采煤工作面大断面切眼掘进及支护技术研究

孟光华

（山西焦煤汾西矿业正善煤业，山西 孝义 032300）

引言

切眼是采煤工作面安装位置以及工作面煤炭开采起点，切眼掘进效率以及围岩支护效果会直接影响开采设备安装效率以及回采安全[1-2]。现阶段矿井巷道围岩支护强度普遍较高，不仅增加了支护成本，而且增大了支护耗时[3-5]。出现巷道支护强度过大的主要原因有:支护设计时未将围岩与支护结构作整体考虑；为提高支护效果，片面增加支护材料布置密度以及支护材料强度；锚杆、锚索等支护材料作用未能充分发挥[6-8]。合理的切眼支护方式不仅可满足围岩控制需要，而且可显著提升切眼掘进效率。为此，本文以1503 切眼掘进为背景，依据现场实际情况对掘进以及切眼围岩支护技术展开分析，以期为其他矿井类似情况下大断面切眼掘进工作提供参考。

1 1503 综采工作面工程概况

1503 综采工作面回采15 号煤层，煤层埋深均值390 m，采面设计推进长度1 359 m、倾斜长度185 m。15 号煤赋存稳定，煤厚0.85～7.02 m、均值3.1 m，煤层倾角6°，煤层裂隙及节理发育，顶底板为碳质泥岩、砂质泥岩、细砂岩以及粗砂岩。在采面运输巷内取样进行测试，并对切眼顶板岩性进行分级，确定围岩等级为Ⅲ类，为中等稳定围岩。具体现场测试取得的15号煤层顶板岩层力学参数见表1。1503 综采工作面切眼从采面运输巷侧向回风巷侧掘进，设计净宽7.5 m、净高3.1 m。

表1 顶板岩体力学参数

2 切眼掘进及支护技术

2.1 切眼掘进

切眼掘进工艺依据工程类比法确定，依据1501、1502 综采工作面切眼掘进方案以及现场应用情况，1503 切眼沿15 号煤层掘进。1503 工作面切眼断面为矩形，净高3.1 m、净宽7.5 m，切眼分两次掘进，施工时先施工净宽4.5 m、净高3.1 m 导硐，导硐前10 m 施工采用风镐；掘进10m后采用综掘机（型号EBZ-160TY）沿煤层底板掘进，并自动完成装载、运输；综掘机每次破煤深度为1.0 m。待导洞施工完成后，再对导硐进行刷扩，刷扩断面高度3.1 m、宽度3.0 m。

2.2 切眼围岩控制

由于1503 工作面切眼断面大，围岩内应力存在一定程度集中，因此在对围岩进行控制时需要强化支护。因此在1503 切眼围岩控制采用锚网索并配合工字钢方式进行支护。具体切眼导硐施工期间通过锚网索方式控制围岩，在导硐刷扩时采用锚网索+工字钢组合方式进行补强支护，具体大断面切眼围岩支护设计如下页图1 所示。

图1 切眼围岩支护示意图（单位：mm）

切眼围岩支护时锚杆材质为BHRB500、直径22 mm 螺纹钢锚杆。在导硐施工期间，顶板布置5 根锚杆，间排距950 mm、1 000 mm；巷帮各布置3 根Φ22 mm×1 900 mm，间排距1 100 mm、1 000 mm。切眼刷扩段顶板锚杆布置4 根，间排距800 mm、1 000 mm，巷帮3 根Φ22 mm×1 900 mm 锚杆，间排距1 100 mm、1 000 mm。锚杆均垂直顶板、巷帮施工，施加预紧力400 N·m。巷道采用W 钢带护表，在切眼导硐施工期间使用规格BHW-280-4-4100-4 型W 钢带护表，导洞刷扩完成后采用规格BHW-280-4-2700-4 型W钢带护表。导硐、刷扩段护表分别用4 900 m×1 200 mm、3 000 mm×1 200 mm 金属网，留设网孔规格为50 mm×50 mm。

切眼支护时采用的锚索规格为Φ22 mm×7 300 mm，在导硐施工时锚索按照“二三”布置，2 根、3 根锚索时锚索距离巷帮间距分别为1 500 mm、750 mm，锚索间距均为1 500 mm；导硐刷扩后锚索在导硐刷扩范围内按照“二一”方式布置，布置2 根、1 根锚索时锚索与巷帮间距分别为1 500 mm、1 900 mm，锚索间距均为1 500 mm。配套用300 mm×300 mm×14 mm 高强度金属托盘，预加的预紧力为300 kN。

2.3 切眼刷扩工字钢补强支护

2.3.1 超前支护

在距离刷扩帮煤壁500 mm 范围内，采用长度5 000 mm、规格11 号工字钢，以及单体支柱按照“一梁三柱”方式构成迈步式超前棚对顶板进行支护。支护采用的单体三向阀均应朝向柱体，手把均超前同一方位。超前支护距离控制在20 m 以上，同时应紧跟切眼刷扩工作面进行布置。

2.3.2 补强支护

采用工字钢、单体支柱构成抬棚进行补强支护，采用的11 号工字钢长度为5 000 mm，架设棚距为900 mm，采用“一梁三柱”布置形式。在补强支护时，单体应布置成一条直线。为满足后续综掘机破煤时截割头摇摆需求，在掘进迎头综掘机截割头影响范围内暂时不架设工作钢架棚；在综掘接机身至转载机位置段按照“一梁两柱”方式架棚，转载机以外位置按照“一梁三柱”方式架棚。

3 切眼围岩控制效果分析

在1503 工作面切眼掘进以及支护完成后，对切眼围岩变形量进行持续监测，具体监测结果如图2所示。

图2 切眼围岩变形监测结果

从监测结果看出，切眼围岩变形可分为4 个阶段，其中0～35 d 为切眼导硐施工阶段，期间围岩变形量值变化较大，围岩变形受导硐施工影响明显；在35～50 d 内切眼围岩变形量较为稳定，增加不明显，属于切眼导硐围岩稳定阶段；在50～89 d 内切眼开始进行刷扩，围岩变形量呈快速增加趋势；90 d 以后切眼刷及支护完成，围岩变形趋于稳定。

从整个切眼围岩变形监测结果看出，切眼顶底板、两帮收敛量值分别稳定到113 mm、91 mm，切眼围岩变形量在较小范围内，表明大断面切眼采用的锚网索、工字钢架棚支护技术方案可满足切眼围岩控制需求，可为后续采面综采设备安装创造良好条件。

4 结语

随着大功率设备应用范围逐渐广泛，切眼断面呈不断增加趋势，给切眼掘进以及围岩控制带来新的挑战。1503 工作面切眼净宽为7.5 m、净高3.1 m，为实现切眼围岩稳定，提出分两次施工切眼。第一次用综掘机施工净宽4.5 m、净高3.1 m 导硐，后刷扩导硐将切眼刷扩至设计断面，降低切眼掘进难度；综合使用锚网索、架棚方式对大断面切眼围岩进行控制。现场应用后，切眼得以安全快速掘进，围岩变形量较小，可满足切眼后续使用需要。