大采高特大断面开切眼一次成巷技术

武立文

(山西汾西矿业集团河东煤矿，山西灵石031300)

河东煤矿39(10)08综采工作面是汾西矿业集团首个大采高双层煤联合开采工作面，联合开采石炭系太原组9号、10号煤层。9号煤平均采高1.1m，10号煤平均采高4.0m，其间含1.3m厚页岩夹矸层，经论证采用大采高联合开采工艺，一次性将9号和10号两层煤全部回收，以提高煤炭采出率，增加矿井产量和经济效益。

为满足综采设备的顺利安装，39(10)08大采高工作面切眼断面设计尺寸:毛宽9.2m，毛高4.1m，掘进断面37.72m2。为此，结合矿上实际条件，如何运用EBZ220(G)型综掘机快速、安全地将切眼贯通，成为顺利实施大采高联合开采工艺的关键。河东矿根据多年来切眼掘进和支护的经验，采用天地科技股份有限公司开采设计事业部提供的技术参数，运用两次交替掘进、一次成巷的施工工艺，安全、高效地完成了切眼掘进支护工程。

1 工作面地质条件

39(10)08大采高工作面煤层呈层状结构，硬度大，中等强度，断口不平整，性脆，两层煤加夹层总厚度6.4m，倾角为3～6°。9号和10号煤层间夹层为1.3m厚的深灰色页岩;9号煤之上是平均厚度6.5m的K2灰岩，致密坚硬，强度高;10号煤底板是0.4m厚的炭质页岩，之下为1.51m的灰色中砂岩。围岩综合柱状见图1。

2 联合支护设计

研究确定，采用高强度树脂锚杆，配合锚索、W钢带和槽钢的联合支护方案。

图1 围岩综合柱状

2.1 顶板支护

顶板支护按大、小断面分别设计。采用杆体为20号左旋无纵筋螺纹锚杆，长度2.2m;采用1支规格为MSK2355和1支规格为MSCK2355树脂药卷加长锚固，钻孔直径为28mm。采用W钢带护顶，钢带规格为厚度3mm，宽280mm，长度分别为5300mm和3200mm。采用菱形金属网护顶，网孔规格50mm×50mm，网片规格分别为6000mm×1000mm和3600mm×1000mm。锚杆托盘规格为130mm×130mm×10mm钢板。锚杆全部垂直顶板打设，排距900mm，每排10根锚杆，间距1000mm。采用风动扳手预紧，初始预紧力矩≥300N·m。

锚索材料为φ17.8mm，1×7股高强度低松弛预应力钢绞线，长度5300mm，钻孔直径28mm，采用1支MSCK2555和2支MSK2355树脂药卷锚固剂，锚索托板300mm×300mm×16mm，配14号槽钢，长2200mm。布置方式为:每2排(1800mm)打5根锚索，两边2根锚索间距为1800mm，中间3根间距为1500mm，垂直顶板岩层安装，详细支护设计断面平剖面如图2所示。锚索必须采用专用的锚索张拉机具预紧，预紧力≥200kN。

图2 开切眼支护设计断面平剖面

2.2 采空区帮支护

锚杆形式和规格与顶板支护相同，锚固时采用1支锚固剂，规格为MSK2355，钻孔直径为28mm。W钢护板规格相同，长度为400mm。采用菱形金属网护帮，网孔规格50mm×50mm，网片规格为3600mm×1000mm。锚杆排距900mm，每排4根锚杆，间距1000mm，均垂直巷帮打设。采用风动扳手预紧，初始预紧力矩≥300N·m。

2.3 工作面帮支护

工作面帮采用杆体为20号的玻璃钢锚杆支护，长度2.0m。W钢护板规格相同，长度为400mm。采用网孔规格30mm×30mm，网片规格3600mm×1000mm的塑料网护帮。锚固方式为树脂加长锚固，采用 2支锚固剂，规格分别为 MSK2355，MSCK2355，钻孔直径为28mm。锚杆排距900mm，每排4根，间距1000mm，均垂直巷帮打设。

2.4 顶板加强支护

顶板加强支护采用以锚索配合14号槽钢支护为主，锚索形式、规格、锚固方式和上述安装方式一样，14号槽钢长2200mm，距离两端200mm处开40mm×40mm孔。具体布置方式为:加强支护的锚索与原设计锚索交替安装，每2排(1800mm)打2根锚索，间距1800mm，垂直顶板岩层锁紧槽钢。锚索预紧力≥200kN。

如果发现开切眼顶板有显著变形的情况，需要另外采用单体液压支柱配合π梁加强支护，单体液压支护型号为DW45－200/110XL，在开切眼中线位置距离左右900mm各架设1根单体支柱，间距为1800mm，排距为1000mm。单体液压支护必须穿鞋戴帽，架设后必须提供足够的支撑阻力。

3 施工工艺

3.1 施工工艺的确定

因39(10)08综采工作面切眼断面较大，现有的EBZ220(G)型综掘机无法一次成型。由于加强支护的槽钢处于切眼巷中，考虑到加强支护的及时性和可操作程度，又结合EBZ220(G)型综掘机最大定位截割高度为4.5m，定位截割宽度为5.6m，综合分析后决定把全断面分成5.7m的大断面和3.5m的小断面，分别掘进。

掘进断面尺寸确定后，工艺流程的确定又成为一个难点。考虑2种方案:方案1，先把大断面贯通，再掘小断面，两次成巷;方案2，大小断面交替掘进，一次成巷。

采用方案1，即二次成巷工艺，首先掘进切眼断面较大部分，待整个280m长度掘进完成后，然后再掘进切眼断面较小部分，围岩受到二次扰动。

采用方案2，即一次成巷工艺，切眼较大断面掘进支护完成后，随即掘进断面较小部分，减小甚至避免了二次掘进引起的应力重叠分布影响。

尽管一次成巷开采空间较大，但及时支护可避免围岩受到二次开挖扰动的破坏，更有利于大断面开切眼稳定;虽然二次成巷开采空间相对较小，但两次成巷时间太长，大断面围岩稳定后，受到二次开挖围岩应力重新分布的影响，整个切眼围岩稳定时间更长，支护体受力更加复杂，不利于开切眼的整体稳定，且二次掘进工艺繁琐，时间跨度太长，不利于快速施工。

综合考虑掘进过程中安全、用时、用料等因素，本着安全、经济、快速掘进的目的，最终决定用两次交替掘进、一次成巷的施工工艺。

为加快掘进速度，实现掘锚平行作业，临时支护采用ZLJ－2.5机载超前支护进行护顶，锚杆紧固使用QL－750气动扳手，工作面掘进时采用二次成巷的掘进方法，第一次先掘上部2.6m高，待初期支护完毕后，再将掘进机退出工作面扫底，或每次接班后先将上班底扫够宽度、高度。

施工工序为:交接班—工作面扫底出货、备料、补打滞后顶、帮锚杆 (后期支护)—割煤、补打滞后顶、帮锚杆 (后期支护)—临时支护—永久支护 (前期支护)、补打滞后顶、帮锚杆 (后期支护)、清理—下循环。

施工顶锚杆时，初期支护将两侧各2根锚杆及时施工，中间2根锚杆由CMM2－15煤矿用液压钻车滞后施工。

施工帮锚杆时，初期支护两帮上部2根锚杆及时施工，下部2根锚杆采用MQTB65支腿气动式帮锚杆钻机滞后施工。

施工锚索时，初期先布置落山侧锚索，风筒侧(及巷中)锚索由CMM2－15煤矿用液压钻车滞后施工。

3.2 工艺流程

切眼开口时，采用大小断面交替炮掘配合人工攉煤出货，循环进度为一炮一循环，随后永久支护，其中切眼开口位置两帮及顶板第1排锚杆距正巷不得大于400mm;当进尺达到具备安装耙斗机的距离时，采用炮掘配合耙斗出货;当累计进尺满足综掘机工作所需的距离时，采用综掘机掘进配合耙斗出货。由于综掘机机载临时支护最大控顶距为2.0m，最小控顶距为0.2m，为充分利用设备的工作性能，避免一刀一交替造成的工时浪费，并结合通风的需求，综合分析后决定先掘5.7m的大断面1.8m(2刀)，永久支护完毕后，再连续掘进这样的2个循环，累计进尺5.4m，然后将综掘机退回原掘进位置，变向后掘3.5m的小断面5.4m，与大断面平行后再变向掘进大断面，如此交替掘进，这样既避免了因通风不畅形成盲巷，也简化了工序，节约了时间;当累计进尺达30m时，铺设胶带并安装综掘机二运，采用胶带出货。

3.2 安全技术措施

切眼开口前，在开口位置前后各10m范围必须加大支护密度，用长5.3m，直径21.6mm的1×7股高强度低松弛预应力钢绞线锚索代替原来的长4.3m，直径17.8mm的1×7股高强度低松弛预应力钢绞线锚索，且间排距由原来的隔1排2根改为每排3根，巷道中线上布置1根，其余2根布置在距巷道中线两侧各1.5m处;对开口位置前后10m范围内的支护进行检查，发现有失效锚杆时，及时进行补打。

掘进切眼大断面时，必须及时施工加强支护，即锚索悬吊2.2m的14号槽钢，严禁滞后安装;综掘机截割切眼小断面时，大断面侧严禁有工作人员，施工过程中必须严格执行“敲帮问顶”制度;两帮底部第4根滞后帮锚杆必须及时进行补打，滞后距离距迎头距离不得超过20m;当顶板破碎严重时，需对工作面顶板注射马丽散进行超前粘结加固支护。

4 矿压观测

通过测试锚杆 (索)受力，可比较全面地了解锚杆支护的工作状态，进而验证或修改锚杆支护初始设计，并保证巷道的安全状态。

4.1 观察方案

为了进一步探究切眼交替掘进时9.2m宽大跨度断面上受掘进影响锚杆受力状况，在切眼开口后50m的位置，每根锚杆 (索)上安装1个压力传感器，如图3所示。实时监测随切眼掘进时锚杆(索)受力的变化情况，及时调整锚杆 (索)支护技术参数。

图3 全断面测站测点分布

图4 锚杆轴力变化曲线

4.2 观测结果

从图4中可以看出，随着掘进工作面不断远离测站，锚杆轴力不断增大，但增加幅度很小，基本保持初始设置水平。在0～10d范围内，锚杆受力波动比较大，10d以后，锚杆受力基本趋于稳定。图4也显示，虽然锚杆初始预应力的设置水平不等，但切眼掘进稳定后，锚杆轴力增加的幅度很小，表明锚杆安装初期，给锚杆施加较高的预应力既能发挥锚杆主动高强支护作用，同时又能保证巷道安全。

从图5可以观察到，随着切眼掘进逐渐远离测站，锚索受力逐步趋于稳定。切眼掘进10d内，锚索受力呈增大的趋势，10d后基本趋于稳定状态。图5也显示，尽管锚索初始张拉值大小不等，但切眼稳定后锚索受力增加的幅度并不大，表明锚索初始预紧力设置达到一定水平后，围岩活动对其没有明显影响，锚索初始预紧力设置达到合理值，可有效控制围岩变形。

图5 锚索轴力变化曲线

锚杆 (索)受力监测表明，切眼施工过程中，锚杆 (索)预应力设置水平不统一，有高有低，不能充分发挥锚杆 (索)支护的整体作用。根据监测结果，及时调整了锚杆 (索)的预应力设置值，确保了切眼的安全稳定，锚杆 (索)支护控制了围岩变形，实现了大采高工作面设备顺利安装，目前正在回采。

5 技术经济效果分析

与二次成巷相比，两次交替掘进、一次成巷不仅快速、安全地实现了切眼贯通，而且无论在材料的消耗上还是工时的利用上都大大节约了成本，降低了工人的劳动强度。

(1)从工时利用上，两次交替掘进、一次成巷比两次掘进成巷的方案节省了1/3时间。

(2)从材料使用上，与两次成巷相比，节约了1个帮的支护材料。

(3)从安全角度考虑，与两次成巷相比，不仅避免了切眼顶板受二次掘进的影响，而且减少了1/3的空顶时间。

6 结论

(1)运用EBZ220(G)型综掘机掘进，应用锚网索、W钢带和槽钢的联合支护设计及两次交替掘进、一次成巷的施工工艺，成功地解决了9.2m宽特大断面大采高综采工作面切眼支护困难、掘进效率低的问题。

(2)与二次成巷相比，两次交替掘进、一次成巷不仅快速、安全地将切眼顺利贯通，而且节约了材料，减少了工时，降低了工人的劳动强度。

(3)特大断面切眼两次交替掘进、一次成巷的施工工艺探索出特大断面切眼施工工艺上的新路，为大采高采煤工艺的发展提供了良好的支撑。

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