厚煤层大断面切眼新型支护设计方案及应用

王 坤

(同煤集团 晋华宫矿，山西 大同 037016)

1 概 况

随着煤炭工业的迅速发展和机械化开采程度的不断提高，巷道断面逐渐增大，尤其是工作面开切眼，为了适应大型设备搬家安装，巷道跨度达到8 m 以上，开切眼断面多为矩形，两帮为煤层，顶板为煤层或岩层，围岩强度较低，受力复杂，围岩变形量和破裂范围都很大，这些都直接影响该类巷道的稳定性，支护较为困难。

同煤集团晋华宫矿为多井口大型矿井，年产量450 万t，主要含煤地层为下侏罗统大同组，含煤地层厚度133.22～247.47 m，一般为189.27 m，属于典型的内陆河湖沉积，因此，在时间和空间上，煤层顶底板岩性变化大，顶板软弱夹层时常存在，对顶板的稳定性产生了极其不利的影响。南山井12#煤层402 盘区8208工作面切眼的支护中就深受顶板软弱夹层的影响，该煤层埋深343.7～368.9 m，煤层厚度为1.5～7.85 m，平均厚度为5.74 m，倾角2°～12°，平均为7°，采用MG1100/2760－GWD 型双滚筒采煤机采煤，最大截割高度为5.83 m。煤层工作面地层综合柱状图见图1，由图1 可以看出，在煤层顶板上方存在1.7 m 左右的砂质泥岩和煤的软弱夹层，切眼顶板支护难度大。

图1 8208工作面综合柱状图

本文分析了传统切眼支护设计方法的不足，在以往工程经验的基础上进行创新，提出了“支柱减跨，渐变锚索，强顶弱帮”的切眼新型支护参数设计思想，并进行了工程应用，降低了切眼支护的工作量，节约了支护成本，取得了良好的效果。

2 切眼常用支护方案设计

综放工作面切眼以往多为架棚支护，由于架棚支护巷道作业空间小，综放支架安装、回撤困难。随着机械化程度的提高和巷道断面尺寸的不断加大，锚索网支护设计逐渐被应用到切眼的支护设计中。

1)锚杆长度:

式中:

W—巷道跨度，m，取8.4;

N—围岩稳定影响系数，m，取1.1;

故选用2.2 m 长的锚杆合理。

锚杆直径:

D=L/110=0.02 m，取22 mm，故选用直径22 mm的锚栓合理。

2)锚杆间排距:

式中:

a—锚杆间排距，m;

Q—锚杆设计锚固力，kN/根，取83.3;

H—冒落拱高度，H=W/(2f)=2.4 m;

f—岩石坚固性系数，砂质泥岩取1.8;

γ—被悬吊砂岩的重力密度，kN/ m3，取25;

K—安全系数，一般取2。

故取锚杆间排距为700 mm。

3)锚索长度及间排距:

根据经验，锚索的间排距一般为锚杆的2 倍，故确定其间排距为1 400 mm，锚索的长度计算主要是根据顶部悬吊作用，根据地质岩层情况，取锚索长度为8.0 m。100 m 切眼所用支护材料见表1。

3 新型切眼支护方案设计及应用

3.1 新型支护方案特点

1)支柱减跨。

表1 100 m 巷道常用设计所需锚杆(索)数量统计表

跨度大是煤巷切眼的最大特征之一，也是增加巷道支护难度的最主要因素，研究表明［4］，巷道顶板的最大下沉量与巷道跨度的四次方成正比，当巷道的跨度增加2 倍时，顶板最大下沉量则为原来的16 倍。为适应大型机械的生产安装，目前切眼的跨度达到8 m以上，是顺槽的2 倍，甚至更多，这就需要加大对顶板变形的控制。以往的工程中，顶板的变形破坏都是通过大量锚杆、锚索来控制，而在对晋华宫矿12#煤层402 盘区8208工作面切眼进行支护设计时，为了切实的改善由于巷道跨度的增大给支护带来的困难，在巷道中间布设了2 排可回收单体液压支柱，将巷道的跨度减小为原来的1/3，大大降低了顶板支护的难度。

2)渐变锚索。

根据实验室测得的围岩力学参数和巷道的地质条件，采用FLAC3D［5－7］对8208工作面切眼无支护时进行模拟，塑性区及位移分布图见图2。从图2 可以看出，顶板最大塑性区厚度为2.5 m，与第1 节冒落拱高度吻合，说明数值模拟能很好地反应实际情况。巷道开挖后，若无支护，顶板塑性区厚度和位移在中部最大，向两帮依次减小，因此，在支护设计时应该根据需要进行相应的调整。在8208工作面切眼支护设计时，采用10 m、8 m 和6 m 三种长度的锚索，从顶板中部向两侧长度依次减小，间距1 500 mm，排距3 000 mm，取得了较好的效益。

图2 8208工作面切眼无支护时塑性区及位移分布图

3)强顶弱帮。

顶板是巷道中最为重要的部位，许多事故都是由于顶板的冒落造成的，因此，加强对切眼顶板的支护十分必要。但与此同时，切眼巷道往往只有几个月的服务时间，周围的煤层未经开采，作用在两帮的支承压力较小，因此，在保证顶板安全的情况下可以对两帮的支护强度加以弱化。在晋华宫矿12#煤层402 盘区8208工作面切眼的两帮仅安装2 排锚杆用以固定金属网，防止两帮表面煤层的脱落。

3.2 新型支护方案设计

根据多年来在切眼支护中积累的经验，结合上述分析，对晋华宫矿12#煤层402 盘区8208工作面切眼的支护进行了创新，支护参数如下:

锚杆选用无纵筋高强螺纹钢锚杆，直径18 mm，长度2 000 mm，间排距1 000 mm×1 000 mm;锚索选用1 ×7 股d17.8 mm 高强钢绞线锚索，长度分别为6 000 mm、8 000 mm 和10 000 mm，间排距1 500 ×3 000 mm;选用DW40－150/100X 型柱塞悬浮式单体液压支柱带0.8 m 长的H 型钢顶梁，柱间排距3 400 ×2 000 mm，锚杆(索)托盘及锚具都选用配套装置，支护参数见图3，100 m 巷道所用支护材料见表2。

图3 8208工作面切眼支护横断面图

表2 100 m 巷道新型设计所需锚杆(索)数量统计表

从表1 和表2 可以看出，与目前常用的切眼支护设计方法相比，支护100 m 8208工作面切眼，新型支护方案所用锚杆和锚索总长度都约为前者的1/3，在降低支护材料的同时也大大降低了支护的工作量和支护成本，提高了煤矿的经济效益和社会效益。

3.3 支护效果监测

根据量测简单、便于施工、结果可靠、量值显著、数据易于分析等量测项目选定原则［8］，在8208工作面切眼20 m 里程安设一个观测站，采用十字布点法监测掘巷期间围岩变形规律，监测结果见图4。

图4 掘巷期间巷道表面位移变化规律

从图4 可以看出，巷道开挖后20 m 范围内围岩位移迅速增加，距掘进迎头60 m 左右以前的巷道已经基本上保持稳定，整个过程中，顶板下沉量39.5 mm，底鼓24.5 mm，两帮收敛量60.8 mm，较好地满足了切眼的安全生产。

4 结论

1)跨度大是增加切眼支护难度的重要因素之一，目前常用锚索网支护设计方法没考虑到减跨的问题，通过加大锚杆(索)的用量来达到切眼支护的目的，材料消耗大，施工速度慢，经济效益低。

2)利用可移动、可回收的单体液压支柱减小切眼的跨度，在保证采煤设备的正常安装调试的同时，也达到降低切眼支护困难的目的，在晋华宫矿8208工作面切眼支护中得到了较好的应用。

3)在“支柱减跨，渐变锚索，强顶弱帮”的新型切眼支护设计思路的指导下，设计了以单体液压支柱和渐变锚索为主的新型支护方案，并在8208工作面切眼中应用，现场实测结果表明，切眼从开挖到稳定，顶板下沉量39.5 mm，底鼓24.5 mm，两帮收敛了60.8 mm，满足了切眼的正常生产，取得了良好的经济效益和社会效益，值得其他类似工程借鉴。

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