急倾斜厚煤层综放工作面开切眼支护技术

马燕超

（冀中能源峰峰集团有限公司，河北 邯郸 056000）

峰峰集团天顺煤矿1101WX3急倾斜厚煤层切眼掘进采用光面爆破3次掘扩成巷的施工方式，先钻孔导硐后掘进和扩刷。切眼采用钻机由下向上沿煤层倾角打设钻孔并扩孔，形成运煤系统，再由上向下依次掘进小断面巷道和切眼扩刷，最终达到切眼设计断面的要求，此方案可减少开切眼施工的安全隐患，有效防止切眼内顶板垮冒，确保急倾斜厚煤层开切眼安全掘进。

1 概 况

天顺井田位于新疆巴里坤矿区石炭窑向斜构造南翼的中部，主要构造呈向北偏东倾斜的单斜构造，地层倾角平均59°，最大78°。实验的1101WX3工作面位于井田浅部的11采区，该工作面埋藏深度221～165 m，煤层厚度3.5～6.2 m，平均厚度4.9 m，煤层倾角平均54°，局部倾角60°，煤层稳定，结构简单，无夹石。直接顶为粉砂岩，厚度28.52 m，顶板单轴抗压强度68.6 MPa，抗拉强度4.83 MPa，直接顶容重25.3 kN；直接底为粉砂岩，厚度6.67 m，单轴抗压强度44.23 MPa，抗拉强度3.17 MPa。煤体内摩擦角38.4°。采煤面沿煤层走向开采，回采长度260 m，斜长65 m，切眼采用伪斜布置。

2 急倾斜大断面切眼支护参数确定

2.1 临时支护

使用金属前探梁，前探梁前端应有效接触顶板，后端压紧褙实，维护好迎头顶板。顶板破损时打设超前锚杆支护，确保临时支护可靠、有效。

2.2 切眼掘进施工顺序

切眼为大倾角，跨度大，施工顺序采取由上向下分3次掘扩成巷，首先切眼内沿煤层倾角（煤层底板）钻孔导硐并扩孔，形成直径0.8 m规格的溜煤眼，由上向下沿溜煤眼掘进宽2.4 m、高2.5 m的小断面巷道，再继续由上向下扩掘，切眼两帮各扩2.3 m小规格，扩完一帮后，再扩另一帮，最终完成7 m宽切眼，高度均为2.5 m。

2.3 切眼支护方式

掘进巷道2.4 m宽时，采用锚索+W钢带+矿用塑料网支护；7 m宽时，采用锚索+W钢带+矿用塑料网+液压点柱支护。均为煤巷矩形断面。

2.4 切眼支护参数及质量要求

2.4.1 切眼钻机导孔施工溜煤眼

利用矿井全液压钻机进行施工，先由工作面运输顺槽用φ89 mm合金钻头由下向上施工导孔，导孔施工完毕，采用φ200 mm合金钻头三花眼布置进行扩孔，直至形成φ800 mm导孔，形成溜煤通道和运煤系统。

2.4.2 首次切眼掘进（巷宽2.4 m规格）

巷道顶板使用锚索+W钢带+双层矿用塑料网支护。每条钢带配合3根φ15.24 mm×75 00 mm锚索（锚索采用15.24 mm高强度低松弛钢绞线制成，强度级别为1 860 MPa，最小破断力不小于260 kN）。锚索均安设在巷道顶板与顶板呈90°，锚索间排距900 mm×800 mm，每根顶锚索均打在W钢带眼中。每根锚索孔内使用3支（1支CK2360和2支K2360）树脂锚固剂，锚索预紧压力不小于30 MPa，锚索托板为150 mm×150 mm×15 mm钢板，锚索露出锁具长度为150～250 mm。每条钢带背面（平面）紧贴巷道顶板布置，塑料网之间搭接均为100 mm，每隔100 mm使用14号铁丝绑扎一道。顶板锚索先打设中间眼，再打设两帮眼。

巷道两帮各采用4根φ20 mm×2 000 mm高强螺纹钢锚杆及双层塑料网封帮支护，第一根距顶200 mm打设，依次往下间距700 mm，排距800 mm；每根锚杆孔注入2支（1支CK2360和1支K2360型）树脂锚固剂进行锚固，每根锚杆托板为120 mm×120 mm×8 mm钢板。锚杆露出螺母长度10～50 mm，每根锚杆的预紧力不小于150 N·m。塑料网之间搭接均为100 mm，每隔100 mm使用14号铁丝绑扎一道。

2.4.3 二、三次施工扩切眼（巷宽7 m规格）

待切眼规格为2.4 m宽巷道施工完毕形成系统后，两帮各扩2.3 m，达到切眼7 m宽规格。扩完一帮后，再扩另一帮，巷道顶板使用锚索+W钢带+双层矿用塑料网+液压点柱支护。顶、帮支护方式同切眼首次掘进时相同，钢带布置与首次掘进钢带布置错距400 mm。W钢带长2 400 mm，宽280 mm，厚5 mm。液压点柱φ100 mm，高3.15 m。

2.4.4 切眼液压点柱支护

切眼扩帮时，必须及时打上液压点柱。液压点柱中间两排沿切眼中心线对称布置，间距2.4 m，剩余两排距巷道两帮分别为0.8 m，排距均为0.8 m。液压点柱初撑力不得小于11.5 MPa，点柱必须垂直顶底板打设，保证迎山有劲，柱头必须打柱帽与顶部W钢带紧贴严实，并使用尼龙绳固定（栓牢柱头）在顶板网片上，每根单体液压点柱必须穿铁鞋，且底板留有200 mm的柱窝，每排点柱栓设3道绳连锁，防止下倒。切眼扩帮只允许单向施工，扩完一帮，方可再扩另一帮，严禁两帮同时进行扩掘。

顶锚索+W钢带+帮锚杆+矿用塑料网永久支护要跟头支护，不能滞后，液压点柱支护滞后1.6 m打设。W钢带必须紧贴顶板，当巷道遇构造、煤体破碎松软、巷道有淋水时或局部顶板破碎出现顶空时，必须在顶空区域补打锚杆，并及时缩小顶、帮锚网索支护间排距，提高巷道支护强度。支护设计如图1所示。

图1 切眼支护设计示意Fig.1 Support design of open-off cut

2.5 支护参数验算

2.5.1 顶板锚索长度L

式中：L为锚索总长度，m；La为锚索打设到较稳定岩层的锚固长度，m。；Lb为需要悬吊的不稳定岩层厚度，取4.5 m；Lc为托板及锚具的厚度，取0.15 m；Ld为外露张拉长度，取0.25 m。

式中：K为安全系数，取1.5；d1为锚索直径，取0.015 24 mm；fa为锚索抗拉强度，N/mm2，取1 860 N/mm2；fc为锚索与锚固剂的粘合强度，取33 N/mm2。

计算可得La≥0.32 m，根据经验，取值2 m符合规定。

L=2+4.5+0.15+0.25=6.9 m

该切眼沿煤层底板掘进，预计托顶煤4.5 m，锚索在顶板上矩形均匀布置，结合矿井煤巷锚索支护经验，取L=7.5 m。

2.5.2 顶锚索间、排距

锚索步距距（So）和排距（S1）根据每根锚杆悬吊的岩石重量确定，通过等距排列，即a=So=S1，则

式中：a为锚索间排距；Q为锚索设计锚固力，150 kN/根；K为锚索安全系数，一般取1.5～2；γ为岩体容重，取25.3 kN/m3；煤体容重取15.8 kN/m3，综合取值18.7 kN/m3；L2为锚索有效长度，取6.5 m。

设计间排距应≤0.907 m，取排距0.8 m，间距0.9 m符合要求。

2.5.3 悬吊理论校核锚索排距

式中：L为锚索排距；B为巷道最大冒落宽度，7 m；H为巷道最大冒落高度，2 m；γ为煤体容重，15.8 kN/m3；F2为锚索极限承载力，260 kN；n为锚索排数，取1。

则：L≤1.17 m，取排距0.8 m符合要求。

2.5.4 锚索数目

锚索数目的校核，应满足式（5）。

式中：N为锚索数目；K为安全系数；1.5；P断为锚索最低破断力，260 kN；W为被悬吊岩石的自重，kN。

式中：B为巷道掘进宽度，7 m；D为锚索间排距，0.8 m；∑h为需要稳固的岩石高度，取6.5 m；∑γ为需要稳固的岩石平均容重，取18.7 kN/m3。

则W=680.68 kN

N≥3.9，设计取值9，符合要求。

2.5.5 帮锚杆设计参数

根据秦巴列维奇理论计算巷道围岩破坏范围，巷道两帮煤体破坏深度见式（7）。

式中：H为巷道中高，取2.5 m；α为煤层的内摩擦角，取38.4°。

则C=1.97 m。

根据以上计算，设计选用左旋无纵筋等强锚杆，杆体材质为3号钢，L=2 m，d=20 mm，符合要求。

2.6 支护效果分析

通过顶板离层仪观测表明，围岩深部位移受初掘和刷大的影响，刷大时导致深部位移明显增大。由于锚网索支护结构整体性较好，加上中间支柱的支撑作用，虽然切眼跨度较大，但采用“锚索+W钢带+矿用塑料网+液压点柱支护”联合支护技术后，巷道顶板无明显离层，巷道围岩得到有效控制。

3 针对切眼施工存在难题及采取措施

针对切眼存在巷道施工、运料及人员上下非常困难，特别是由于切眼倾角较大，爆破后煤矸自然滑落，无稳定工作平台、巷道易飞矸伤人，急倾斜煤层拖煤顶掘进存在顶板维护难度大等问题，研究制定一系列解决方案。

（1）解决人员行走困难。采用人矸分离的方法施工。人行道侧使用铁梯子作为行人时的台阶，铁梯子距离迎头不超过1 m，铁梯每隔2 m两帮使用锚杆固定在底板上，使用棕绳作为防护绳，人行道一侧为钢梯扶手，另一侧为护绳。

（2）解决掘进迎头施工困难。爆破作业时搭建工作平台。使用2根圆木、圆环链及木板搭建工作平台。将圆木一头固定在链子上，一头埋入迎头预先掏出的柱窝内，并固定牢固。

（3）防飞矸损伤顶板支护结构措施。由于切眼倾角大，远远大于煤矸自然安息角，在重力作用下，煤矸爆破，（人工出矸）后加速下落，撞击顶板，损伤顶板锚固支护结构，使破碎顶板层理、节理结构面进一步发育；为防止飞矸损伤顶板支护结构，采用顶板吊挂废旧胶带的方式柔性抗冲击，吸收动能，阻止其弹射撞击顶板损伤支护结构。

（4）顶板稳定控制措施。针对煤层节理或裂隙发育等特殊顶板情况，对顶板松散破碎范围内的煤体巷道使用点锚和超前锚杆支护，通过锚杆支护作用对松散破碎区内的围岩进行组合梁加固和锚索的补强支护，将其和深部围岩形成一个整体顶板，进一步强化内承载结构的承载能力。另外，在切眼内及时打设4排液压点柱，确保支护系统稳定性。

（5）切眼局部底板加固措施。由于切眼倾角较大，切眼上下端头煤层底板留三角煤处采取局部加固措施，采用φ18 mm×1 800 mm全螺纹等强锚杆，每根锚杆配合120 mm×120 mm×8 mm托板，五花交错布置，间排距1 400 mm×1 400 mm，底板铺设菱形金属网，每200 mm用铁丝连接。

4 结 论

（1）采用矿用全液压钻机施工导孔开切眼的方法，其工作环境和安全状况都较普通炮掘导洞施工优越，钻机导孔施工具有钻进效率高、施工速度快、操作简单、工人劳动强度低等诸多优势，消除了类似条件炮掘过程中的诸多安全隐患。钻机导孔施工技术正成为天顺矿业急倾斜煤层工作面开切眼或绕道优先采用的方法。

（2）“锚索+W钢带+双塑料网+液压支柱”联合支护技术具有支护强度大、时效性强、适应性强、经济合理等特点，支护切眼的效果更好，实现安全作业，达到了工作面迅速安装及矿井的安全高效生产。该技术缓解了急倾斜厚煤层放顶煤工作面托顶煤掘进支护切眼的困难，有效控制了切眼的变形量，单体液压支柱对顶板适应能力强，每次施工前对点柱进行二次注液，及时有效控制了顶板变形，确保大断面切眼巷道顶板的安全和使用空间。

（3）该联合支护技术形成了高强度、高锚固点及高承载结构的支护技术，实现了巷道围岩的稳定控制，为同等地质条件下的切眼掘进施工提供了技术支撑，减少掘进和维护费用。