)度，經(jīng)濟(jì)效益顯著，為沖擊地壓不規(guī)則大斷面支護(hù)應(yīng)用積累了寶貴的實踐經(jīng)驗。