软煤层综采工作面开切眼全锚索支护实践

毕仲文

（山西煤销集团晋城泽州有限公司，山西 晋城048000）

山西潞安集团王庄煤矿所采煤层为山西组3＃煤层，该煤层呈现出明显的条带状和厚层状结构，煤层厚度平均为5.7m，煤层和顶底板强度较低，整体属于软煤层工作面。以往，矿井综采工作面开采切眼多采用“锚网索”配合W钢带进行支护，在支护初期切眼稳定性较好，但随着切眼的掘进，滞后掘进迎头35m处切眼变形开始加剧，切眼破坏形式主要由切眼收敛变形、顶板离层和切眼出现“网兜”现象，故在安装支架前需要对切眼部分区段进行二次支护，这不仅增加了材料成本和人工成本，对于保障人员施工安全和安装作业安全也极为不利。因此，如何保障综采工作面切眼的稳定性和安全性是保证掘进施工和安装作业的前提。随着全锚索支护技术的发展，山西阳泉部分矿井应用全锚索支护技术在切眼支护方面取得了较好的效果〔1－5〕。鉴于此，同时考虑到矿井煤层赋存特点和锚索支护优势，决定在矿井3304工作面切眼进行全锚索支护探索。

1 全锚索切眼支护机理分析

理论研究和生产实践证明，锚索预应力高低对于巷道顶板稳定性具有决定性作用，当锚索预应力达到一定强度时可以有效消除水平应力对顶板的作用，促使巷道顶板形成具有“刚性”特点的梁结构，可称之为“刚性梁”结构。“刚性梁”结构顶板能够确保顶板稳定性的关键在于能够消除水平应力的影响而避免顶板出现横向变形，同时，“刚性梁”结构的存在促使顶板具有较大的抗剪强度，这样可以确保顶板不会出现较大的纵向变形。理论上认为，“锚网索”支护下的顶板能够形成“组合梁”结构，“组合梁”结构能够保证巷道顶板形成强度较大的组合梁，对于提高巷道顶板稳定性发挥着重要的作用，但“刚性梁”结构优于“组合梁”结构不仅表现在能够促使巷道顶板形成“组合梁”结构，还能有效减弱“组合梁”结构下的巷道顶板离层现象，故“刚性梁”结构的存在对于保证巷道稳定性，尤其是顶板结构的强度具有重要的作用。

3＃煤层综采工作面切眼支护实践表明，“锚网索”配合W钢带支护条件下的开切眼在掘进施工后会出现切眼收敛和顶板离层现象，分析认为出现开切眼变形破坏的主要原因是：① 该支护条件下，支护结构主要发挥悬吊和组合梁作用，切眼顶煤松软易碎，锚杆不能够有效锚固；② 受到相邻工作面采动影响作用，切眼顶板和顶煤会进一步碎裂，促使锚网索支护条件下的顶板组合梁结构不能够有效发挥其作用，造成支护结构失效；③ 切眼掘进采用滞后支护方式，这样造成迎头部分区域顶板和顶煤处于暂时无支护状态，对于确保其上部煤岩体的稳定性极为不利，经过一段时间后造成巷道顶板失稳。采用“全锚索”支护后，可充分利用锚索预应力强、锚固深度大、支护强度高等优势，同时利用全锚索支护的悬吊、组合梁刚性梁结构提高顶煤和顶板的完整性和强度，可有效避免煤岩体在节理面处出现离层。

2 全锚索支护实践

2.1 试验工作面概况

3304工作面位于矿井三采区东翼，所采煤层为山西组3＃煤层，工作面设计走向长度和倾斜长度分别为996m和240m。工作面顶底板结构较复杂，直接顶为均厚4.5m的泥岩～砂质泥岩，基本顶为均厚6.8m的砂质泥岩～细砂岩～中粒砂岩，直接底为均厚1.4m的灰黑色泥岩～砂质泥岩，基本底为均厚4.5m的灰白色细粒砂岩～中粒砂岩，其中顶底板中泥岩和砂质泥岩节理裂隙发育程度较高，强度较低，部分区域受到集中应力作用易碎裂成块状和粉状。3＃煤层节理裂隙发育程度较高，中部含有1～2层夹矸，夹矸平均厚度为0.35m，煤层强度由上至下强度有增大趋势，整体表现松软易碎，该工作面属软煤层工作面。

2.2 全锚索支护参数

由3304工作面顶底板岩性可知：该工作面所采煤层3＃煤层松软易碎，强度较；直接顶为均厚4.5m的泥岩～砂质泥岩，基本顶为均厚6.8m的砂质泥岩～细砂岩～中粒砂岩。由实验室顶板岩性测试可知：直接顶节理裂隙发育程度较高，强度较低；基本顶所含细砂岩和中粒砂岩强度较高，致密性较高。结合其它矿井开切眼全锚索支护实践，同时考虑到3304工作面顶底板围岩特性及支护成本，决定采用长短锚索配合金属网和钢带对开切眼进行支护。长短锚索进行支护主要是利用短锚索代替锚杆来控制直接顶，长锚索直接锚固到基本顶岩体中用以确保顶板形成“刚性梁”，这样可从直接顶和基本顶两个方面加强顶板的管理和控制，对于提高巷道稳定性具有重要的意义。

矿井现有锚索两种，分别为承载力为230kN，直径为15.4mm的钢绞绳和预紧力不低于250kN，直径为21.6 mm的大直径钢绞绳。决定应用Φ15.4mm的钢绞绳作为短锚索，应用Φ21.6mm的钢绞绳作为长锚索，现对长短锚索支护参数进行确定。

（1）短锚索L的确定

式中：L1为锚索外露端长度，m；L2为锚索自由段长度，m；L3为锚索锚固长度，m。

在进行锚索自由段长度确定时可依据松动圈理论进行计算，具体见公式（2）：

式中：B为开切眼宽度，m；H为开切眼高度，m；f为煤岩体平均普氏坚固性系数；φ为煤岩体内摩擦角，°。

根据开切眼设计参数可知，开切眼宽度B＝5.5m，f＝1.2，H＝4.2m，φ＝34°，L1＝0.3m，L3＝1.4m，将各参数代入公式（1）、（2）可得短锚索长度L＝（0.3＋2.97＋1.4）m＝4.67m。考虑到3304工作面直接顶节理裂隙发育程度较高，确定L＝4.8m。

（2）短锚索间排距的确定

鉴于直接顶自稳性较差，故可将锚索承载力值等同于所承载的煤岩体自重，为了提高开切眼上方煤岩体受力均衡性，取间距和排距均为F，则F满足公式（3）：

式中：k为安全系数，取1.6；ρ为锚索所承载煤岩体自重，kg／m3；Q为锚固力，kN。

根据3304工作面围岩物理试验可知ρ＝20.56kg／m3，Q＝230kN，计算可得F＝1.2m，考虑到3304工作面所采3＃煤层和直接顶强度较低，故决定取F＝0.8m。

3 长锚索间排距的确定

长锚索选择为Φ21.6×8000mm的钢绞绳，考虑到开切眼顶煤与直接顶完整性较差，强度较低，为了保证开切眼顶板的稳定性，决定开切眼顶板进行进一步加固，这样可以使开切眼顶板处于完整的支护体系中，这样即使是出现冒落的区域顶板也可以锚固于深部稳定岩体中。根据以往“锚网索”支护经验取长锚索间排距等距布置，且考虑到已经对顶板采用了短锚索支护，决定长锚索间排距为1.2m。

综上计算可知：短锚索型号Φ15.4×4800mm，间排距为0.8m，每排布置锚索7根；长锚索型号为Φ21.6×8000 mm，间排距为1.2m×1.2m，每排布置锚索5根。根据巷道支护实践，采用菱形网孔规格为20mm×20mm的金属网进行护帮和护顶，W钢带规格（长×宽×厚）为5500mm×3×260mm，长短锚索沿钢带垂直锚固在顶板中。

4 全锚索支护效果分析

3304工作面南部为3302工作面，3302工作面开切眼采用“锚网索”配合W钢带进行支护，在掘进过程中开切眼变形规律见图1；3304工作面开切眼采用全锚索配合W钢带进行支护，掘进期间开切眼变形规律见图2。

图1 “锚网索”支护切眼表面位移

图2 全锚索支护切眼表面位移

由图1可知，在“锚网索”支护条件下，开切眼顶底板移近量可达550mm，两帮移近量可达380mm。根据现场观测可知，开切眼顶底板变形以顶板下沉为主，约占顶底板移近量的2／3，且在掘进期间顶板出现“网兜”现象较多，且偶尔出现锚杆拉断现象，说明该支护条件下开切眼稳定性较差。由图2可知，在全锚索支护条件下，开切眼顶底板移近量和两帮移近量分别为125mm和90mm，分别约占“锚网索”支护条件下顶底板和两帮变形量的22.7%和23.7%。由此可知，在全锚索支护条件下的顶板完整性和强度均有大幅度提升，有效的促进了开切眼顶板的“刚性”化，同时“刚性”化顶板有效促使切眼顶板垂直应力向煤岩体深部转移，降低了两帮的承压，对于减缓开切眼两帮变形发挥着重要的作用。

4 结语

全锚索支护可促使开切眼顶板形成“刚性梁”，这样不仅可提高顶板的完整性、自承载能力和强度，同时还可有效发挥锚索的悬吊和组合梁作用，可有效预防顶板离层，提高开切眼顶围岩的稳定性。根据全锚索支护实践可知，开切眼顶底板和两帮变形量仅为“锚网索”支护条件下的23%左右，全锚索支护对于提高开切眼稳定性，降低巷道维修费用，保证综采设备安装有效空间具有重要的作用。

〔1〕樊永东.高地应力下大断面煤巷全锚索支护〔J〕.煤炭技术，2005，24（9）：69－70.

〔2〕谈国文，赵 辉.大倾角全煤巷锚网索支护数值模拟研究〔J〕.煤炭技术，2007，26（12）：51－53.

〔3〕冯京波.松散厚煤层全煤巷沿空掘巷锚索支护技术〔J〕.煤炭科学技术，2008，36（2）：23－26.

〔4〕赵卫民，刘福军，赵世铎.松散煤层综放面切巷全锚索支护技术的应用〔J〕.矿业安全与环保，2003，30（5）：42－44.

〔5〕戴志国，李修玉.松散厚煤层综放巷道预应力全锚索支护技术〔J〕.矿业安全与环保，2005，32（2）：51－54.