煤矿井下大断面切眼支护方案的研究

2021-05-13许艳伟

山东煤炭科技 2021年4期

许艳伟

（山西高河能源有限公司，山西长治 047100）

1 概况

高河能源有限公司主采煤层平均厚度6.4 m，直接顶以泥岩为主，厚度为2.7 m，基本顶以粗砂岩为主，平均厚3.1 m，巷道的底板以泥岩为主，平均厚度为4.2 m，煤层中含有2 层夹矸。采用的综采煤巷切眼宽9 m，高3.4 m，一般采用U 型钢支撑、工字钢三节棚支护结构。由于围岩稳定性差、切眼跨度大，通过增加支护密度和支护结构强度来保证切眼支护的安全性。目前井下常用的锚杆长度为3.0 m，各个锚杆间的间距采用了0.8 m，整体的支护密度大，巷道支护效率仅22 个循环/月，而且支护成本高达3260 元/m，严重影响了煤矿井下巷道支护效率和经济性，因此迫切需要对现有的支护方案进行优化，在保证支护可靠性的情况下提升支护效率，降低支护成本。

2 巷道支护参数确认

针对传统全面永久加强支护时所存在的支护效率低、稳定性差的情况，提出“锚杆+锚网+锚索”综合支护的方案[1-3]，利用锚杆和锚索支撑操作便捷、转运方便等特点，进行重点加强支护。在支护时根据巷道顶板受力分析结果，应该将支护的锚杆形成一个“组合拱”，缩小顶板的跨距，使支护结构具有较强的自稳定能力和承载能力，充分发挥支护结构整体的支护效能。

传统支护方案中，对大断面支护结构参数的选择通常是依靠经验，没有明确的标准，因此经常导致支护结构密度大，远超支护需求，虽然稳定性较好，但是效率低，支护成本高。高河能源从不同支护参数对支护强度影响入手，通过实际支护验证，获取了最直接的试验参数，为支护参数的选择提供了依据，目前已经在高河能源形成了一个完整的参数选择标准。

（1）锚杆长度对巷道围岩变形情况的影响

锚杆长度对巷道围岩变形情况的影响如表1 所示。随着锚杆长度的增加，顶板位移量逐渐降低，但当锚杆长度超过2 m 后顶板变形量下降的幅度大幅降低。

（2）锚杆间距对巷道围岩预应力影响

锚杆支护形成后会在围岩内形成一定的预应力，围岩内部预应力越大，其抵抗矿压波动的能力越强。根据在高河能源井下的实际测量，采用长度为2 m 的锚杆，不同间距下的巷道内围岩变化如图1 所示。

表1 不同锚杆长度对巷道顶板变形量影响

图1 不同支护间距下围岩应力变化趋势

由实际测量结果可知，随着支护间距的增加，巷道围岩内的预应力逐渐降低，其稳定性越差。当支护间距为0.9 mm 时能够取得较好的平衡，兼顾支护稳定性和支护效率。

3 切眼支护方案

根据切眼结构，大断面切眼顶板支护时以锚杆支护为核心，锚杆间距设定为0.9 m；以锚索支护为辅助，各组锚索在布置时采用3+4+3 的均匀分布式结构，锚索间距设定为2 m，排距为1.8 m。帮部锚杆支护，间距为1.2 m，每排3 根锚杆。锚杆直径18 mm，长2 m，锚索直径17.8 mm，长为8.3 m。

锚杆索支护完成后，在扩刷帮处约0.75 m 处设置一组液压支架，各个支架间的距离设置为1 m。在进行切眼支护时采用了分层支护方案，首先对切眼宽度的2/3 进行支护，支护完成并形成一个稳定的支护体后，再在两侧进行切眼扩充。对扩充区的支护采用单排锚杆，每排3 根，锚索布置时同样采用单排布置结构。在煤壁侧进行支护时，采用直径为20 mm、长度为2000 mm 的锚杆[4]。为了防止在支护和使用过程中出现落石，在切眼易出现碎裂的位置设置孔径为30 mm 的双层锚网防护，有效防止落石伤人现象。新的支护结构如图2。

该切眼支护方案充分利用了巷道顶板简易梁模型分析结果，以降低切眼断面跨距为主要目的，结合大断面切眼的情况，以锚杆和锚索综合支护为核心，分层支护，有效降低了支护工作量和支护成本。根据实际验证，相同情况下，巷道支护效率由最初的22 个循环/月，提高到了25 个循环/月，支护效率比传统支护模式提升了14.2%以上。支护过程中的支护成本由3260 元/m，降低到了目前的2 692.76 元/m，综合支护成本降低了17.4%。