龙宫矿综采工作面大断面综采切眼支护技术

刘培东

（1.太原理工大学 矿业工程学院，太原 030024；2.华融龙宫煤业有限公司，山西 忻州 034114）

华融龙宫矿煤巷全锚支护技术在顺槽巷道和开拓准备巷道已得到些推广，但在综采面大切眼的全锚支护技术尚属首次。以往的综采大切眼均用棚式支护施工，或者先按一个较小断面掘进，等到整个工作面形成系统后；再刷大的方式施工。针对逐步采用综采切眼大断面锚杆支护技术，保证工作面如期投入回采，开展本文课题研究。

1 综采切眼锚杆支护的设计方法

1）龙宫矿首次采用综采面大切眼全锚支护技术，为了慎重，参阅了国内矿井成功案例，经过与各矿的工作面位置、地质岩层、围岩结构、围岩强度、工作面参数的比对分析，综合大切眼施工的经验教训，尤其是三岔口局部大断面锚杆锚索的维护经验值，为初始设计提供了可靠的经验参数。

2）针对22103工作面围岩复杂的特点，在现场调查基础上，根据围岩参数与已有实测数据，运用经验法与悬吊理论相结合的方法，确定出较合理的初始参数[1]。首先根据本矿多年积累的数据，由顶板冒落高度、锚杆锚入稳定岩层的深度、及其外露长度确定锚杆参数。然后再以锚杆设计锚固力、锚杆有效长度、悬吊砂岩的重力密度、岩层倾角，确定其间排距。因为锚索机理与锚杆相似，其设计参数参照锚杆算法确定。

3）将初始设计施于井下后，再以围岩结构、围岩位移、围岩强度、锚固性能监测数据等反馈的监测信息为基础，验证和修正初始设计。在正常施工后，为保巷道安全继续日常的井下动态信息监测，并对突发情况及时做出相应的设计修改。

2 龙宫矿22103综采面切眼的锚杆支护实例

1）工作面的顺槽地质情况。22103回采工作面位于太原组上部，山西组底部的K2砂岩之下，赋煤区内总体南部厚，北部薄，有较稳定的3～5.4 m的可采煤层，平均煤厚4.3 m。直接顶为厚1～5.4 m的砂质泥岩，平均厚度3.2 m。老顶为与其平均距离8.12 m的K2砂岩。局部地段的直接顶上3.5 m处有一层1 m左右泥岩。直接顶抗压强度16.0～18.8 MPa、平均17.2 MPa，属于不稳定顶板。老顶抗压强度33.0～36.8 MPa，平均34.0 MPa，属于中等稳定顶板。底板为砂质泥岩。矿区的地层岩石多为泥岩、泥质页岩、砂岩，层理与节理较发育，是以小型断层为主要构造的典型软岩矿区。

2）巷道支护情况。采用左旋等强螺纹钢端头锚固锚杆支护系统，并在此基础上增加单体液压支柱和锚索补强[2]。①顶板永久支护的形式及参数：顶锚杆采用φ18 mm×3 000 mm的等强左旋螺纹钢锚杆，间排距800 mm×700 mm，每根顶锚杆均用一块MSK23/60树脂锚固剂，矩形布置。锚索采用φ15.24 mm×9 000 mm的左旋钢绞线锚索，间排距2 100 mm×2 000 mm，每根锚索均用 1块 CK23/35、2块MSK23/60树脂锚固剂，配套使用长3.6 m，规格300 mm×360 mm×250 mm的钢带结合成一个支护整体。锚索托盘200 mm×200 mm×12 mm，冷拔钢丝经纬网钢丝直径4 mm，金属网规格1 800 mm×900 mm，网孔80 mm×80 mm。顶锚杆锚固力不小于70 kN，螺母拧紧力矩100～130 N·m，锚索预应力不小于100 kN，锚索锚固力不小于200 kN。孔径28 mm的锚杆锚索与垂直切眼布置的钢带在巷道中心线两侧左右对称布置，锚杆间距0.7 m，锚索间距2.1 m。顶锚杆每排10根。锚索滞后工作面距离控制在2.1 m以内。②加强支护：采用柱距1.4 m的DZ-45型单体液压支柱加强支护，布置在中心线靠软帮偏1.4 m处。③巷帮支护：两帮均采用规格18 mm×1 800 mm的锚杆加一木托板进行支护，每根锚杆用一块MSK23/35树脂药卷固定，间距1 000 mm，排距1 000 mm，矩形布置。

3）支护理论依据：按悬吊理论计算锚杆参数。

（1）锚杆长度计算[3]：

式中：Lg为锚杆长度，m；H为冒落高度，m；K为安全系数，一般取K=2；L1为锚杆锚入稳定岩层的深度，一般按经验取0.5 m；L2为锚杆在巷道中的外露长度，一般取0.1 m；其中H=B/2f=7.8/（2×3.5）=1.11 m。f为普氏硬度系数，取3.5。带入数值计算，则锚杆长度为Lg为2.82 m。顶锚杆选用3 m锚杆符合安全要求。

（2）锚杆株距、排距计算：通常株排距相等。依据

式中：A为锚杆间排距，m；Q为锚杆设计锚固力，70 kN/根；L为锚杆有效长度，取2.9 m；R为被悬吊砂岩的重力密度，取25.48 kN/m3；K为安全系数，一般取K=1.5；α为岩层倾角，取20度。带入数值计算，则锚杆间排距为A为0.672 m。锚杆间距D≤0.5，Lg=1.5 m，所以锚杆间排距取0.8 m×0.7 m符合要求。

（3）锚索补强加固参数：锚索加固支护机理是把一定范围的煤岩层锚固到其上面的稳定岩层中，参数设计可参照锚杆悬吊理论进行计算。

①锚索长度计算： Ls=La+Lb+Lc+Ld.

式中：Ls为锚索总长度，m；La为锚索深入稳定层锚固长度，1.5 m；Lb为需要悬吊不稳定岩体（煤体）厚度，取5.4 m；Lc为上托盘及锚具厚度，取0.25 m；Ld为需要外露的张拉长度，取0.35 m。带入数值计算，则锚索长度为Ls为7.4 m。锚索选用9 m符合要求。

式中：a2为锚索间排距，m；Q为锚索设计锚固力，200 kN/根；H2为冒落拱高度，取1.11 m；γ为被悬吊泥、砂岩的重力密度，取25.48 kN/m3；K为安全系数，一般取K=1.5。带入数值计算，则锚索间排距为a2为2.17 m。锚索排距D应小于锚索长度的一半，即：D＜Ls/2=4.5 m。由于巷道宽度B=7.4 m，故取锚索排距为2.1 m，间距2 m，每组锚索布置3条，能满足要求。③通过上面计算，顶锚杆选用直径18 mm，长度3.0 m的锚杆，为确保安全取排距800 mm，株距700 mm。锚索选用长9 m，φ15.24 mm×9 000 mm的左旋预应力钢绞线制作，排距2 100 mm，间距2 000 mm。

4）支护施工方法：采用EBZ-150型掘进机短掘短进配合刮板输送机连续作业，在切眼开口处先掘出一个长6 m、宽7.4 m、高3.4 m的矩形大断面；为便于掘进机拐弯，割不到的地方采用炮掘作业；再以4.4 m宽的断面继续掘进4 m，然后后退掘进机掘进3 m宽小断面，往复交替截割成巷。锚杆锚索跟巷道迎头，单体液压支柱滞后综掘机后进行维护。

5）支护技术效果评价：综采工作面大断面切眼掘进一次成巷技术，简化了二次成巷的施工工序与步骤；在锚杆支护和加强支护的双重作用下，切眼空间较之被动支护更加宽松安全，有效地解除了棚式支护产生的狭小空间对安装作业的制约，减少了作业的危险性、设备安装速度更快；使原170 m的工作面施工工期，由60 d减少为40 d。综采切眼的掘进、通风、安装、运输的设计参数在合理的基础上追求适当优化，相同条件下的锚杆支护（比木棚支护）所需更小的断面正好迎合了这种需求；切眼的高度与跨度的缩小，使资金投入和工作量双双减少，安全系数相应增加；其对顶板较小的破坏使巷道支护质量提高；二次帮支护材料、火工品的消耗及维修费用也相应减少；充分利用顶板的自承力抑制顶板离层，矿山压力在开切眼内没有明显显现，顶板的变形量控制在5 mm以内，围岩基本处于稳定状态。两帮在支柱、构木盘帮、锚网支护的联合作用下，没有片帮现象发生，为安装期间的通风、运输营造了良好的环境，支护效果（相比于传统支护）在顶板控制、安全经济方面都有很大的优越性[4-5]。

3 结束语

综上所述，大断面综采切眼一次成巷锚杆支护技术，在22103工作面的应用（较之木抬棚支护或二次成巷技术）有着明显的优越性。在悬吊理论的支持下，不仅施工上安全可靠、技术上领先、经济成本大为降低，而且工人的劳动强度大大减轻、更快的施工速度为设备安装节省得了时间，使矿井尽快投产、尽早产生效益，具有很大推广价值。

[1] 杨志超.锚杆支护工艺与质量[J].科技风，2011(3):127.

[2] 董洋洋.11011工作面下顺槽锚网索支护施工方案与技术经济效果[J].魅力中国，2012(10):112.

[3] 钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学，2010.

[4] 宫凤财.综采开切眼大断面锚网支护技术探讨[J].科技信息，2010(28)：735.

[5] 高春宝.综采开切眼大断面锚网支护技术探讨[J].现代商贸工业，2009(16):279.