大断面切眼支护设计及优化

柳雅良

（阳泉煤业（集团）有限责任公司， 山西 阳泉 045000）

引言

对于大断面开切眼围岩控制技术，国内许多学者进行了研究，研究的方向大体可分为掘进工艺和支护技术两个方面，如新窑煤矿4502工作面开切眼采用了“机掘初次成巷+炮掘扩巷的掘进工艺及锚网索+单体+木垛”的支护技术，华丰煤矿1410工作面开切眼采用了“炮掘初次成巷+炮掘扩巷的掘进工艺及锚网索+注浆锚索+单体+U型钢”的支护技术，赵固二矿11050工作面开切眼采用了“机掘+机掘的掘进工艺及锚网索+挑棚+单体”的支护技术，麻家梁煤矿14101工作面开切眼采用了“机掘+机掘的掘进工艺及锚网索+注浆锚索”的支护技术，均获得了较好的效果。鉴于此，以大同煤矿集团同家梁矿8103工作面开切眼为研究对象，对大断面切眼支护设计进行研究。

1 大同煤矿集团同家梁矿8103工作面开切眼概述

大同煤矿集团同家梁矿位于大同盆地西南的口泉沟内，距大同市20 km，井田东西长12.1 km，南北宽2.5 km，面积为24.9013 km2，开采侏罗纪煤层。山4号层8103切眼设计长度200 m、宽8.5 m、高3.7 m。原切眼支护设计由设计院设计而成。根据山4号层8103工作面地质说明书提供的有关地质资料，经分析、研究、论证，认为该切眼支护支护强度大。经综合分析论证，决定对8103切眼支护进行重新设计优化。

1.1 煤层特征和顶、底板岩性特征表（见表1、表2）

表1 煤层特征情况表

表2 顶、底板岩性特征表

1.2 地质构造

8103切眼煤层属山4号煤层，为近水平煤层，坡度为2°，有三条断层（见表3），对巷道施工有较大影响，无其他地质构造。

表3 断层产状表

2 大断面切眼支护设计

由于8103工作面开切眼存在断面大、应力高、上覆采空区积水多、底板软岩分布等诸多特点，必须对支护设计进行详细规划、研究。因此下面对大断面切眼支护设计进行详细研究。

2.1 支护设计

根据地质说明书提供的巷道围岩性质、钻孔资料、相邻巷道矿压观测资料及施工现场的实际情况。采用工程类比法，确定山4号层8103切眼的支护形式、支护参数。

2.1.1 支护材料

顶锚杆均采用Φ22mm×2400mm螺纹钢锚杆，使用1卷k2333和2卷k2350树脂药卷加长锚固，采用Φ16普通钢带，1.0 m×1.2 m金属密网片连续挂网，网格为50mm×50mm。

2.1.2 支护方式

开切眼时，顶锚杆间排距为760mm×750mm，6根顶锚杆，4.0 m钢带。扩切眼时，顶锚秆问排距为800mm×750mm，4根顶锚杆，2.6 m钢带，上帮端锚杆与4.0 m钢带交叉100mm；顶板破碎时，可以缩短间排距。

2.1.3 锚索梁补强支护

锚索采用中15.24钢绞线，长度为7000mm。锚索梁梁长2.0 m。

开切眼时，采用五花式迈步布置，上角锚索与垂向夹角20°，近两帮锚索梁分别距帮1.0 m，中间锚索梁在巷中布置，交叉距离1.0 m，迈步步距不大于2.0 m。

扩切眼时，采用迈步式布置，上帮锚索梁距即将扩掉帮0.5 m，下帮锚索梁距下帮0.8 m，交叉距离1.0 m，迈步步距不大于2.0 m。

2.2 支护验算

根据采矿工程设计手册（2003）表6-1-88，锚杆支护按单体锚杆悬吊理论计算：

2.2.1 顶锚杆长度L的计算

式中：L为锚杆长度，m；l1为锚杆外露长度，取0.05 m；l2为潜在冒落拱高度，m，取普氏免压拱高b；l3为锚杆深入稳定岩层深度，根据相邻巷道实践经验，l3取1.2 m。

式中：B为巷道最大跨度，5 m；f为岩层普氏硬度系数，3。计算得l2=0.83。

根据上述公式的计算，结合实践经验，确定顶板锚杆长度为2400mm。

2.2.2 顶锚杆直径d的计算

式中：σt为杆体抗拉强度，Pa；Q为锚杆锚固力，N；D为杆体直径，m

根据杆体强度σt≥335 MPa、锚杆锚固力Q≥140 kN进行计算锚杆杆体直径，得d=21.5mm

根据计算结果，采用Φ22mm左旋螺纹钢锚杆能够满足支护要求。

2.2.3 顶锚杆间排距a计算

式中：a为锚杆间排距，m；Q为锚杆锚固力，kN；K为安全系数，取 1.8；γ 为岩体容重，kN/m，12.74 kN/m3；l2为锚杆有效长度，m。

将数据代入公式得a=2.7 m。

2.2.4 锚索支护参数（按单体锚索悬吊作用计算）

2.2.4.1 确定锚索长度

为了加强巷道支护，预防顶板冒落，采用预应力锚索作补强支护，预应力锚索采用低松弛、高强度Φ17.8mm的钢绞线，其最低破断载荷为1860 N/mm2。

锚索长度按下式计算：

式中：L'为锚索总长度，m；L'1为锚索外露长度，取0.20 m；h为需要锚固的不稳定岩层厚度，根据地质资料，取4.2 m；L'2为锚索深入稳定岩层的锚固长度，m；L'3为锚索托板及锁具厚度，取0.08 m。

按GBJ 86—1985要求，锚索锚固长度L'2按下式确定：

式中：K为安全系数，取K＝2；d1为锚索钢绞线直径，取17.8mm；fa为钢绞线抗拉强度，Φ17.8mm钢绞线抗拉强度为1860 N/mm2；fc为锚索与锚固剂的黏合强度，根据实践取30 N/mm2。

则L'2≥551.8mm。因此，视单体锚索悬吊的最小长度为0.6 m，本文应用两个单体锚索进行悬吊，因此确定本文的锚索长度取值为1.2 m。

得L'=0.2+4.2+1.2+0.08=5.68 m，取钢绞线长度为6.0 m。

2.2.4.2 锚索间排距a'的确定

为防止巷道顶板岩层发生大面积整体跨落，用锚索支护将锚杆加固的“组合梁”整体悬吊于稳定岩层中。校核锚索排、间距，冒落方式按最严重的冒落高度大于锚杆长度的整体冒落考虑。此时，根据锚索悬吊理论，可用下式计算锚索排、间距。

式中：a'为锚索间距，m；n为锚索排数，取 2；F2为锚索极限承载力，270 kN；B为巷道最大跨落宽度，按8201巷取5.0 m；H为巷道最大冒落高度，按最严重冒落高度取4.2 m；γ为岩体容重，kN/m3；F1为锚索锚固力，140 kN；θ为锚索与巷道顶板的最小夹角，75°；X1为锚索排距，2 m。计算得a'=4.2 m。

根据以上计算，确定锚索排距4200mm，并选择规格为Φ17.8mm×6000mm钢绞线。

2.2.4.3 锚固剂的选型

根据相邻巷道支护实践经验及现场锚固力的测试，确定顶板锚杆及锚索锚固剂采用K2360、Z2360各1卷树脂药进行锚固，护帮采用1卷Z2360树脂药进行锚固，可以满足锚杆和锚索预紧力及锚固力的要求。

2.2.4.4 8201切眼支护的确定

顶板采用锚杆钢带+单锚索+集束锚索+单体液压支柱联合支护。护帮右帮采用螺纹钢锚杆+短节钢带+金属网，第一次施工左帮不施工护帮支护，第二次掘进左帮施工玻璃钢锚杆+尼龙网支护。

3 结语

通过对大断面切眼的锚杆支护进行分析，优化了切眼设计方案。实践表明，优化后，切眼巷道变形较小，支护效果良好。因此选择科学合理的支护技术，在最大程度上提高煤矿掘进的安全性。