杜兒坪礦大斷面切眼巷道支護技術研究

梁 鑫

（山西焦煤西山煤電杜兒坪煤礦，山西 太原 030000）

近年來，隨著機械化、智能化采煤技術的快速發展，綜采工作面回采設備的尺寸也顯著增大，這就導致需要施工更大斷面的切眼以滿足綜采設備的安裝及通風需要[1-3]。切眼斷面越大，圍巖條件越復雜，其施工及支護難度越大[4-6]。本文以山西焦煤西山煤電杜兒坪礦73907 綜采工作面大斷面切眼施工為工程背景，采用數值模擬與現場試驗相結合的方法，探究大斷面切眼矩形巷道的支護技術。

1 工程概況

杜兒坪礦73907 綜采工作面開采3 號煤層，煤厚3.06～3.80 m，平均3.40 m，煤層結構復雜，含0～2 層總厚0～0.9 m 的夾矸，平均0.4 m，夾矸巖性泥巖。煤層傾角1°～10°，平均5°，屬較穩定煤層。煤層頂板為粉砂巖，底板為砂質泥巖，煤層頂底板情況詳見表1。

表1 煤層頂底板情況

73907 工作面位于南九盤區，北接南九皮帶巷，南距杜兒坪斷層370 m，東距73907 回采工作面284 m，西部為實體煤。73907工作面由73907軌道巷、73907 皮帶巷、73907 切眼組成，切眼設計長163 m，巷道埋深430 m。

2 切眼圍巖控制技術

2.1 切眼導硐支護設計

切眼導硐凈斷面為4800 mm×3300 mm，采用錨網索聯合支護，支護參數如下：

頂板：采用Ф22 mm×2400 mm 左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1000 mm×1000 mm，150 mm×150 mm×10 mm 球型鋼板托盤，施加預緊力不小于160 kN。頂錨索采用Ф17.8 mm×6300 mm 預應力鋼絞線，間排距為2000 mm×1500 mm，250 mm×250 mm×16 mm 碟型鋼板托盤，施加預緊力不小于300 kN。頂板錨桿配合使用規格為4300 mm×220 mm×3 mm 的W鋼帶及規格為900 mm×3000 mm的菱形金屬網。

巷幫：西幫錨桿采用Ф18 mm×1700 mm 左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1000 mm×1100 mm， 110 mm×110 mm×10 mm 碟型托盤，施加預緊力不小于140 kN，使用450 mm×220 mm×3 mm W護板及900 mm×3000 mm 菱形金屬網；東幫采用Ф18 mm×1700 mm 左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1200 mm×1500 mm，110 mm×110 mm×10 mm 碟型托盤，施加預緊力不小于140 kN，使用450 mm×220 mm×3 mmW護板及900 mm×3000 mm菱形金屬網。

2.2 切眼導硐二次擴刷及支護設計

切眼導硐擴刷后凈斷面8500 mm×3300 mm，“錨網索+木垛”聯合支護，支護參數如下：

待切眼導硐施工完畢后，沿其東側巷幫向東擴刷3700 mm 以達到切眼設計斷面尺寸。在切眼導硐擴刷期間，切眼導硐擴刷范圍頂板支護方式及支護參數與切眼導硐相同，擴刷后的切眼東幫與切眼導硐東幫支護方式及參數一致，切眼頂板支護與切眼導硐頂板支護方式及參數一致。

巷道頂板增加錨索組壓網支護，采用3 花布置，距西幫側2.0 m 布置1 排，距西幫側3.8 m 布置1 排，距西幫側6.5 m 布置1 排。錨索組間距4.0 m，錨索規格為Φ17.8 mm×8300 mm 低松弛鋼絞線，鋼板托盤規格為600 mm×600 mm×16 mm。擴幫后，在切眼支設一排距巷道東側2300 mm、間距15 000 mm 的木垛。擴刷完成后的切眼支護斷面如圖1。

圖1 擴刷后的切眼支護斷面（mm）

2.3 大斷面切眼支護強度驗算

鑒于73907 工作面切眼斷面較大，為確保圍巖變形控制效果，對73907 工作面切眼支護強度進行驗算。當73907 工作面切眼由切眼導硐擴刷至設計切眼斷面尺寸后，可采用公式（1）計算最大冒落高度下切眼頂板覆巖質量G：

式中：D為切眼設計斷面寬度，取8.5 m；h為切眼頂板巖層最大冒落帶高度，結合3 號煤層頂板覆巖情況，取3.2 m；γ為切眼頂板巖層平均容重，取23 kN/m3。將數據帶入式（1）計算得到73907 工作面切眼在擴刷至設計斷面尺寸后，G=625.6 kN/m。

為確保所采用支護方案對73907 工作面切眼頂板圍巖的支護效果，在進行支護強度驗算時不考慮錨桿及其他支護措施，只考慮錨索對切眼頂板的支護效果?？赏ㄟ^公式（2）計算單位長度頂板錨索作用到切眼頂板的支護強度P：

式中：N為切眼頂板每排錨索數量，取5；P1為錨索錨固力，取360 kN；η為錨索錨固效率，取0.8；d為切眼頂板錨索排距，取1.5 m。將數據帶入式（2）計算可得P=960 kN/m ＞G=625.6 kN/m。

綜上所述，當73907 工作面切眼按照設計斷面尺寸施工完畢后，在不考慮頂板錨桿及其他支護措施，僅考慮錨索支護效果，即切眼頂板支護全部由錨索承擔的情況下，錨索支護安全系數為P/G=960/625.6=1.5。

2.4 數值模擬

數值模擬過程中，切眼巷道一次開挖4.8 m×3.3 m、二次擴幫3.7 m×3.3 m，三維模型尺寸為85 m×33 m×750 m。計算過程中錨桿索的模型長度取值為原來的10倍，模型的上面設置為自由面，中部四面設立約束法向自由度，底面設置為約束自由度。巖層自重產生的應力可以在模型的頂部施加10 MPa 的垂直壓應力。巷道圍巖位移如圖2。

圖2 巷道圍巖位移云圖

由圖2 可以看出，切眼巷道擴刷且支護完成后，巷道頂板的最大下沉量為10.5 mm，底板最大隆起量為10.7 mm，巷道兩幫最大移近量為2.9 mm。這是由于切眼巷道的4.8 m 位置沿頂板的軸線方向支設一排距巷道東側2300 mm、間距15000 mm 的臨時木垛，支撐巷道頂板，同時增加錨索組壓網支護技術進行加強支護，有效控制了頂板圍巖的變形。

3 工業性試驗

采用兩點位移計以及多點位移計測量巷道頂板離層量，分別在切眼40 m、70 m、110 m、160 m位置處布設1#、2#、3#、4#測站，位移計的深度分別設計為2.5 m、8.5 m。頂板離層變化曲線如圖3。

圖3 不同測站巷道圍巖表面位移情況

由圖3 可以看出，頂板離層量與時間存在著密切關系，離層量變化具有階梯性。

在巷道開始掘進時，錨桿可以發揮其支護作用，直接頂產生較小的離層；隨掘進時間的發展，頂板淺部離層量開始增大，淺部離層量最大值為6.3 cm，深部離層量最大值為3.1 cm，巷道頂板整體較穩定。

4 結語

1）為有效控制大斷面切眼巷道圍巖變形，提出采用“錨網索+木垛”聯合支護方式控制巷道圍巖變形，并通過數值模擬驗證了該支護方案的有效性。

2）現場實測結果表明：73907 工作面切眼在掘進期間，頂板淺部離層量最大值為6.3 cm，深部離層量最大值為3.1 cm，巷道頂板整體較為穩定，聯合支護方案抑制了巷道圍巖變形，滿足設計要求。