大断面开切眼迈步掘进一次成巷工艺技术研究

魏 斌

(1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

随着煤矿巷道掘进技术的不断进步，矿井机械化掘进的优势凸显。它不仅效益高、安全，而且减轻了工人的劳动强度，但对于综采液压支架安装需要的大断面切眼巷道，如何快速成巷、稳固支护，始终是一个难题[1-3]。通常采取先掘小断面巷道、再进行二次扩帮解决[4]。

传统的综采面切眼掘进支护有两种[5-8]：一种是早期的棚梁加双中柱支护，棚距一般为0.5m。该支护方式掘进速度慢，材料消耗量大，配置人员多，劳动强度大，人工费用高；架设笨重大抬棚的作业具有一定的危险性；且这种支护方式制约工作面安装速度，作业人员多、相对有效作业空间小，安全性不高。另外这种支护对顶板没有施加上主动的预应力，属被动支护，不能有效控制顶板离层和冒顶现象发生，支护效果较差，容易造大范围冒顶事故，冒顶后二次恢复工作量更大[9]。另一种是后来改进的，也是目前常用的方式，即先掘送小断面，采用锚杆挂钢带、金属网支护，在安装液压支架时再二次扩帮[10-13]。这种支护方式虽然较简单，但二次扩帮时影响安装速度；另外边扩帮边安装，作业的工种多、人员多，各工种配合、协调不好，很容易造成人身安全事故，安全隐患大[14-16]。

以上两种施工支护方法都存在着各自弊端，为了保证综采工作面的大断面切眼，本次研究了将6100mm大断面切眼采用迈步掘进一次性成巷的施工工艺，即第一次和第二次施工迈步交替，第一次施工4000mm，施工一个班后，迈步至第二次施工剩余的2100mm，往复交替循环。采用锚杆(索)上钢带、钢筋网主动支护技术[17-20]。

1 大断面切眼迈步一次成巷现场条件

110302工作面切眼为半煤岩巷、岩顶掘进，煤层倾角19°～35°，煤厚度1.88m。工作面切眼设计正常巷道宽度6100mm，高度2800mm，坡度沿煤层顶板掘进。在巷道掘进至30m、86m处各揭露一条逆断层，落差分别为1.5m和1.3～2.5m，影响范围分别为22m和25m；受断层影响，在154m处揭露一处构造破碎带，影响范围10m。顶底板岩性如图1所示。

图1 煤层顶底板岩性

通过对该工程施工现场的分析，认为具体的技术难点主要体现在：①110302切眼内分布断层，遇到断层及破碎带时，空顶距不能太大，顶板破碎时容易随掘随冒，锚杆索长度等参数是否合理对于顶板的悬吊高度、预紧力能否施加好都有影响；②巷道断面大、跨度大、坡度大，大跨度巷道的支护体间排距合理确定将决定支护成败，此外煤层倾角大，掘进机后退需要时间，及时支护的时间有所滞后，对顶板的支护不利；③部分区域顶板淋水，底板泥化严重，施工的锚杆钻孔淋水时锚固剂安设困难，对于锚固剂型号、搅拌时间需根据现场调整；④地应力较高，以往切眼锚杆、锚索发生断裂情况，大断面高地应力条件需对锚杆索等材质、强度进行严格检验。在切眼断面跨度较大的状况下，顶板以及两帮的支护不协同时，锚杆索会因为巷道围岩变形出现拉断的问题。为此需对大断面巷道的掘进施工工艺、巷道支护参数设计进行详细设计。

2 大断面切眼支护参数计算

2.1 锚杆支护参数的确定

顶锚杆长度计算[13-15]：

L=KH+L1+L2

(1)

H=6.1/(2×4)=0.76m

L=2×0.76+0.5+0.1=2.12m

式中，L为锚杆长度，m；H为冒落拱高度，m；K为安全系数，一般取K=2；L1为锚杆锚入稳定煤层的深度，一般按经验取0.5m；L2为锚杆在巷道中的外露长度，取0.1m；其中：H=B/(2f)；B为巷道开掘宽度，取正常巷道宽度6.1m；f为顶板(粉砂岩)坚固性系数，取4。 通过以上计算，取顶锚杆使用长度为2.2m。

帮锚杆的长度计算：

S=S1+S2+S3

(2)

式中，S1为锚杆外露长度，取为0.1m；S2为锚杆的有效锚固长度，m；S3为锚杆的锚固长度，取为0.4m；帮锚杆的有效锚固长度S2，按以下经验公式计算[15-18]：

S2=(1+f)/(1+2f)+(B-1)/(B+1)=1.28m

S=S1+S2+S3=0.1+1.28+0.4=1.78m

通过以上计算，取帮锚杆使用长度为1.8m。

锚杆直径计算：

式中，d1为顶锚杆直径；d2为帮锚杆直径，mm；Q为锚杆锚固力，顶80kN、帮80kN；F1为锚杆抗拉强度，500MPa。

锚杆锚固长度L3计算：

L=KdF1/4F2

(4)

顶锚杆L3=KdF1/4F2=2×20×500/(4×16)=313mm；帮锚杆L3=KdF1/4F2=2×18×500/(4×16)=281.25mm。

即顶锚杆L3=0.313m帮锚杆L3=0.281m。取顶锚杆锚固长度0.5m、帮锚杆锚固长度0.4m。

式中，K为锚杆的安全系数，取2；d为锚杆直径，取20mm；(帮锚杆直径取18mm)；F1为锚杆抗拉强度，500MPa；F2为锚杆与锚固剂粘结强度，16MPa。

锚杆间排距计算：按加固拱理论：D≤0.5L=1.1m，考虑到安全系数，锚杆间、排距取0.8m。

2.2 锚索支护设计

锚索长度的计算[18，19]：

X=L1+L2+L3=0.35+6.1+1.4=7.85m

(5)

式中，L1为锚索外露长度，取0.35m；L3为锚索的锚固长度，取1.4m；L2为锚索的有效锚固长度。稳定围岩巷道L2=巷道跨度=6.1m；锚索长度取8.3m。

悬吊理论校核锚索排距[20]：

L≤NF2/[BHγ-(2F1sinθ)/L]=2.84m

(6)

式中，L为锚索间排距，m；B为巷道最大冒落宽度，6.1m；H为巷道最大冒落高度，2.2m；(最大取锚杆长度)；γ为岩体容重，23.43kN/m3(包括顶煤+直接顶)；L1为锚杆排距，0.8m；F1为锚杆锚固力，80kN；F2为锚索极限承载力，320kN；θ为锚杆与巷道顶板的夹角，75°；N为锚索排数，取1。通过计算锚索间排距为2.84m，为了安全实际取间距为1.5m，排距为1.6m。能满足生产设计要求。

锚索的锚固长度L3：

L3=kdf1/(4f2)=1.241m

(7)

式中，L3为设计锚固长度，m；k为安全系数，一般取1.5；d为锚索直径，取0.0178m；f1为索线抗拉强度，取1860MPa；f2为锚索与锚固剂粘结强度，取10MPa；锚固长度取1.4m。

通过上述计算锚杆、锚索的参数，从安全角度留有一定富余量，以期保证满足要求。

这一数据表明，EGP注重英语基础知识训练，是开展ESP课程的基础，学生尽管倾向于选择ESP课程，但对于完全摒弃EGP课程还持有疑虑。而这一点在英语水平程度相对较差的C组表现得尤为明显。

3 大断面切眼迈步一次成巷支护工艺

3.1 迈步交替掘进施工工艺

切眼的掘进施工工艺流程为：①先施工切眼倒车硐室；②然后施工切眼端头支架段，生产一班施工切眼采帮4000mm范围→生产二班迈步施工切眼非采帮剩余部分，施工宽度为2900mm，施工非采帮时必须保证切眼巷道的宽度；③当施工切眼完端头支架段后，综掘机按照第一次施工单帮掘进，迈步施工巷道宽度4000mm；④当第一次施工到位后，综掘机退回，迈步第二次刷帮位置；⑤第二次施工刷帮成型，施工宽度为2100mm；⑥补强单体支护，允许滞后迎头30m，补强单体+柱鞋+柱帽，单体间排距2900mm×1500mm。

迈步流程为：第一施工4000mm，施工一个班后，迈步第二次施工剩余的2100mm。迈步循环掘进时综掘机截割轨迹如图2所示。

图2 综掘机迈步截割顺序轨迹

3.2 临时支护施工工艺

1)当截割完一个循环进尺后，退综掘机，进行敲帮问顶，使用“前探梁+木背板+木楔子”方式进行临时支护。

2)敲帮问顶时，必须由专人(至少2人，一人观察顶板、一人操作)站在支护完好的巷道下进行操作；敲帮问顶必须使用专用工具(采用长度不低于2000mm，直径为20mm，一头尖一头扁的长钢钎作为敲帮问顶专用工具)；敲帮问顶工作必须由班组长和有经验的老工人进行，并坚持由外向里、由顶部向帮部的原则；敲帮问顶时施工人员必须站在安全地点用专用工具捣掉顶板及两帮活矸，操作期间，观察人员发现有威胁操作人员人身安全的情况时，应立即通知操作人员撤离至安全地点。

3)前探梁选用由∅60mm的钢管制作而成，每条长度为6.0m，共使用3条前探梁。每条前探梁必须设防滑装置，防滑装置采用小链焊接铁钩子，然后再焊接在每条前探梁的一端，使用时将铁钩子挂在顶板网上防止前探梁下滑。

4)吊环采用∅20mm的螺纹钢锚杆帽、配合厚度为15mm的钢板加工制作的吊环。吊环上部焊接锚杆螺母，安设时将该螺母拧在外露锚杆上。在吊环安设有活动插销孔，插销使用B19的钎杆或同等强度的材质制作，吊环数量为9个，其中6个使用，3个备用。

5)每条前探梁采用2个吊环、按巷道中线平行吊挂在巷道顶板且靠近迎头的锚杆下。前探梁上方采用2块规格长×宽×厚=3400mm×400mm×50mm的木背板和木楔背顶，与顶板紧贴。木背板垂直于巷道中线方向，在相邻的两条前探梁上安设。背板两端超出前探梁的长度要均匀一致。现场备有4块背板，其中2块使用，2块备用。

6)木背板使用木楔背实，保证与顶板接实。

3.3 永久支护施工工艺

顶板：采用左旋无纵筋高强螺纹钢锚杆端头锚固，顶锚杆规格：∅20mm×2200mm，锚杆间排距为800mm×800mm，每根锚杆使用一卷MSCK-2370型锚固剂，顶锚杆锚固力不小于80kN，扭矩力100N·m，锚杆托盘规格为：长×宽×厚=120mm×120mm×10mm蝶形托盘，并配球形垫圈和阻尼垫，顶网片∅6.5mm钢筋网片，网格100mm×100mm，搭接100mm，搭接处用14#铁丝双股双排扣绑扎连接，网扣间距100mm。锚索支护：规格∅17.8mm×8300mm，锚索间排距1500mm×1600mm，每根锚索使用2卷MSCK-2370型锚固剂，每根锚索使用1块300mm×300mm×16mm钢板压制成型锚索托盘，并配套球形垫圈机KM-18锁具，锚索预紧力不小于120kN。

非采帮：采用左旋无纵筋高强螺纹钢锚杆端头锚固，帮锚杆规格：∅18mm×1800mm，帮锚杆间排距为900mm×900mm，每排3套，锚杆锚固力不小于80kN，扭矩力100N·m，锚杆托盘规格为：长×宽×厚=120mm×120mm×10mm蝶形托盘，并配球形垫圈和阻尼垫，每根锚杆使用一卷MSCK-2370型锚固剂；网片采用10#铁线编制的金属菱形网，规格2500mm×2200mm，网格50mm×50mm，搭接200mm，搭接处用双股14#铁丝双股双排扣绑扎连接。

采帮：采用玻璃钢锚杆端头锚固，锚杆规格：∅18mm×1800mm，锚杆间排距900mm×900mm，玻璃钢锚杆托盘为Ф125mm×12mm圆形托盘，锚杆锚固力40kN，扭矩力40N·m，每根锚杆使用一卷MSCK-2370型锚固剂；网片采用塑料网片(带钢丝阻燃)，规格2500mm×10000mm，网格50mm×50mm，搭接200mm，搭接处用双股14#铁丝双股双排扣绑扎连接。

补打单体柱：110302工作面切眼开口10m范围使用锚网索+单体+π型梁，间排距2900mm×1000mm，110302工作面切眼10m后采用锚网索+单体(柱鞋+柱帽)支护，间排距2900mm×1500mm，煤机硐室段使用一排间距1000mm的单体(柱鞋+柱帽)支护，端头支架扩帮段使用一排间距800mm的单体(柱鞋+柱帽)支护，当顶板破碎根据实际需要缩小单体的排距。

切眼巷道支护方案如图3、图4所示。

图3 切眼巷道支护剖面(mm)

图4 切眼巷道支护平面图(mm)

4 巷道支护效果观测

切眼巷道表面位移的测试采用“十字布点法”，在巷道两帮及顶底板各布置测点，每天定期进行观测。顶板离层情况采用顶板离层指示仪进行测试，在距切眼开口100m处布置了测站，如图5所示。

图5 切眼巷道效果监测仪器布置

切眼巷道掘进完成后巷道表面位移随时间的变化曲线，如图6所示。由图6可知：切眼巷道施工后，巷道顶底板、两帮以及顶板下沉变形均较快；在巷道揭露10d左右，围岩变形速度逐渐变慢，表明巷道围岩逐步稳定；巷道顶底板移近量在160mm以内，且主要以顶板下沉为主，顶板下沉量最大为130mm，两帮移近量最大为164mm，巷道围岩控制效果较好。

图6 切眼巷道表面位移实测曲线

切眼巷道完成后顶板离层监测结果如图7所示。由图7可知，顶板离层值在巷道围岩暴露后，随时间推移缓慢增加，但很快即趋于稳定，且总的顶板离层值控制在10mm以内；主要以浅部的离层为主，深部基本无离层；由于离层值较小，分析原因主要为浅部围岩在暴露后的膨胀扩容所致，由此可见，设计的锚杆(索)支护系统很好的保证了巷道顶板的安全，可靠性较高。

图7 顶板离层实测曲线

在巷道掘进期间锚杆受力一般在100kN以内，未超出锚杆的屈服载荷；掘进期间锚索受力在100～120kN之间，小于锚索的拉断力；锚杆、锚索工作阻力在巷道揭露后初期增长较快，但很快就趋于稳定，说明锚杆与锚索支护充分发挥了控制大断面巷道围岩变形的作用。

5 结 论

1)针对大断面切眼成功采用迈步掘进一次成巷技术，避免了后期二次扩帮与设备安装混合作业，减少人员设备时空交叉、保证了安全生产。

2)针对切眼断面大、跨度大、支护难度大的问题，采用锚杆索主动支护的技术比传统梁棚式被动支护更安全，避免了搬运抬棚的危险，采用锚杆(索)上钢带、钢筋网支护方式，利用围岩自成拱的作用力，有效的抑制了破碎顶板离层，防止冒顶事故。

3)通过现场监测的巷道表面位移量和顶板离层值，效果分析后可知，该支护参数有效控制了大断面巷道围岩变形。根据现场施工情况，整个231m长度切眼掘进历时60d，掘进效率为3.85m/d，从未发生过安全事故，该技术的使用提高了掘进效率，保障了安全。