试分析特大断面开切眼分次掘进支护参数优化

李玉川

摘要：在煤层开采的过程当中，针对5m～7m厚度的煤层而言，所采取的开采方案多为一次性的全高式开采工艺，这也极大程度上带动着煤矿开采作业对于特大断面开切眼技术的应用。在应用特大断面开切眼施工方案进行煤矿采掘作业的过程当中，有关锚杆支护参数的确定以及优化设计会直接对整个煤矿掘进质量与水平产生影响，此项工作是至关重要的。基于此，本文主要以特大断面开切眼分次掘进支护为研究对象，针对支护参数的优化问题展开了较为详细的分析与阐述，望能够为后续同类工程的顺利开展提供一定的参考与借鉴。

关键词：特大断面开切眼 分次掘进 支护参数 优化 分析

对于我国而言，在已探明的煤炭资源当中，有近50%比例的煤层资源均属于厚煤层。对厚煤层进行高效与合理的开发，能够使社会各行业对于煤炭资源的需求得到充分的满足。在日常工作中，多应用放顶煤开采方案进行厚煤层的开采工作，但其存在一定的局限性：首先，开采率无法得到可靠保障；其次，可能导致瓦斯含量较高的矿井、以及自燃可能性较高的煤层安全问题层出不穷。而通过对特大断面开切眼巷道的建设与应用，可以尽可能的避免以上问题。还需要注意的一点是：随着巷道面积的不断增大（特别是针对破碎程度相对较高、或者是软弱岩体分布比例较高的巷道而言），支护难度的提升使得施工前期对于分次掘进支护参数的优化有着重要的意义与价值。本文即对其做详细分析与说明。

1 工程概况

某煤矿工作面平均埋设深度在450m以上，3#煤层倾斜角角度最大值为7°，最小值为3°。工程现场实际勘察资料证实：整个工作面煤层稳定性较高，且厚度较大（平均厚度在6.6m左右）。同时，从岩土工程勘察的角度上来说，工作面直接顶的岩体结构形式为泥岩（厚度为13.0m），泥岩结构上覆细砂岩老顶（厚度为9.0m）。工作面直接底岩体结构形式同样为泥岩（厚度为4.2m）。由于整个工作面所分布煤体的分散性特征显著，因此，选取一次采全高的开采方式，对于确保整个工作面的安全性而言是至关重要的。

在一次采全高的过程当中，断面开切眼进行二次成巷掘进工作。详细来说，在一次掘进状态下，所形成的断面尺寸为5.5m×4.5m；而在二次掘进的状态下，所形成的断面尺寸为4.5m×5.5m。这也就是说，伴随着二次掘进作业成巷掘进作业的开展，最终形成的特大断面基本尺寸达到了10.0m×4.5m。

2 特大断面开切眼掘进支护参数的优化分析

考虑到该煤矿工作面的基本情况，综合对整个煤矿巷道掘进工作面断面开切眼的相关地质力学条件的考量，支护参数优化所确定的基本思路在于：引入FLAC数值模拟软件，分别确定一次掘进、以及二次掘进状态下的支护参数。同时，巷道掘进支护过程中，所采取的锚杆材质为具有高强度、以及可操作性的预应力锚杆，初始状态下的预紧力指标控制在40.0kN以上，锚杆直径控制在22.0mm以上。现结合上述实际情况，该工作面特大断面开切眼掘进支护参数的优化应当重点从以下几个方面入手：

2.1 一次掘进状态下支护参数的优化分析

一次掘进状态下，分别将顶锚杆直径、顶锚杆长度、顶锚杆间排距、帮锚杆直径、帮锚杆长度、以及帮锚杆间排距等关键性的数据作为基础，提出15种不同的锚杆支护参数设计方案。进而，通过对FLAC数值模拟软件的应用，设定具体的评定标准：①支护状态下掘进巷道变形量最小化；②支护状态下巷道围岩结构破坏程度最小化。结合上述评定标准，对锚杆支护具体参数以及布置方案进行选取。根据FLAC数值模拟结果，最终确定的锚杆支护参数方案为：顶锚杆直径22.0m，顶锚杆长度2.5m，间排距为0.85m×0.90m，帮锚杆直径为20.0mm，帮锚杆长度2.5m，间排距为1.00m×0.90m。同时，支护方案为：每2排设置3根锚索。

2.2 二次掘进状态下支护参数的优化分析

二次掘进状态下，需要以一次掘进支护参数为基础，确定合理的锚杆长度、锚杆直径等数据。与一次掘进下对支护参数的优化思路基本一致，也是在设定关键性数据的基础之上，通过FLAC进行数值模拟，所设定的评价标准同样为以下两点：①支护状态下掘进巷道变形量最小化；②支护状态下巷道围岩结构破坏程度最小化。根据数值模拟的结果，最终为二次掘进所选取的锚杆支护参数为：顶锚杆直径22.0mm，顶锚杆长度2.5m，间排距为0.75m×0.90m，每排需要设置8根锚杆。同时，帮锚杆直径为20.0mm，帮锚杆长度2.5m，间排距为0.80m×0.90m，每排需要设置6根锚杆。以上述参数为依据，所选取的锚杆支护方案为：每2排设置3根锚索。

2.3 支护效果的分析

为了评估在对一次、二次掘进支护参数优化后，特大断面开切眼分次掘进过程中巷道围岩结构的稳定性与安全性，工作人员还在巷道工作面中设置了相应的检测站点，对关键指标进行检测。首先，从表面位移的角度上来说，检测数据证实：在分次掘进巷道作业完成之后，两帮移近量、位移量监测曲线的变化趋势为：逐步提升。提升周期达到了15d。同时，顶板/底板所对应的位移速度表现为1.30mm/d，明显低于正常水平。在分次掘进巷道成型20d以后，围岩结构的变形速度基本倾向于稳定状态。两帮区域所表现出的移近量控制在60mm左右。以上数据证实了：对锚杆支护参数的优化在控制围岩结构稳定性方面的重要价值；其次，从锚杆轴力的角度上来说，监测数据证实：在分次掘进前期施工中，锚杆轴力的发展趋势为：快速提升。在分次掘进作业完成后，锚杆轴力恢复到正常平稳状态。此过程中所消耗的时间基本与巷道掘进工作面围岩结构位移稳定消耗时间吻合。同时，测定整个巷道掘进中，锚杆最高荷载作用力为200kN（此数值还不足以达到锚杆自身的屈服极限数值）。说明：锚杆能够具备良好的承载性能，对于确保分次掘进巷道整体安全性而言是至关重要的。

3 结束语

大量的工程实践研究结果证实了一个方面的问题：对于厚度较大的煤层而言，在引入一次全高采作业方案的情况下，分次掘进状态下对于锚杆支护参数设置的合理性，不单单会对工作面巷道分次掘进的质量水平产生影响，同时也决定着工作面开采作业的安全性。本文首先就某特大断面开切眼工程的基本地质情况进行了简要分析，进而详细阐述了支护参数的优化方案，以及具体的支护效果，证实了整个支护参数优化思路的可行性。希望本文有关上述相关的问题研究与分析能够引起各方工作人员的特别关注与重视。

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