综采工作面大断面切眼支护技术研究与实践

耿文涛

（山西西山煤电股份有限公司西曲矿，山西 太原 030200）

综采工作面切眼尺寸的设计必须满足设备安装需求，而切眼尺寸和切眼的施工方法又决定了支护形式的选择。对于现场施工和后期安装设备而言，切眼的跨度越大，支护难度越大，对于支护方式的及时性、有效性和时效性要求越高[1-5]。西曲矿切眼多采用先导硐掘进后刷帮掘进的形式施工，即先施工一定断面的切眼并进行支护，而后采用刷帮得到设计尺寸，支护方式多选择架11#矿工钢梯形棚。梯形棚属于被动式支护，其优点是抗压强度大，可回收复用，缺点是施工繁琐，掘进速度慢，回撤棚子速度慢，影响掘进和安装。随着西曲矿大型综采设备的应用，工作面切眼宽度已达到7m以上，大跨度切眼对于支护方法和支护效果的要求也越来越高。考虑到西曲矿采掘接替问题，鉴于锚网支护的诸多优点，决定在理论计算的基础上，结合现场实际在18502工作面大断面切眼实施锚网支护实践研究。

1 概况

18502工作面所采煤层为8#煤层，煤层厚3.2～4.5m，平均4.0m，煤层倾角2°～7.5°，平均为4.1°，属于稳定可采厚煤层。工作面顶板伪顶为均厚0.4m的炭质泥岩，裂隙发育；直接顶为均厚2.8m的石灰岩，致密坚硬，局部受构造影响较破碎；基本顶为均厚4.2m的中粗粒砂岩；底板为均厚3.5m的泥岩-细粒砂岩。由岩石物理试验可知，顶板石灰岩抗压强度为102.7MPa，抗拉强度为13.5MPa，软化系数为1.4，硬度f=10.6；底板砂岩抗压强度为55.9MPa，抗拉强度为10.9MPa，软化系数为0.6，硬度f=5.7。18502工作面切眼设计规格（长×宽×高）为143×7×3.5m，工作面切眼先导硐掘进规格（长×宽×高）为143×4.5×3.5m的切巷，然后在煤壁侧刷出宽2.5m的切巷。为了提高切眼的施工速度，减少后期安装作业工序，决定在18502切眼实施锚网支护。

2 切眼导硐掘进支护方案的确定

2.1 顶板支护方案的确定

根据锚杆悬吊理论，计算锚杆长度L：

式中：

H-冒落拱高度，m；

K-安全系数，一般取2；

L1-锚杆锚固长度，取0.4m；

L2-锚杆外露长度，取0.04m。

冒落拱高度H=0.5B/f（B-巷道宽度，4.5m；f-岩石坚固性系数，3.5）=0.64，计算可得L=1.73m。考虑到顶板的复杂多变，同时鉴于以往巷道支护经验，确定锚杆长度L=1.8m。

根据经验公式（2）对锚杆间排距C进行确定：

式中：

C-锚杆间排距，mm；

Q-锚杆锚固力，取50kN；

γ-上覆岩层容重，25kN/m3。

将相关参数带入公式（2），计算可得C=1.25m。考虑到西曲矿回采巷道支护经验，取C=1.2m，即确定锚杆间排距为1200×1200mm。

考虑到工作面实际，确定选用规格为Ф20×1800mm的高强无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆间排距为1200×1200mm，每根锚杆采用2卷Z2335型树脂药卷进行锚固，锚杆锚固力不低于50kN，锚杆配套托盘为碟形钢托盘，顶网采用网孔为50×50mm的金属菱形网。当切眼顶板条件较差，易出现顶板冒漏时，沿倾向方向架设11#矿工钢配合液压单体柱进行补强支护。

2.2 两帮支护方案的确定

根据西曲矿回采巷道支护经验，同时考虑到18502工作面实际，采用工程类比法，确定帮锚杆选用规格为Ф20×1800mm玻璃钢锚杆，锚杆间排距为1000×1200mm，每根锚杆采用2卷Z2335型树脂药卷进行锚固，锚杆锚固力不低于50kN，锚盘采用碟形钢托盘，帮网选用网孔为50×50mm的塑料网。18502工作面切眼导硐掘进支护参数如图1所示。

图1 18502工作面切眼导硐掘进支护参数

3 切眼刷帮掘进支护方案的确定

18502工作面切眼先期进行导硐掘进造成切眼围岩应力重新分布，且因松动圈的存在，导硐掘进形成的切眼巷道周围岩体破碎，破碎岩体向岩体深部一定范围形成塑性区，塑性区的存在造成巷道顶板和两帮产生塑性破坏，其表现形式即是巷道变形收敛。在切眼刷帮掘进的过程中，原导硐掘进形成的巷道会发生二次扰动破坏；同时，因导硐掘进对刷帮掘进造成不利影响，原支护方案难以有效对刷帮掘进形成的巷道进行支护，故对刷帮掘进支护的要求更高。为了掌握不同锚杆参数支护条件下的巷道支护效果，特对不同锚杆间排距条件下巷道围岩变形情况进行试验和分析，最终确定刷帮掘进顶锚杆间排距为900×1200mm，帮锚杆间排距为1000×1200mm，顶锚杆和帮锚杆分别选用高强无纵筋螺纹钢锚杆和玻璃钢锚杆，锚盘配套使用，每根锚杆采用2卷Z2335型树脂药卷进行锚固，顶锚杆和帮锚杆锚固力均不低于50kN。为了提高刷帮掘进巷道支护效果，沿倾向方向采用11#矿工钢配液压单体柱架设托棚。当巷道顶板较差，易出现顶板冒漏时，可根据实际情况改架11#矿工钢梯形棚支护。如图2所示。

图2 18502工作面刷帮掘进后大断面切眼支护

4 支护效果

18502综采工作面切眼服务时间短，断面尺寸较大，断面收敛后能够满足设备安装即可。采用“十字交叉法”对切眼收敛变形和顶板离层等进行观测，观测时间以刷帮掘进开始至支架安装前结束。观测方案：在切眼内共布置3个测点，同时在切眼掘进结束、设备安装前，在测点对应处的顶板上方布置10m深的观测孔，观测结果如图3、图4所示。

由图3、图4可知：18502工作面切眼两帮累计收敛量为72mm，顶板下沉量累计为24mm，不足设计断面尺寸的1%，切眼表面位移量在可控范围内，可满足综采设备安装；顶板离层总量约为11.9mm，其中顶板上方浅部离层约7.4mm，深部离层约4mm，以顶板上方岩层浅部离层为主，占了总离层量的65%。由此可知，通过锚网支护参数的设计、优化，18502工作面切眼围岩收敛变形和顶板离层得到了明显控制，支护效果较好，能够满足生产需求。

图3 18502工作面切眼表面位移变化

5 结语

通过理论计算，结合矿井支护经验，在18502工作面大断面切眼支护时采用锚网支护代替传统的架设梯形棚支护，有效控制了切眼围岩收敛变形和顶板离层，为实现综采设备快速安装提供了有利条件。18502工作面大断面切眼锚网支护的成功应用，也为类似工作面切眼支护提供了指导经验。

图4 18502工作面切眼顶板离层监测