松软特厚煤层大断面开切眼施工技术研究

张有喜，赵 杰，白庆升

(1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州221116;2.大同煤矿集团公司，山西大同037003)

由于开采深度和开采强度的增大，我国煤矿逐渐进入煤层赋存地质条件较为复杂的区域，同时为了提高矿井的产能和集约化程度，巷道断面和采掘机械逐步向大型化转变。由于地质条件复杂，巷道断面增大，矿压显现剧烈，给矿井的安全生产带来了极大的困难，特别是随着地压和巷道断面的增大，存在着一般锚网索支护困难的问题［1－7］。

根据松软煤层大断面留顶煤巷道的地质特点及矿压显现特征，本文结合现场实际，提出了在松软煤层大断面开切眼支护中采用联合支护技术，结合主动支护和被动支护的优点，减少了顶板的变形破坏，实现了对大断面开切眼围岩的有效控制，相比其他支护方案具有一定的优越性，解决了地质条件复杂、矿压显现严重条件下大断面巷道锚网索支护困难的问题，达到了良好的支护效果，取得了显著的技术经济效益。

1 工程地质概况

14101工作面是麻家梁煤矿的首采工作面，开切眼位于麻家梁煤矿一采区东部，665水平大巷南侧，西部为二采区，东部、南部尚未开采。埋深610m，长度249.5m，工作面开采山西组下部4号煤层，煤层厚度平均6.32m，可采系数100%。结构复杂，含0～9层夹矸，夹矸岩性以泥岩、高岭质泥岩为主，煤厚总体呈南厚，中部及北部较薄的变化。开切眼处煤层平均厚度9.0m，开切眼沿煤层底板掘进，设计掘进宽9.0m，高度3.6m，留有5.4m松软破碎的顶煤，煤层伪顶为厚0.3m左右的高岭岩，直接顶为粉砂岩、泥岩等软质岩石，自稳能力差。

根据现场实际，14101首采工作面胶带巷掘进至1870m处时，煤层开始变软，煤体裂隙发育，常常出现局部漏顶现象，煤壁压力增大，巷道片帮严重，同时14101辅助运输巷从770m处开始，煤体一直很不稳定，裂隙发育，经常出现局部漏顶现象，从14101两巷掘进过程中的煤体稳定性来看，14101工作面所处的区域地应力较大，煤层松软，需要优化支护方案和支护参数来确保大断面开切眼掘进过程中的安全实施。

2 巷道支护参数理论计算

根据煤巷支护的自然平衡拱理论，巷道围岩在上覆岩层的压力作用下，浅部发生破坏，而深部形成自然平衡拱，锚杆的作用主要是防止破坏区围岩发生垮落现象，锚杆的支护能力应由破坏岩体的重量确定，同时与巷道断面尺寸、埋藏深度、采动影响程度、岩层强度与倾角有关［8－10］，构建的自然平衡拱理论模型如图1所示。

图1 自然平衡拱理论模型

根据自然平衡拱理论计算模型来确定巷道帮部和顶部的破坏范围，巷道帮部破坏最大深度为:

式中，Kcx为巷道围岩挤压应力集中系数，4.5;γ为巷道周围底层的平均重力密度，25kN/m3;H为巷道埋深，610m;B为采动影响无因次系数，0.4;fy为煤层坚固性系数，2;h为巷道高度，3.6m;φ为煤体内摩擦角，30°。

巷道顶板岩层破坏最大深度为:

式中，a为巷道半跨距，4.5m;α为煤层倾角，5°;ky为煤层的稳定性系数，1.35。

式中，Q为锚杆的锚固力，设计为70kN;K为安全系数，2;L为锚杆的有效长度，不小于不稳定岩层的厚度，2m;γ为不稳定岩层平均重力密度，25kN/m3。

由自然平衡拱理论模型计算得出，麻家梁煤矿14101工作面开切眼巷道帮部破坏最大深度为0.8m，顶板岩层破坏最大深度为2.0m，故所选锚杆长度需大于2.0m，使锚固端位于破坏范围之外的深部围岩，同时计算得出锚杆的间排距最大为700mm。

此外，按照广义悬吊理论进行锚索加固设计，保证锚索有能力承担其承载范围内潜在冒落层的岩层重量，锚索长度为:

式中，D为锚索钢铰线锚固直径，17.5mm;Fst为锚索设计抗拉强度，1860kN/m2;Fcs为锚索与锚固剂的设计粘结强度，10kN/m2;K为安全系数，1.5;Lu为不稳定岩层顶部距稳定岩层的厚度，根据工程情况取5.4m;Lb为锚索的外露长度，一般为0.3m。

每排锚索所能够承担的冒落长度lm为:

式中，H为巷道潜在冒落岩层深度，2m;W为锚索的破断荷载，设计为260.9kN;γ为潜在冒落岩层平均重力密度，25kN/m3。

根据计算得出，每排锚索所能够承担的冒落长度为1.9m，故14101工作面开切眼的锚索排距最大取为3.8m。

3 现场施工工艺

根据现场实际地质条件和其他类似矿井大断面开切眼掘进的经验，14101工作面切眼决定采用EBZ300悬臂式硬岩掘进机分两次掘进成巷，一次掘进巷道宽度为5m，将14101胶带运输巷和14101辅助运输巷贯通，形成通风系统，再进行工作面侧巷道刷帮，宽度为4m。具体支护方案如下:

3.1 导硐巷道支护方案

导硐顶板支护为每排 7根 φ20mm、长度2400mm的高强度螺纹钢锚杆，间排距700mm，两帮支护为每排4根φ20mm、长度2400mm的玻璃钢锚杆，间排距700mm，每根采用 MSCK2360，MSK2360锚固剂各1支，锚固长度1400mm，保证锚杆锚固力70kN以上，靠近扩帮巷道侧采用塑料托盘，另一侧锚杆托盘采用W钢托盘，托盘规格500mm×280mm×3mm，钢梁采用11号矿用工字钢，长度为4800mm。

导硐顶板锚索采用φ17.8mm，长度为9000mm的高强度钢绞线锚索，锚索间排距为1850mm×2800mm，锚索托盘规格300mm×300mm×16mm。每根锚索使用1根MSCK2360和2根MSK2360锚固剂，保证锚索锚固力200kN。远离扩帮巷道一侧巷帮采用加强锚索进行支护，采用φ17.8mm，长度为11000mm的钢绞线锚索，锚索排距2000mm，与巷帮成50°角，每孔2支 MSCK2360型和1支MSK2360型树脂药卷进行锚固。

分别在距扩帮巷道侧300mm和距另一侧900mm支设 DW31.5－3500/110单体液压支柱，柱距为1200mm，导硐顶板钢筋网规格为100mm×100mm，单体液压支柱必须竖直打柱，顶部用卡口钢梁与顶板结实。卡口钢梁规格500mm×150mm×100mm用8号铁丝固定在顶板钢筋网上，巷帮靠近扩帮巷道侧采用双层塑料网，另一侧采用菱形金属网，规格为100mm×100mm。

导硐顶板支护三组合锚索组，间排距为1800mm×2800mm，锚索采用 φ17.8mm，长度为9000mm钢绞线锚索，锚索托盘规格为600mm×600mm×16mm。

3.2 刷帮巷道支护方案

顶板支护为6根φ20mm、长2400mm的高强度螺纹钢锚杆，间排距700mm，靠近工作面一侧煤帮支护为每排4根φ20mm、长2400mm的高强度螺纹钢锚杆，间排距 700mm，每根采用MSCK2360，MSK2360锚固剂各1支，锚固长度1400 mm，保证锚杆锚固力70kN以上。钢梁采用11号矿用工字钢，长度为3900mm。

扩帮巷道顶板锚索间排距为1850mm×2800mm，锚索采用φ17.8mm，长度为9000mm的高强度钢绞线锚索，每根锚索使用1根MSCK2360和2根MSK2360锚固剂，保证锚索锚固力200kN。靠近工作面一侧巷帮采用加强锚索进行支护，采用φ17.8mm，长度为 11m的钢绞线，锚索排距2000mm，与巷帮成50°角，每孔2支MSCK2360型和1支MSK2360型树脂药卷进行锚固。

分别在距工作面侧巷帮300mm和3600mm处支设DW31.5－3500/110单体液压支柱，柱距为1200mm，单体液压支柱必须竖直打柱，顶部用卡口钢梁与顶板结实。卡口钢梁规格500mm×150mm×100mm用8号铁丝固定在顶板钢筋网上，巷帮铺设双层塑料网，规格为100mm×100mm。

三组合锚索组间排距为1800mm×2800mm，锚索采用φ17.8mm，长度为9000mm钢绞线，锚索托盘规格为600mm×600mm×16mm。

在切眼中部支设1排木垛，木垛中心距为6300mm，道木规格为200mm×200mm×1500mm。

3.3 加强支护巷道支护方案

由于地质条件原因，巷道穿过破碎带较多，淋水大，顶板及帮部煤质松软等原因，巷道出现局部顶板下沉严重的情况，需要采取加强支护方式，加强支护方式为加打五组合锚索组及锚索钢梁。

钢梁采用11号矿工钢制作，长度4500mm，每根钢梁上穿3根锚索。钢梁平行于巷道排列，每排3根。

五组合锚索组排距5600mm，每排3组，锚索五花布置，组合锚索中间1根锚索规格φ22mm×13m，其余4根锚索规格φ22mm×11m，锚索盘规格600mm×600mm×16mm，每孔3支MSCK2360型和1支MSK2360型树脂药卷进行锚固。

单体液压支柱之间安装防倒装置。防倒装置用2mm厚扁铁制作，宽度50mm。

14101工作面开切眼顶板加固示意图及断面支护图如图2和图3所示。

4 现场应用效果

图2 14101工作面开切眼顶板加固

图3 14101工作面开切眼断面支护

为了掌握松软煤层大断面留顶煤开切眼的施工效果和矿压规律，在施工过程中，自开切眼开口处开始，在开切眼顶板中部每隔15m安设1台LCZ－3型顶板离层指示仪，当遇地质构造时，在构造附近安设1台，以便直观地反映顶板的变化状况，有效地维护和控制顶板，共安装17台LCZ－3型顶板离层指示仪。观测点在40d左右逐渐趋于稳定，具体观测结果如图4所示。

图4 14101工作面开切眼顶板累计下沉曲线

由图4可知，从巷道变形开始至巷道稳定，锚固范围内巷道顶板累计下沉量最大为25mm，锚固范围外，巷道顶板累计下沉量最大为3mm，从现场实际观测情况看，顶板最大下沉处，正好位于地质构造带距开口50m左右，在其他地方顶板下沉量变化不大，平均为12mm，符合规程规定的顶板最大下沉量50mm的要求。

5 结论

(1)在巷道支护过程中，锚杆发挥快速、成片的优势，提高了锚固区内的压应力值。形成一个主动支护区，同时锚索及锚索组将锚杆支护形成的预应力与深部围岩相连，充分调动深部围岩的承载能力，主动支护围岩，保持其完整性，为大断面巷道提供有力支撑，提高支护的可靠性。

(2)单体液压支柱和木垛可提供可靠的初撑力，有效控制巷道掘进初期的顶板下沉量，保证开切眼掘进支护的安全，提高了施工质量。

“锚网索—锚索组—木垛—单体液压支柱”联合支护技术在麻家梁煤矿松软煤层大断面留顶煤开切眼掘进过程中取得了良好的支护效果和社会经济效益。

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