劉孟凱,蘭永平,鄒云峰

大綜采大斷面大跨度的切眼支護是煤礦安全管理一大難題。山西霍寶干河煤礦綜采設備選用大采高支架,要求其安裝的切眼斷面及跨度相應較大。切眼掘進支護效果和成敗,直接關系到綜采工作面快速、安全安裝,為確保大斷面切眼安全施工,該礦對桁架錨索支護進行了現場考察和咨詢,在充分研究與分析該礦巖層條件及錨索技術應用經驗的基礎上,確定在8.6 m大跨度切眼施工中,采用錨網梁 +W鋼帶 +桁架錨索 +單體支柱聯(lián)合支護。

1 2-101掘進工作面概況

2-101掘進工作面是該礦首采工作面,地面標高 +514～+662 m,煤層埋藏深度 420～500 m,走向長 2 140 m,切眼長度 208 m,工作面共揭露斷層 23條,其中 4 m以上 8條。受 101副巷 28 m斷層影響,工作面切眼分別布置為151 m和57 m兩個切眼。2#煤厚4.2 m,基本頂為 4 m厚細砂巖,直接頂為 5 m厚細砂巖、泥巖,直接底為 1.4～3.0 m厚粉砂巖;回采面綜采設備為 ZY9000/25.5/55型掩護式液壓支架,采煤機選用MGTY750/1800雙滾筒電牽引,刮板運輸機選SGZ1000/1400型,為滿足切眼支架安裝和膠輪車安裝需要,切眼斷面設計毛寬 8.6 m,巷高 3.5 m,切眼兩端各10 m范圍跨度毛寬9.6 m,下端頭布置有膠輪車調頭硐室及絞車硐室,形成十字交叉大斷面,該處懸頂最大面積達 186 m2。2-101工作面切眼于 2008年 4月開始施工,工期 60天。

2 桁架錨索支護作用原理

桁架錨索支護是一種在巷道頂板的水平和鉛垂方向同時提供擠壓應力的主動支護形式,它由鋼絞線、專用連接器、鎖具、錨固劑組成,見圖 1。

圖 1 桁架錨索示意圖

其內錨固點為巷道兩幫煤巖體的上方深部巖體,與傳統(tǒng)的錨索支護相比,桁架錨索的支護機理發(fā)生了重大改變：1)增加了支護結構的穩(wěn)定性,普通錨索隨頂板變形載荷迅速增加,容易被破壞,而桁架錨索受力隨頂板巖體彎曲,兩幫錨固點內移,形成閉鎖結構,受力增加緩慢,支護結構不易失效。2)保證錨固力,普通錨索的錨固點在巷道頂板的正上方,頂板離層后,錨固區(qū)巖石被破壞,使錨固力減弱,而桁架錨索的錨固區(qū)在巷道兩幫上方的深部巖體,處于三向高壓應力狀態(tài),錨固區(qū)不易被破壞。3)桁架錨索的支護機理和桁架間距密切相關,間距小時,支護作用以擠壓加固作用為主,而且主要取決于預應力的大小;間距大時,懸吊作用更加突出,可阻止頂板下沉,防止冒頂事故發(fā)生。4)改善錨固區(qū)圍巖應力狀態(tài)。錨固區(qū)內煤巖層作為一個整體運動形成一個組合梁,由于錨固區(qū)巖梁是對稱的,且其彎曲是向下平面彎曲,錨固巖梁中心軸的計算公式為：

式中：

σ—梁內部所受壓 (拉)應力;

Mz—梁內部所受彎矩;

y—距中性軸的距離;

Iz—錨固區(qū)巖層組合梁的慣性矩;

ζσmy—錨索拉應力在錨固區(qū)巖梁的水平分力。

其中,

式中：

α—錨索的水平傾角。

由式 (2)可知,錨固區(qū)組合巖梁的中性軸下降了ζσmyIz/Mz。中性軸下移而使大部分錨固區(qū)巖體處于壓應力狀態(tài),保證了圍巖的穩(wěn)定性。

3 101綜采切眼大斷面支護設計

3.1 支護材料的確定

1)為提高桁架錨索支護強度,該礦選用了 d 17.8大直徑鋼絞線。

2)在以往采用 d22 m×2.5 m高強錨桿基礎上,為增強支護結構的整體性和減小直接頂變形,對以往鋼筋梯子錨梁變?yōu)閃鋼帶。

3)考慮頂板壓力大,為加強掘進迎頭的臨時支護,防止頂板離層,刷擴前在切眼斷面偏中超前支設一排單體支柱,并“穿鞋戴帽”,間距 1.6 m/根。

3.2 切眼支護形式及參數

頂板采用錨桿 —網 —W鋼帶 —桁架錨索 —單體支柱聯(lián)合支護。

1)切巷掘進時,頂錨桿采用規(guī)格為 d22 mm ×2 500 mm的左旋螺紋鋼高強錨桿“七、七”矩形布置,間排距為 800 mm ×800 mm,每根錨桿配 Z2388型和 CK2340型錨固劑各 1條,頂板角錨桿與鉛垂線成15°夾角,其余錨桿角度與頂垂直布置。W型鋼帶規(guī)格為 5 000 mm ×220 mm ×30 mm(長 ×寬 ×高 )。桁架錨索與單體錨索成“三、三”交替布置,錨索排距1.6 m。桁架錨索規(guī)格為 d17.8 m ×11.4 m,單體錨索規(guī)格為 d17.8 m ×10.3 m?？咨?10 m,每眼配 CK2340型錨固劑 1條和 Z2388型錨固劑 4條。

2)切巷擴刷時,頂錨桿采用 d22×2 5 00mm左旋螺紋鋼高強錨桿“五、五”矩形布置,間、排距為 800 mm×800 mm,W型鋼帶規(guī)格為3.5 mm×220 mm×30 mm(長 ×寬 ×高)。桁架錨索與單體錨索成“三、三”交替布置,錨索排距 1.6 m,見圖 2。

圖 2 2-101三切巷斷面圖

3.3 巷幫支護

巷道掘進時,煤柱側幫部支護采用錨網鋼筋梯子梁支護,錨桿規(guī)格為 d22 mm ×2 500 mm左旋螺紋鋼高強錨桿,每排 4根錨桿,間、排距為 950 mm ×800 mm。鋼筋梯子梁采用 d14 mm鋼筋焊接而成,長度2.95 m;刷擴側的煤幫采用 d14.6 mm×1 600 mm普通端錨桿配合木托板支護,錨桿間排距 1 000 mm ×800 mm,每排布置 3根錨桿,切眼擴刷施工時,對端錨桿進行回收。

切巷擴刷煤壁側的支護,考慮到回采割煤時高強錨桿對采煤機損壞,故采用 2.0 m玻璃鋼錨桿,錨桿間排距 950 mm ×800 mm,每排布置 4根。

4 切眼施工工藝及技術要點

4.1 掘進工藝

2-101切眼設計斷面 30.1 m2,采用先小斷面掘進 (寬 5 m),施工到位后,再擴刷達到設計 8.6 m寬,掘進開口 30 m采用爆破落煤,40 t溜子運輸,30 m后采用綜掘機掘進。

4.2 技術要點

1)頂錨桿初錨力不小于 200 N·m,幫錨桿初錨力不小于 180 N·m,高強錨桿錨固力不低于 120 kN,錨索預緊力不低于 30 MPa。錨桿、錨索有失效或不合格的,必須及時補打。2)錨桿、錨索安裝質量必須符合設計要求,尤其是錨索安裝角度。3)必須采用隨掘隨錨的循環(huán)作業(yè)方式,盡量減少空頂時間。4)切巷頂板位于巷中的錨桿采用雙螺母緊固,提高緊固強度。

4.3 支護質量監(jiān)測

由于切眼大斷面施工在干河礦尚為首次,為保證施工質量,在施工期間對錨桿、錨索施工質量進行全面指導、檢查,并安設檢測儀器對頂板變化實時監(jiān)測,進行數據收集、分析,隨時掌握頂板變化和支護效果,工作面共布置離層儀 5組,液壓枕 5組。頂板監(jiān)測從 4月 17日切眼施工開始,到 6月 30日綜采開始安裝,期間礦壓顯現變化作出如下分析。

1)巷道刷擴對頂板影響較大,刷擴點過后 5日內頂板深部離層明顯,一般為 7.2 mm/d,過后 6～12日為 2.1 mm/d,12日以后趨于穩(wěn)定,見圖 3。

圖 3 離層儀趨勢圖

2)開口 40 m巷道施工時,由于桁架錨索聯(lián)接器貨源問題,頂板采用了單體錨索,該區(qū)段頂板受壓變形較大,充分說明了桁架錨索在大跨度支護上的優(yōu)越性。

3)液壓枕壓力變化,顯現明顯,平均值增加 10 MPa。刷擴期間液壓枕觀測數據反映的結果基本與離層變化一致。

5 效益分析

1)2-101大采高綜采工作面切眼采用桁架錨索支護試驗為該礦大斷面復合型頂板巷道或相似條件下巷道的圍巖控制提供了大量的科學依據,避免了支護設計中的盲目性,增加了巷道支護的可靠性,保證了施工質量,解決了困擾礦井大斷面支護的難題。

2)2-101工作面為干河煤礦首采工作面,工期緊、任務重,大斷面桁架錨索支護技術在首采面的成功應用,較好地控制了頂板的位移量,消除了頂板事故,減少了巷道維修工程,為工人施工及后期的安裝工程提供了安全便利的工作條件,保證了礦井按期投產。

6 結 論

綜上所述,在大斷面切眼施工中,采用錨桿 —W鋼帶 —桁架錨索 —單體支柱聯(lián)合支護技術,取得了良好經濟、社會效益,巷道頂板離層量小,控制在了安全范圍內,給大斷面巷道支護提供了理論依據和實踐經驗,在今后同等條件的大斷面施工中值得推廣使用。