人工再生顶板大跨度切眼联合支护技术

叶定阳 刘长武 刘 洋 何 涛

(1.水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都610065;2.四川大学水利水电学院，四川成都610065)

自20世纪70年代以来，充填采矿［1］在我国就有一定应用。充填开采就是在井下或地面用矸石、砂、碎石等物料充填采空区，达到控制岩层运动及地表沉陷的目的。充填开采通过对工作面后方采空区实施充填，能够有效控制地表开采沉陷，保护矿区生态环境，保护地下水资源不受破坏，提高煤炭资源采出率，改善矿山安全生产条件，实现不搬迁采煤，解放村庄建筑物下、铁路下、水体下煤炭资源，很好地解决了“三下”压煤的开采问题。

冀中能源股份有限公司邢台矿(以下简称“邢台矿”)六采区采煤层为厚煤层，煤层中下部有0.3 m厚夹矸，把煤层分为上下2个自然分层，上分层回采并已经充填，下分层废弃。邢台矿经过42 a的高强度开采，到2009年底，剩余可采储量只有2 256.1万t。为了延长矿井的服务年限，同时开采出大量优质煤炭，邢台矿将对废弃的煤炭进行回采，不仅产生巨大的经济效益，而且有益于公司可持续发展。

充填体在长期矿山地压力下重新胶结形成人工再生顶板。人工再生顶板层理、节理、裂隙发育，易离层，抗弯能力差，性脆易冒，极难管理。在人工再生顶板条件下，大跨度切眼支护［2-3］中采用“木架棚+锚索”联合支护技术，能很好地管理顶板。

现以邢台矿7608(底)工作面的切眼为例，介绍“木架棚+锚索”联合支护在大跨度切眼中的应用。

1 工作面地质概况

7608(底)工作面为六采区南部综采工作面，该工作面地面位置位于邢台矿工业广场东南处，井下位置西北为7614充填工作面采空区，西南为22319工作面采空区，东南为F13断层，东北为7609工作面采空区。地面标高为+84 m，工作面标高为－280～－360 m。

工作面采煤层为2#煤，属复杂结构厚煤层，走向长659 m，倾向长80 m，面积52 366 m2，煤层倾角2～14°，平均倾角9°;煤层平均厚度为6.14 m，上分层平均厚度为3.14 m已回采完毕，现剩余煤厚平均为3.0 m，含0.3 m夹矸，煤层为一单斜构造。工作面所采煤层上部直接顶为粉砂岩和矸石与粉煤灰混合充填物，厚度7.7 m，其中开采上分层3.14 m煤层时充填的矸石与粉煤灰混合充填物厚度约3.14 m，形成的人工再生顶板固结程度较低，如图1所示。煤层顶、底板的地质情况见表1。

图1 人工再生顶板固结状况Fig.1 Consolidation state of artificial regenerated roof

表1 工作面煤层顶底板岩性特征Table1 Lithology characteristics of the coal's roof and floor

2 支护设计

7608(底)综采工作面巷道顶板结构较为复杂，为人工再生顶板，切眼为矩形断面，切眼宽度8.4 m，高度3.0 m，属于大跨度断面，进一步增加了支护的难度;切眼分2次施工，先掘4.4 m×3.0 m，然后在采面推进方向再扩挖4.0 m×3.0 m断面，以满足综采支架安装需要。

2.1 切眼塌落拱与荷载计算

松散破碎围岩条件下，采用普氏压力拱理论［4］对顶板塌落拱高度和顶部荷载进行估算是比较合适的。根据该理论，可求得支护所需承担的荷载集度。

根据矿井提供的地质资料，2#煤的内摩擦角为27°，由于2#煤为比较松碎1/3焦煤，不考虑煤体的黏结力，换算内摩擦角k仍取27°，由式(1)可求得塌落拱的跨度4.039 m，如图2中A、B所示:

式中，b1为洞室跨度之半，2.2 m;b2为塌落拱跨度之半，m;h0为切眼的高度，3.0 m;k为换算内摩擦角，27°。

图2 普氏压力拱计算荷载Fig.2 Schematic diagram of arch's load calculation

由于人工再生顶板固结较差，另根据矿井实测地质资料，人工顶板上覆岩层3 m范围内破坏相对严重，3～10 m岩石完好，为了安全起见，fk取两者较小值，取fk=0.5，计算求得塌落拱高度

巷道上方的实际塌落拱为抛物线形，巷道中点处的塌落拱高度最大，越靠近巷道帮部，塌落拱高度越小，因此巷道顶部中点处的荷载集度最大。为了安全起见，荷载集度都按最大塌落拱高度考虑，拱顶最大荷载集度

式中，qmax为拱顶最大荷载集度;γ1为直接顶粉砂岩的容重，26 kN/m3;γ2为人工再生顶板的容重，15 kN/m3;h1为拱轴线上粉砂岩塌落高度，4.938 m;h2为人工再生顶板的厚度，3.14 m。

计算得到塌落拱最大高度和拱顶最大荷载集度，也就获得了“木架棚+锚索”支护所要承担的最大荷载，从而为确定合理支护参数提供了依据。

2.2 木架棚及锚索支护参数设计

受大断面切眼开挖影响形成如图2所示的塌落拱，由于塌落拱高度较大，人工再生顶板固结较差，在开挖面不能形成良好的承载面，单一的架棚或锚索难以完全承受上覆破碎岩层，为了保证切眼的安全要求，采用“木架棚+锚索”联合支护。先采用木架棚支护3.14 m人工再生顶板，然后采用锚索整体补强加固。

根据《煤矿支护手册》［5］中的相关规定，采用木架棚支护的巷道跨度大于4.5 m时，圆木直径应大于220 mm，此处采用D＞240 mm东北落叶松圆木构建木架棚，支护结构示意图如图3所示。

图3 木架棚支护结构Fig.3 Schematic diagram of wooden shed's structure

按照结构力学的求解方法［6］，将此支护结构进行简化、拆分，各主要部件的受力情况如图4所示。

图4 木架棚结构受力Fig.4 Schematic diagram of wooden shed's stress

按照材料力学［7］抗弯强度的公式，在圆木容许抗弯强度下，可求得木架棚横梁的合理间距

式中，M为横梁中最大弯矩，kN·m;Wz为弯曲截面系数，对于圆形截面，Wz=(1/32)πD3;圆木容许抗弯强度［σ］为59 MPa。

由结构力学［6］可知，梁中最大弯矩M在横梁中部，

式中，q为横梁上均布荷载，q=γ2bh2，b为最大横梁间距。

将圆木容许抗弯强度代入式(4)可求得最大横梁间距为0.887 m，从木架棚结构整体安全稳定性考虑，横梁合理间距取为0.7 m，横梁最大弯矩计算为63.33 kNm，弯曲应力为46.68 MPa，横梁最大弯曲应力小于容许抗弯强度，横梁满足抗弯强度要求。

对于棚腿AB，受到弯矩和轴力的共同作用，依据结构力学原理，可以求得其最大应力位于端部A处，且最大值为80 kN·m，由式(4)可知，

棚腿满足抗弯强度要求。

对于棚腿CD，只受到单一的轴力作用，轴力为72.1 kN，根据材料力学［7］抗压强度公式，轴向应力

小于容许抗压强度(28.8 MPa)，棚腿满足抗压强度要求。

式中，F为棚腿承受压力，kN;A为棚腿截面积，A=(1/4)πD2，mm2。

由于棚腿AB所受轴力小于棚腿CD所受轴力，因此棚腿AB也满足抗压强度要求。

木架棚棚腿相对细长，除强度条件需要校核外，还需对其稳定性进行分析。

采用欧拉公式［7］计算理想压杆的临界应力:

式中，λ为柔度，λ=(μL)/i;i为实心圆的惯性半径，i=(1/4)D;棚腿简化为一端固支、一端自由，则μ= 2;E为东北落叶松圆木弹性模量，E=10 GPa。

通过式(8)可得临界压力为9.86 MPa，σc＜σcr，棚腿满足稳定性要求。

根据锚索设计规范［8］，确定合理的锚索支护参数。锚索外露长度L1为0.6 m，采动影响的极限高度L2为6.2 m(根据矿山实测地质资料，人工再生顶板上覆岩层3 m范围内破坏相对严重，3～10 m岩石完好)，坚硬老顶层锚固段长度取1.5 m，锚索长度

为了施工过程安全，取L为9.0 m。

为了确定锚索排距，需要计算出潜在垮落趋势的危岩荷载W和危岩潜在下滑趋势时的摩擦阻力FZ。

采用式(10)计算潜在垮落趋势的危岩荷载:

式中，W为危岩荷载，kN;B为巷道跨度，B=2b1，m; b为锚索最大排距，m。

潜在垮落趋势的危岩有潜在下滑趋势，危岩还受到岩壁对它产生的摩擦阻力FZ，采用式(11)计算:

将式(10)和式(11)所得结果代入式(12)，可得到最大锚索排距为1.63 m，为了施工过程安全，锚索排距取为1.60 m:

式中，Y为锚索极限承载能力，便于取材，采用矿上常用20 t锚索。

2.3 切眼支护布置

切眼初次开挖成巷，采用木架棚上覆金属网支护。木架棚采用直径大于240 mm的东北落叶松圆木构建，横梁间距0.7 m;木架棚腿仍采用直径D＞240 mm东北落叶松圆木，斜腿长3.2 m，直腿长3.0 m。顶板打设锚索，锚索采用15.24mm的低松弛预应力钢绞线，长度9.0 m，组距4.0 m，迈步布置，锚固力大于200 kN;使用长度2.4 m的14#槽钢做钢带，托盘为200 mm×80 mm×20 mm的钢板。

切眼二次扩挖时，初次开挖4.4 m×3.0 m巷道已经成型并支护，在良好的支护条件下，二次开挖成巷仍采用与第一次相同的支护参数。

3 支护效果分析及经验总结

通过对位移量观测和分析，开始有一些变形(在设计范围之内)，采取锚索支护作为补强措施，锚索受力稳定，只在很小的幅度内波动，控制在安全范围内。

“木架棚+锚索”联合支护技术显著提高了巷道支护效果，极大地改善了人工再生顶板下综采工作面切眼支护情况，简化了工作面综采设备的安装，确保了工作面设备安装的安全，有利于综采面快速安装，实现了矿井的高效生产。

采用“木架棚+锚索”联合支护，解决了人工再生顶板层理、节理、裂隙发育，易离层，抗弯能力差，性脆易冒，巷道围岩变形量大的难题，能满足安全生产需要。虽然采用木架棚支护需要大量的圆木，但能及时有效地控制顶板下沉，满足支护强度，保证大断面切眼的人工再生顶板安全，为综采工作面切眼安装设备创造了良好条件。在充填开采下，采用钢梁和单体液压支柱不便于回收，而木材价格低廉，减少了支护材料的丢失浪费。

随着综采工作面装备机械化程度提高，大功率、大体积的设备投入使用，大跨度切眼巷道支护是煤矿急需解决的难题，“木架棚+锚索”联合支护技术对于充填开采大跨度巷道具有借鉴作用。

4 结论

通过7608(底)工作面切眼联合支护的成功使用，为人工再生顶板条件下推广联合支护技术提供了必要的经验，使得该项技术在邢台矿可以广泛推广使用。实践证明，人工再生顶板巷道中推广使用联合支护技术经济合理，安全可靠，可以最大限度地保持顶板的稳定性、完整性，限制人工再生顶板的变形、位移和裂隙的发展，保证了工程质量。

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