西曲矿18503 工作面大断面开切眼围岩控制技术研究

李一飞

（西山煤电集团有限责任公司西曲矿，山西 太原 030053）

引言

煤炭作为我国的基础能源，在消费能源中占据并将长期占据主导地位。随着煤矿采掘技术的快速发展，矿井综采工作面采用的综采设备体积、功率及重量等均呈增加趋势，大功率综采设备应用在一定程度上提升了采煤工作面回采效率，但是也给综采设备安装带来较大的挑战[1]。综采工作面留设的切眼规格需满足综采设备安装需要，切眼断面积、施工技术方法决定了切眼支护形式，同时切眼宽度越大、支护难度越高。本文以西曲矿18503 综采工作面切眼掘进及支护为工程背景，对大断面切眼支护技术进行分析探讨，为后续的安装液压支架并顺利实现工作面回采创造便捷。

1 矿井综采工作面概况

西曲矿位于太原西山煤田北缘，设计生产能力为400 万t/a，煤层倾角3°～15°，平均5°左右，现主要开采煤层8#、9#，矿井面积为15.7 km2。18503 综采工作面开采8#煤层，煤层埋深390 m，煤层厚度平均厚度4.3 m，平均倾角为4.5°，煤层赋存较为稳定，为全区可采煤层。8#煤层上覆岩层以炭质泥岩、石灰岩、中粒砂岩为主；底板岩层以粉砂岩、泥岩为主，具体岩性参数，如表1 所示。

表1 8#煤层顶底板岩性参数

为了满足综采设备安装需要，采面设计宽度为8 m、高度为3.5 m，采面切眼断面整体较大，对切眼掘进及支护技有较高要求。为了实现切眼安全掘进，切眼采用先掘进小断面导硐（断面为4.0 m×3.5 m）后进行刷扩方式掘进，并通过工字钢、锚网索、单体等组合对围岩进行控制[2]。

2 工作面原有设计存在问题

结合西曲矿地质条件和相关资料总结得到18503 工作面大断面开切眼支护设计主要存在以下问题：

1）原有的支护方案设计不合理，没有考虑到大断面尺寸对切眼变形特征的影响，仍采用顺槽支护参数。

2）单体锚索仅依靠悬吊理论设计，没有把大断面水平应力作用考虑在内，未形成整体承载结构，忽略了与锚杆的协同作用[3]。

3）锚杆索选用的树脂锚固剂的型号和数量不合理。

3 大断面切眼支护技术

3.1 支护技术

锚网索支护是现阶段矿井常用支护技术，具有支护强度高、施工便捷以及支护成本低等优点。为此，采用锚网索支护方式对切眼岩层进行控制。切眼支护使用的锚杆长度L 可通过公式（1）计算：

式中：L 为锚杆长度，m；L1、L2为锚固长度、外露长度，分别取值0.4 m、0.04 m；K 为安全系数，取2；H 为顶板冒落带高度，取0.64 m。将上述参数带入公式后计算出锚杆长度为1.73 m，取1.8 m。

锚杆支护间距C 可通过公式（2）计算：

式中：C 为锚杆间距，m；Q 为锚固力，取50 kN；R 为覆岩容重，取25 000 N/m3；K 及H 含义与切眼支护使用的锚杆长度计算公式一致。将相关参数带入到公式计算得到锚杆支护间距为1.2 m，因此切眼支护使用的锚杆间距、排距均确定为1.2 m。

结合采面切眼围岩控制需要锚杆支护经验，支护采用的锚杆规格为椎20 mm×100 mm，每根锚杆使用两卷树脂锚固剂（型号Z2335）锚固，提供的锚固力在50 kN 以上；锚杆配套使用蝶形钢托盘；在顶板上配合使用网孔规格为50 mm×50 mm 的金属网。当切眼围岩条件较差时配合使用11#工字钢、单体进行补强。

切眼导硐巷帮支护参数依据工程类比法确定，考虑到后期需要对采面帮进行刷扩，为此在采面帮使用玻璃钢锚杆、在煤柱帮采用螺纹钢锚杆[4]。巷帮锚杆间排距一致，均为1 000 mm×1200 mm，单根锚杆使用2 支树脂锚固剂锚杆（锚固剂型号为Z2335），锚固后给锚杆提供的锚固力在50 kN 以上；巷帮锚杆配套使用的托盘类型为蝶形钢托盘；巷帮铺设柔性塑料网进行支护，网孔规格为50 mm×50m。具体采面切眼导硐支护设计，如图1 所示。

图1 采面切眼导硐支护参数（单位：mm）

3.2 切眼支护技术

在切眼完成导硐施工、支护后开始在刷扩采面帮，采面帮刷扩深度为2 500 mm。在切眼导硐掘进完成后围岩应力重新分布，从而会在一定程度上增加围岩裂隙发育程度以及松动圈范围，导致切眼围岩变形量增加；在对切眼采面帮刷扩后会导致切眼围岩应力二次分布，增加围岩支护难度[5]。为了确保刷扩后切眼围岩稳定，可通过适当缩小锚杆间排距来提高围岩支护强度。具体顶板锚杆间排距由1 200 mm×1200 mm缩小至900 mm×1 200 mm，巷帮锚杆间排距保持不变。顶板锚杆、巷帮锚杆分别为螺纹钢锚杆、玻璃钢锚杆。

为了提高采面切眼围岩控制效果，在刷扩后的切眼内布置2 排单体支柱，配合11#工字钢对顶板进行补强加固，单体支护间距为2 900 mm、排距为1 200 mm，具体刷扩后切眼支护设计图，如图2 所示。

图2 刷扩后切眼支护设计图（单位：mm）

4 切眼围岩控制效果分析

西曲矿18503 综采工作面切眼虽然断面较大，但是整体使用时间较短，切眼支护完成后短期围岩变形在合理范围内即可满足采面综采设备安装需要。在采面切眼采用锚杆+锚网+11#工字钢+单体支柱形式支护完成后，对切眼顶板、巷帮变形量进行监测。从监测结果可看出，切眼顶板、巷帮累计变形量分别为25 mm、73 mm，切眼断面收缩量小于设计断面积的2%，顶板以及巷帮变形不会给切眼内综采设备正常安装带来不利影响。在切眼内采用锚杆+锚网+单体支柱+11#工字钢方式可满足围岩控制需要，巷道未发生明显的底鼓现象，切眼在服务期内未发生失稳现象，总体控制效果良好[6]。切眼表面移近量现场监测结果，如图3 所示。

图3 切眼表面移近量现场监测结果

5 结论

西曲矿18503 综采工作面切眼宽度达到8 m，切眼断面较大。为此，文中提出采用先掘进切眼导硐、后进行刷扩方式掘进大断面切眼，并使用锚杆+锚网+单体支柱+11#工字钢方式对围岩进行控制；依据切眼围岩情况，采用理论计算方法、工程类比法等确定锚杆支护参数；在切眼内布置2 排单体支柱可提升顶板支护强度，确保顶板岩层稳定。现场应用后，切眼围岩保持稳定，满足了综采工作面后续的支架安装和工作面回采要求。