采煤工作面大斷面切眼掘進(jìn)及支護(hù)技術(shù)研究

孟光華

（山西焦煤汾西礦業(yè)正善煤業(yè)，山西 孝義 032300）

引言

切眼是采煤工作面安裝位置以及工作面煤炭開采起點(diǎn)，切眼掘進(jìn)效率以及圍巖支護(hù)效果會(huì)直接影響開采設(shè)備安裝效率以及回采安全[1-2]?，F(xiàn)階段礦井巷道圍巖支護(hù)強(qiáng)度普遍較高，不僅增加了支護(hù)成本，而且增大了支護(hù)耗時(shí)[3-5]。出現(xiàn)巷道支護(hù)強(qiáng)度過大的主要原因有:支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)未將圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)作整體考慮；為提高支護(hù)效果，片面增加支護(hù)材料布置密度以及支護(hù)材料強(qiáng)度；錨桿、錨索等支護(hù)材料作用未能充分發(fā)揮[6-8]。合理的切眼支護(hù)方式不僅可滿足圍巖控制需要，而且可顯著提升切眼掘進(jìn)效率。為此，本文以1503 切眼掘進(jìn)為背景，依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況對(duì)掘進(jìn)以及切眼圍巖支護(hù)技術(shù)展開分析，以期為其他礦井類似情況下大斷面切眼掘進(jìn)工作提供參考。

1 1503 綜采工作面工程概況

1503 綜采工作面回采15 號(hào)煤層，煤層埋深均值390 m，采面設(shè)計(jì)推進(jìn)長度1 359 m、傾斜長度185 m。15 號(hào)煤賦存穩(wěn)定，煤厚0.85～7.02 m、均值3.1 m，煤層傾角6°，煤層裂隙及節(jié)理發(fā)育，頂?shù)装鍨樘假|(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖以及粗砂巖。在采面運(yùn)輸巷內(nèi)取樣進(jìn)行測試，并對(duì)切眼頂板巖性進(jìn)行分級(jí)，確定圍巖等級(jí)為Ⅲ類，為中等穩(wěn)定圍巖。具體現(xiàn)場測試取得的15號(hào)煤層頂板巖層力學(xué)參數(shù)見表1。1503 綜采工作面切眼從采面運(yùn)輸巷側(cè)向回風(fēng)巷側(cè)掘進(jìn)，設(shè)計(jì)凈寬7.5 m、凈高3.1 m。

表1 頂板巖體力學(xué)參數(shù)

2 切眼掘進(jìn)及支護(hù)技術(shù)

2.1 切眼掘進(jìn)

切眼掘進(jìn)工藝依據(jù)工程類比法確定，依據(jù)1501、1502 綜采工作面切眼掘進(jìn)方案以及現(xiàn)場應(yīng)用情況，1503 切眼沿15 號(hào)煤層掘進(jìn)。1503 工作面切眼斷面為矩形，凈高3.1 m、凈寬7.5 m，切眼分兩次掘進(jìn)，施工時(shí)先施工凈寬4.5 m、凈高3.1 m 導(dǎo)硐，導(dǎo)硐前10 m 施工采用風(fēng)鎬；掘進(jìn)10m后采用綜掘機(jī)（型號(hào)EBZ-160TY）沿煤層底板掘進(jìn)，并自動(dòng)完成裝載、運(yùn)輸；綜掘機(jī)每次破煤深度為1.0 m。待導(dǎo)洞施工完成后，再對(duì)導(dǎo)硐進(jìn)行刷擴(kuò)，刷擴(kuò)斷面高度3.1 m、寬度3.0 m。

2.2 切眼圍巖控制

由于1503 工作面切眼斷面大，圍巖內(nèi)應(yīng)力存在一定程度集中，因此在對(duì)圍巖進(jìn)行控制時(shí)需要強(qiáng)化支護(hù)。因此在1503 切眼圍巖控制采用錨網(wǎng)索并配合工字鋼方式進(jìn)行支護(hù)。具體切眼導(dǎo)硐施工期間通過錨網(wǎng)索方式控制圍巖，在導(dǎo)硐刷擴(kuò)時(shí)采用錨網(wǎng)索+工字鋼組合方式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，具體大斷面切眼圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)如下頁圖1 所示。

圖1 切眼圍巖支護(hù)示意圖（單位：mm）

切眼圍巖支護(hù)時(shí)錨桿材質(zhì)為BHRB500、直徑22 mm 螺紋鋼錨桿。在導(dǎo)硐施工期間，頂板布置5 根錨桿，間排距950 mm、1 000 mm；巷幫各布置3 根Φ22 mm×1 900 mm，間排距1 100 mm、1 000 mm。切眼刷擴(kuò)段頂板錨桿布置4 根，間排距800 mm、1 000 mm，巷幫3 根Φ22 mm×1 900 mm 錨桿，間排距1 100 mm、1 000 mm。錨桿均垂直頂板、巷幫施工，施加預(yù)緊力400 N·m。巷道采用W 鋼帶護(hù)表，在切眼導(dǎo)硐施工期間使用規(guī)格BHW-280-4-4100-4 型W 鋼帶護(hù)表，導(dǎo)洞刷擴(kuò)完成后采用規(guī)格BHW-280-4-2700-4 型W鋼帶護(hù)表。導(dǎo)硐、刷擴(kuò)段護(hù)表分別用4 900 m×1 200 mm、3 000 mm×1 200 mm 金屬網(wǎng)，留設(shè)網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm。

切眼支護(hù)時(shí)采用的錨索規(guī)格為Φ22 mm×7 300 mm，在導(dǎo)硐施工時(shí)錨索按照“二三”布置，2 根、3 根錨索時(shí)錨索距離巷幫間距分別為1 500 mm、750 mm，錨索間距均為1 500 mm；導(dǎo)硐刷擴(kuò)后錨索在導(dǎo)硐刷擴(kuò)范圍內(nèi)按照“二一”方式布置，布置2 根、1 根錨索時(shí)錨索與巷幫間距分別為1 500 mm、1 900 mm，錨索間距均為1 500 mm。配套用300 mm×300 mm×14 mm 高強(qiáng)度金屬托盤，預(yù)加的預(yù)緊力為300 kN。

2.3 切眼刷擴(kuò)工字鋼補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

2.3.1 超前支護(hù)

在距離刷擴(kuò)幫煤壁500 mm 范圍內(nèi)，采用長度5 000 mm、規(guī)格11 號(hào)工字鋼，以及單體支柱按照“一梁三柱”方式構(gòu)成邁步式超前棚對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)。支護(hù)采用的單體三向閥均應(yīng)朝向柱體，手把均超前同一方位。超前支護(hù)距離控制在20 m 以上，同時(shí)應(yīng)緊跟切眼刷擴(kuò)工作面進(jìn)行布置。

2.3.2 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

采用工字鋼、單體支柱構(gòu)成抬棚進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，采用的11 號(hào)工字鋼長度為5 000 mm，架設(shè)棚距為900 mm，采用“一梁三柱”布置形式。在補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)時(shí)，單體應(yīng)布置成一條直線。為滿足后續(xù)綜掘機(jī)破煤時(shí)截割頭搖擺需求，在掘進(jìn)迎頭綜掘機(jī)截割頭影響范圍內(nèi)暫時(shí)不架設(shè)工作鋼架棚；在綜掘接機(jī)身至轉(zhuǎn)載機(jī)位置段按照“一梁兩柱”方式架棚，轉(zhuǎn)載機(jī)以外位置按照“一梁三柱”方式架棚。

3 切眼圍巖控制效果分析

在1503 工作面切眼掘進(jìn)以及支護(hù)完成后，對(duì)切眼圍巖變形量進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，具體監(jiān)測結(jié)果如圖2所示。

圖2 切眼圍巖變形監(jiān)測結(jié)果

從監(jiān)測結(jié)果看出，切眼圍巖變形可分為4 個(gè)階段，其中0～35 d 為切眼導(dǎo)硐施工階段，期間圍巖變形量值變化較大，圍巖變形受導(dǎo)硐施工影響明顯；在35～50 d 內(nèi)切眼圍巖變形量較為穩(wěn)定，增加不明顯，屬于切眼導(dǎo)硐圍巖穩(wěn)定階段；在50～89 d 內(nèi)切眼開始進(jìn)行刷擴(kuò)，圍巖變形量呈快速增加趨勢；90 d 以后切眼刷及支護(hù)完成，圍巖變形趨于穩(wěn)定。

從整個(gè)切眼圍巖變形監(jiān)測結(jié)果看出，切眼頂?shù)装?、兩幫收斂量值分別穩(wěn)定到113 mm、91 mm，切眼圍巖變形量在較小范圍內(nèi)，表明大斷面切眼采用的錨網(wǎng)索、工字鋼架棚支護(hù)技術(shù)方案可滿足切眼圍巖控制需求，可為后續(xù)采面綜采設(shè)備安裝創(chuàng)造良好條件。

4 結(jié)語

隨著大功率設(shè)備應(yīng)用范圍逐漸廣泛，切眼斷面呈不斷增加趨勢，給切眼掘進(jìn)以及圍巖控制帶來新的挑戰(zhàn)。1503 工作面切眼凈寬為7.5 m、凈高3.1 m，為實(shí)現(xiàn)切眼圍巖穩(wěn)定，提出分兩次施工切眼。第一次用綜掘機(jī)施工凈寬4.5 m、凈高3.1 m 導(dǎo)硐，后刷擴(kuò)導(dǎo)硐將切眼刷擴(kuò)至設(shè)計(jì)斷面，降低切眼掘進(jìn)難度；綜合使用錨網(wǎng)索、架棚方式對(duì)大斷面切眼圍巖進(jìn)行控制?，F(xiàn)場應(yīng)用后，切眼得以安全快速掘進(jìn)，圍巖變形量較小，可滿足切眼后續(xù)使用需要。