切眼大断面围岩控制一次成巷快速掘进技术概述

樊纲

华晋焦煤有限责任公司沙曲二号煤矿 山西 吕梁 033000

前言

沙曲二号煤矿井下回采巷道支护现状存在支护系统中核心支护参数预紧力的作用认识不足，预紧力偏低，初期支护强度小；支护系统刚度低，较低的支护刚度难以发挥锚杆主动支护作用优势。矿井现采用直径22mm，335号顶板锚杆；直径18mm或20mm，335号帮锚杆；直径17.8mm或21.6mm锚索。顶帮锚杆预紧扭矩200N.m，直径17.8mm锚索初始张拉预紧力110kN，直径21.8mm锚索初始张拉预紧力120kN。支护材料强度高但未发挥主动支护作用。支护设计主要依据经验、理论公式，设计无针对性和差异性，地质力学参数匮乏，加固方案靠经验；存在锚杆、锚索布置在同一排情况。锚杆、锚索设计锚固力与要求有较大差距；锚杆支护构件结构不合理；锚索张拉等待时间过短，锚杆存在二次预紧现象，部分锚杆（索）施工质量不合格，联网质量差；施工验收标准低。4901工作面切眼跨度大、帮部煤岩交互，为确保工作面安装期间切眼的稳定性，不再打设密集的单体支柱，且实现一次掘进成巷，保障生产衔接，必须专门依据4901工作面切眼实际生产、地质条件，制定有针对性围岩控制技术[1]。

1 4901工作面概况

4901工作面东南面为九采区三条集中巷道，东北面4901胶带巷，西南面为4901回风巷，其他为未开掘区。4901工作面切眼沿4#煤跟顶拉底施工，煤层厚度1.8～2.2m（平均厚度2.0m），倾角4°，硬度0.73。煤层直接顶为4.9m细粒砂岩，老顶为2.6m泥岩，直接底为3.1m细砂岩，老底为3.2m砂质泥岩。工作面标高+295～+330m，地面标高+815～+925m。4901切眼沿4#煤跟顶拉底施工，设计掘宽7.0m，掘高2.7m，掘进断面18.9m2，掘进目的是满足回采时智能化设备安装需要。

2 巷道围岩控制支护形式和参数选择原则

针对4901工作面地质生产条件，为了充分发挥锚杆支护的作用，要遵循一次支护原则、相互匹配原则；临界支护强度与刚度原则和可操作性、经济合理性原则外还有几项要注意的：

（1）高预应力和预应力扩散原则。预应力是锚杆支护中的关键因素，为了提高预应力的标杆支护，现在托办、钢带等的使用扩大了受力范围，提高锚固体的整体刚性与完整性，从而更充分发挥锚杆支护的作用。

（2）“三高一低”原则。即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。在提。高锚杆强度（如加大锚杆直径或提高杆体材料的强度）、刚度（提高锚杆预应力、全长锚固），保证支护系统可靠性的条件下，降低支护密度，减少单位面积上锚杆数量，提高掘进速度[2]。

3 4901工作面切眼支护方案

经过数值模拟，结合工程实践经验在预应力一定的条件下，锚索越长，锚索预应力的作用越不明显，主动支护性越差。因此，可得出以下研究结果：当预应力一定时，短锚索的主动支护作用优于长锚索；锚索越长，施加的预应力应越大，才能充分发挥锚索的支护作用；通过提高锚索的预应力，可适当减少锚索长度；根据目前锚索预应力水平，锚索不宜过长。经数值模拟分析，确定4901工作面切眼采用树脂加长锚固高预应力强力锚杆（索）组合支护系统。考虑到生产的要求和巷道围岩变形预留量，具体支护方案如下：

3.1 顶板支护

顶板支护采用Φ22×2400mm螺纹钢锚杆，配套使用一块130mm×130mm×16mm高强度拱形可调心托盘、调心球垫和减摩尼龙垫圈，碟形高度不低于36mm。长4400mm×250mm×5mm 6眼“W”钢带（肋高不低于 25mm）与长2800mm×250mm×5mm 4眼“W”钢带（肋高不低于25mm）重叠一个眼并配合菱形金属网（5×1.1m）进行护顶支护。顶锚间排距为800mm×900mm，全部打注在“W”钢带眼内，垂直于顶板打注，顶锚钻头直径为 30mm，锚固端依次上两支MSCK2455树脂药卷，锚杆预紧扭矩：≥350N.m，锚固力不得低于127KN。锚索4-3-4-3布置（锚索规格：Φ21.8×8200m 7芯），配套使用一块300mm×300mm×16mm高强度可调心拱形托盘、调心球垫及配套锁具，碟形高度不低于58mm。锚索间排距为1600mm×900mm，垂直于顶板打注，锚索钻头直径30mm，锚固端依次上三支MSCK2455树脂药卷，要求锚索初始张拉预紧力不得低于250KN，锚固力不得低于300KN[3]。

3.2 巷帮支护

图1 4901工作面切眼各断面锚杆索支护布置图（单位：mm）

落山帮侧均采用Φ20×2000mm螺纹钢锚杆（螺纹段长度不低于 150mm）、1.9米3眼圆钢钢带，配套使用一块130mm×130mm×16mm高强度拱形可调心托盘，调心球垫和减摩尼龙垫圈，碟形高度不低于36mm，10×1m双抗网支护。采煤帮侧采用Φ20×2000mm玻璃钢锚杆、Φ150×8mm玻璃钢锚杆托盘、350mm×200mm×60mm木托板以及10×1m双抗网支护。帮锚杆最上一排帮锚距顶板为0.3m，间距0.8m、排距0.9m；帮锚钻头直径为28mm，锚固端上一支MSCK2455树脂药卷，锚杆预紧扭矩：≥300N.m，锚固力不得低于105KN。4901工作面切眼各断面锚杆（索）支护布置如图1所示。

4 矿压监测

4901切眼矿压监测分为综合监测和日常监测，综合监测主要作用是验证或修改初始设计，日常监测主要是为了保证巷道安全。

综合监测在4901工作面切眼设置综合矿压测站。开始施工后，掘进工作面开口处安装第1个测站，再向前掘进30m安装第2个测站，以此类推每个30m安装一组监测站。每个测站包括2个巷道表面位移监测断面，1个顶板离层监测断面，1个锚杆受力监测断面，1个锚索受力监测断面。日常监测包括三部分内容，锚杆锚固力抽检，顶板离层观测和锚杆预紧力矩检测[4]。

5 效果分析

（1）4901切眼顶板下沉量监测为0，帮部移近量在0～4mm，平均3mm；底鼓量在0～6mm，平均4mm；巷道断面未发生明显变化，支护效果佳。

（2）形成沙曲二号煤矿大断面切眼高预应力锚杆支护技术体系，改善了井下工作面切眼支护现状，保障了顶板安全，减轻了工人劳动强度，且降低了支护密度。

（3）4901切眼施工期间未进行二次扩帮支护及使用单体液压支柱，大大节约了支护成本，较原支护节约材料费用110.2万元。

（4）4901切眼实现大断面一次成巷，避免了之前二次成巷工艺复杂，掘进速度慢等弊端，较之前缩短施工工期约21天，节约人工成本约48万元，且大大缓解了生产衔接。

（5）4901切眼大断面一次成巷快速掘进技术，为同类条件下切眼的支护提供参考和理论依据。

6 结束语

（1）在预应力一定的条件下，锚索越长，锚索预应力的作用越不明显，主动支护性越差。相反，想要提高预应力，可以适当缩短锚索长度，来达到预期的效果。

（2）使用钢带让锚杆预应力得到了有效扩散，从而使锚杆能有效支护锚杆间的围岩，明显改善了整理的支护效果。

（3）选择科学合理的支护方式后，18.9m2大断面巷道无须二次成巷，也无须进行滞后单体补强支护，可实现一次成巷快速掘进。