杜兒坪礦大斷面切眼巷道支護(hù)技術(shù)研究

梁 鑫

（山西焦煤西山煤電杜兒坪煤礦，山西 太原 030000）

近年來，隨著機(jī)械化、智能化采煤技術(shù)的快速發(fā)展，綜采工作面回采設(shè)備的尺寸也顯著增大，這就導(dǎo)致需要施工更大斷面的切眼以滿足綜采設(shè)備的安裝及通風(fēng)需要[1-3]。切眼斷面越大，圍巖條件越復(fù)雜，其施工及支護(hù)難度越大[4-6]。本文以山西焦煤西山煤電杜兒坪礦73907 綜采工作面大斷面切眼施工為工程背景，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方法，探究大斷面切眼矩形巷道的支護(hù)技術(shù)。

1 工程概況

杜兒坪礦73907 綜采工作面開采3 號(hào)煤層，煤厚3.06～3.80 m，平均3.40 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含0～2 層總厚0～0.9 m 的夾矸，平均0.4 m，夾矸巖性泥巖。煤層傾角1°～10°，平均5°，屬較穩(wěn)定煤層。煤層頂板為粉砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖，煤層頂?shù)装迩闆r詳見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

73907 工作面位于南九盤區(qū)，北接南九皮帶巷，南距杜兒坪斷層370 m，東距73907 回采工作面284 m，西部為實(shí)體煤。73907工作面由73907軌道巷、73907 皮帶巷、73907 切眼組成，切眼設(shè)計(jì)長163 m，巷道埋深430 m。

2 切眼圍巖控制技術(shù)

2.1 切眼導(dǎo)硐支護(hù)設(shè)計(jì)

切眼導(dǎo)硐凈斷面為4800 mm×3300 mm，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，支護(hù)參數(shù)如下：

頂板：采用Ф22 mm×2400 mm 左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1000 mm×1000 mm，150 mm×150 mm×10 mm 球型鋼板托盤，施加預(yù)緊力不小于160 kN。頂錨索采用Ф17.8 mm×6300 mm 預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距為2000 mm×1500 mm，250 mm×250 mm×16 mm 碟型鋼板托盤，施加預(yù)緊力不小于300 kN。頂板錨桿配合使用規(guī)格為4300 mm×220 mm×3 mm 的W鋼帶及規(guī)格為900 mm×3000 mm的菱形金屬網(wǎng)。

巷幫：西幫錨桿采用Ф18 mm×1700 mm 左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1000 mm×1100 mm， 110 mm×110 mm×10 mm 碟型托盤，施加預(yù)緊力不小于140 kN，使用450 mm×220 mm×3 mm W護(hù)板及900 mm×3000 mm 菱形金屬網(wǎng)；東幫采用Ф18 mm×1700 mm 左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1200 mm×1500 mm，110 mm×110 mm×10 mm 碟型托盤，施加預(yù)緊力不小于140 kN，使用450 mm×220 mm×3 mmW護(hù)板及900 mm×3000 mm菱形金屬網(wǎng)。

2.2 切眼導(dǎo)硐二次擴(kuò)刷及支護(hù)設(shè)計(jì)

切眼導(dǎo)硐擴(kuò)刷后凈斷面8500 mm×3300 mm，“錨網(wǎng)索+木垛”聯(lián)合支護(hù)，支護(hù)參數(shù)如下：

待切眼導(dǎo)硐施工完畢后，沿其東側(cè)巷幫向東擴(kuò)刷3700 mm 以達(dá)到切眼設(shè)計(jì)斷面尺寸。在切眼導(dǎo)硐擴(kuò)刷期間，切眼導(dǎo)硐擴(kuò)刷范圍頂板支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)與切眼導(dǎo)硐相同，擴(kuò)刷后的切眼東幫與切眼導(dǎo)硐東幫支護(hù)方式及參數(shù)一致，切眼頂板支護(hù)與切眼導(dǎo)硐頂板支護(hù)方式及參數(shù)一致。

巷道頂板增加錨索組壓網(wǎng)支護(hù)，采用3 花布置，距西幫側(cè)2.0 m 布置1 排，距西幫側(cè)3.8 m 布置1 排，距西幫側(cè)6.5 m 布置1 排。錨索組間距4.0 m，錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×8300 mm 低松弛鋼絞線，鋼板托盤規(guī)格為600 mm×600 mm×16 mm。擴(kuò)幫后，在切眼支設(shè)一排距巷道東側(cè)2300 mm、間距15 000 mm 的木垛。擴(kuò)刷完成后的切眼支護(hù)斷面如圖1。

圖1 擴(kuò)刷后的切眼支護(hù)斷面（mm）

2.3 大斷面切眼支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算

鑒于73907 工作面切眼斷面較大，為確保圍巖變形控制效果，對73907 工作面切眼支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。當(dāng)73907 工作面切眼由切眼導(dǎo)硐擴(kuò)刷至設(shè)計(jì)切眼斷面尺寸后，可采用公式（1）計(jì)算最大冒落高度下切眼頂板覆巖質(zhì)量G：

式中：D為切眼設(shè)計(jì)斷面寬度，取8.5 m；h為切眼頂板巖層最大冒落帶高度，結(jié)合3 號(hào)煤層頂板覆巖情況，取3.2 m；γ為切眼頂板巖層平均容重，取23 kN/m3。將數(shù)據(jù)帶入式（1）計(jì)算得到73907 工作面切眼在擴(kuò)刷至設(shè)計(jì)斷面尺寸后，G=625.6 kN/m。

為確保所采用支護(hù)方案對73907 工作面切眼頂板圍巖的支護(hù)效果，在進(jìn)行支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)不考慮錨桿及其他支護(hù)措施，只考慮錨索對切眼頂板的支護(hù)效果?？赏ㄟ^公式（2）計(jì)算單位長度頂板錨索作用到切眼頂板的支護(hù)強(qiáng)度P：

式中：N為切眼頂板每排錨索數(shù)量，取5；P1為錨索錨固力，取360 kN；η為錨索錨固效率，取0.8；d為切眼頂板錨索排距，取1.5 m。將數(shù)據(jù)帶入式（2）計(jì)算可得P=960 kN/m ＞G=625.6 kN/m。

綜上所述，當(dāng)73907 工作面切眼按照設(shè)計(jì)斷面尺寸施工完畢后，在不考慮頂板錨桿及其他支護(hù)措施，僅考慮錨索支護(hù)效果，即切眼頂板支護(hù)全部由錨索承擔(dān)的情況下，錨索支護(hù)安全系數(shù)為P/G=960/625.6=1.5。

2.4 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬過程中，切眼巷道一次開挖4.8 m×3.3 m、二次擴(kuò)幫3.7 m×3.3 m，三維模型尺寸為85 m×33 m×750 m。計(jì)算過程中錨桿索的模型長度取值為原來的10倍，模型的上面設(shè)置為自由面，中部四面設(shè)立約束法向自由度，底面設(shè)置為約束自由度。巖層自重產(chǎn)生的應(yīng)力可以在模型的頂部施加10 MPa 的垂直壓應(yīng)力。巷道圍巖位移如圖2。

圖2 巷道圍巖位移云圖

由圖2 可以看出，切眼巷道擴(kuò)刷且支護(hù)完成后，巷道頂板的最大下沉量為10.5 mm，底板最大隆起量為10.7 mm，巷道兩幫最大移近量為2.9 mm。這是由于切眼巷道的4.8 m 位置沿頂板的軸線方向支設(shè)一排距巷道東側(cè)2300 mm、間距15000 mm 的臨時(shí)木垛，支撐巷道頂板，同時(shí)增加錨索組壓網(wǎng)支護(hù)技術(shù)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，有效控制了頂板圍巖的變形。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

采用兩點(diǎn)位移計(jì)以及多點(diǎn)位移計(jì)測量巷道頂板離層量，分別在切眼40 m、70 m、110 m、160 m位置處布設(shè)1#、2#、3#、4#測站，位移計(jì)的深度分別設(shè)計(jì)為2.5 m、8.5 m。頂板離層變化曲線如圖3。

圖3 不同測站巷道圍巖表面位移情況

由圖3 可以看出，頂板離層量與時(shí)間存在著密切關(guān)系，離層量變化具有階梯性。

在巷道開始掘進(jìn)時(shí)，錨桿可以發(fā)揮其支護(hù)作用，直接頂產(chǎn)生較小的離層；隨掘進(jìn)時(shí)間的發(fā)展，頂板淺部離層量開始增大，淺部離層量最大值為6.3 cm，深部離層量最大值為3.1 cm，巷道頂板整體較穩(wěn)定。

4 結(jié)語

1）為有效控制大斷面切眼巷道圍巖變形，提出采用“錨網(wǎng)索+木垛”聯(lián)合支護(hù)方式控制巷道圍巖變形，并通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了該支護(hù)方案的有效性。

2）現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明：73907 工作面切眼在掘進(jìn)期間，頂板淺部離層量最大值為6.3 cm，深部離層量最大值為3.1 cm，巷道頂板整體較為穩(wěn)定，聯(lián)合支護(hù)方案抑制了巷道圍巖變形，滿足設(shè)計(jì)要求。