综采工作面大断面切眼围岩支护技术

郭洪臣

（山西寿阳潞阳昌泰煤业有限公司，山西 晋中 045400）

切眼是综采设备安装场所以及采面煤炭回采的起点。切眼围岩支护效果直接关系到综采设备能够否安全安装、采面能否安全回采[1-2]。现阶段巷道围岩控制普遍存在支护强度过高问题，不仅增加支护成本且降低掘进效率，出现上述问题主要原因是：①未能将支护结构与围岩作为整体考虑。②片面增加支护材料强度及密度，如增加锚杆、锚索直径、减小间排距。③锚杆、锚索支护作用未能充分发挥。合理的切眼支护方式不仅可降低劳动强度及支护成本、而且可提升切眼掘进效率[3-5]。

以昌泰矿井1501综采工作面切眼掘进为工程背景，针对切眼断面大顶板岩层难以控制问题，采用理论分析、工程类比技术方法提出围岩控制技术方案，确保了切眼围岩稳定。

1 工程概况

1501 综采工作面开采15#煤层，地面标高+1 238～+1 301 m，工作面标高+905～+1 000 m，采面倾向长度185 m，设计走向长度1 395 m，可采长度1 340 m，四邻对本工作面回采无影响，工作面回采区域地质情况相对简单。

15#煤层厚度0.76～7.45 m，平均3.5 m，倾角5°，节理较发育，顶板为炭质泥岩、砂质泥岩、粗砂岩、细砂岩。在运输顺槽内距切眼35 m位置取顶板岩层岩样（取样长度共计28.5 m）进行测试，具体岩性力学参数测试结果见表1。对切眼顶板岩层岩性分类，综合判定围岩分级为III类，属中等稳定围岩。

表1 顶板岩层岩性力学参数测试结果

2 切眼围岩支护设计

为了降低掘进以及围岩控制难度，1501综采工作面大断面切眼掘进施工采用一次掘进贯通、二次扩刷成巷方式，支护采用锚网与锚索联合支护方式。

2.1 切眼锚网索支护参数

切眼围岩采用锚杆、锚索支护，提供的锚固力与锚杆（索）杆体极限破断载荷相近。

（1）锚杆支护参数

锚杆材质为高强左旋螺纹钢（25MnSi）、直径22 mm，破断载荷220 kN。锚杆锚固长度L11可通过下式计算[6-7]：

式中：P1为锚杆锚固力(按锚杆极限破断载荷取值，取220 kN；R锚为锚杆半径，取11 mm；C1为锚固剂锚固强度，取1.35 MPa。

经计算求得L11=1.85 m。

锚杆锚固时需要的锚固药卷长度L12可通过下式计算：

式中：R为锚杆钻孔半径，取14 mm；R药为药卷半径，取值11.5 mm。

代入上式求得L12=1.05 m。

根据上述结果，采用1支型号K2360、1支型号Z2360树脂药卷即可满足锚固需要，则每根锚杆中实际锚固长度L13为：

顶板布置的锚杆实际提供的锚固力P可通过下式计算：P=2πRC1L13=251.6 kN＞220 kN。

综合采面切眼实际地质赋存情况、锚杆支护要求[8-9]，锚杆间距、排距均为0.8 m。顶板两侧锚杆与采面帮、实体煤间距分别为0.3 m、0.5 m，且均有20°斜角，长度为2 400 mm；巷帮布置4根锚杆，上部、下部锚杆与顶板、底板间距分别为0.4 m、0.7 m，且均有20°斜角，长度为2 200 mm。

（2）锚索参数

锚索为Φ17.8 mm钢绞线，破断载荷360 kN，将锚索锚固到顶板稳定岩层（砂质泥岩内），锚索锚固长度L21可通过下式计算：

式中：P2为锚索锚固力(按锚索极限破断载荷取值，取360 kN；R索为锚索半径，取8.9 mm；C1为锚固剂锚固强度，取2.5 MPa。

经计算求得L21=2.58 m。

锚索锚固时需要的锚固药卷长度L22可通过下式计算：

式中：R锚为锚索半径，取8.9 mm；R药药卷半径，取11.5 mm。

代入上式求得L12=2.28 m。

根据上述结果，采用2支型号K2360、2支型号Z2360树脂药卷即可满足锚固需要，则每根锚杆中实际锚固长度L23为：

顶板布置的锚杆实际提供的锚固力P可通过下式计算：P=2πRC2L23=486 kN＞360 kN。

切眼顶板布置的锚索间距×排距=2.4 m×1.6 m，锚索与实体煤帮间距1.3 m、与采面帮间距1.1 m，均垂直于切眼顶板布置。

2.2 一次掘进切眼支护方案

一次掘进切眼断面为矩形 （宽×高=5.0 m×3.5 m），沿煤层底板掘进，具体掘进完成后切眼围岩支护方案见图1。

图1 一次掘进后切眼围岩支护方案

切眼采用锚杆+锚索+金属网+钢筋梯子梁支护，锚杆、锚索托盘分别为穹形多功能钢托盘（长×宽×厚=150 mm×150 mm×10 mm）、钢板托盘（长×宽×厚=300 mm×300 mm×20 mm），梯子梁用Φ12 mm钢筋焊接而成。金属网（12#铁丝编制而成）的网孔60 mm ，邻近网片间搭接200 mm以上。

2.3 切眼二次扩刷支护

切眼一次掘进贯通后，开始刷扩切眼，将切眼宽度由5.0 m刷扩至8.5 m，矩形断面，具体刷扩后切眼围岩支护方案见图2。

图2 切眼扩刷后支护方案

在二次扩巷时在巷道中线位置布置一排单体支柱，单体顶部采用金属铰接梁、间距均为1 200 mm。当切眼掘进以及扩巷时遇到地质构造或者围岩破碎时，可采取缩小锚杆、锚索间距方式增加支护强度，必要时进行注浆加固。在切眼刷扩完成后采面煤壁帮施工的玻璃钢锚杆预紧扭矩、预紧力分别为70 N·m、10 kN；实体煤帮金属锚杆预紧扭矩、预紧力分别为100 N·m、14 kN； 顶板锚杆预紧扭矩、预紧力分别为180 N·m、20 kN，锚索张紧力在100 kN以上。

3 切眼顶板变形监测

在1501综采工作面切眼掘进过程中，每隔30 m在顶板内布置一组测点，切眼内共计布置6组。每组测点中布置2个传感器，用以对顶板浅层围岩、深部位移进行监测，其中浅部基点传感器用以监测顶板表层岩层变形、深部基点用以监测顶板深部岩层离层情况。浅部基点位于顶板上方2.7～3.0 m（较顶板锚杆深度深0.3～0.6 m）、深部基点位于顶板上方9.8～10.3 m（较锚索深度深0.5～1.0 m）。

在切眼掘进、刷扩完成后顶板离层量在5 mm以内、顶板表层岩层下沉量在57 mm以内，围岩变形量在允许范围内，不会给切眼内综采设备安装带来不利影响。

4 结语

1501综采工作面开采的15#煤层埋深平均240 m，地应力显现不明显，制约切眼围岩控制的主要难题是巷道掘进断面大、顶板控制困难。采用理论分析、工程类比技术方法对切眼围岩支护方案进行设计。现场应用后，切眼顶板最大下沉量控制在57 mm内，顶板离层量在5 mm以内，切眼顶板下沉不会给后续综采设备安装带来不利影响。研究成果可在一定程度上指导矿井15#煤层开采。