胡立年

（山西晉城煤炭規(guī)劃設(shè)計(jì)院，山西 晉城048000）

隨著我國(guó)高產(chǎn)高效的綜合機(jī)械化采煤的發(fā)展，松軟煤層煤礦開(kāi)切眼的支護(hù)方式越來(lái)越被要求在效率、便捷和安全上與綜采方式相配合［1－3］。針對(duì)于東方煤礦開(kāi)切眼傳統(tǒng)支護(hù)方式存在的問(wèn)題以及錨索支護(hù)技術(shù)在我國(guó)煤礦中的發(fā)展，提出了在煤礦開(kāi)切眼進(jìn)行錨桿索支護(hù)技術(shù)的研究和探索，并在2111工作面進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，取得了良好的效果。

1 現(xiàn)有支護(hù)方式及錨桿索支護(hù)的優(yōu)越性

東方煤礦2111輕放工作面開(kāi)采平均厚度為5.2m的2號(hào)煤層，煤質(zhì)松散破碎，硬度系數(shù)為0.4。老頂為中砂巖，厚度6.0m，深灰色，以石英和長(zhǎng)石為主，泥質(zhì)矽質(zhì)膠結(jié)，含水。直接頂為粉砂巖，厚度5.5m，深灰色，含有植物化石，節(jié)理發(fā)育。直接底為粉砂巖，厚度10.0m，深灰色，中部含有矽質(zhì)結(jié)核，下部砂質(zhì)明顯，含植物化石。老底為細(xì)砂巖，厚4.4m，灰色，以石英石為主，鈣質(zhì)膠結(jié)，上部為厚層狀，含云母，下部為薄層狀。開(kāi)切眼的支護(hù)方式為工字鋼對(duì)接梁支護(hù)，開(kāi)切眼支護(hù)示意圖如圖1所示。

這種傳統(tǒng)的支護(hù)方式的不足之處有：①開(kāi)切眼巷道斷面較大并且此支護(hù)方式為被動(dòng)支護(hù)，只有在礦壓顯現(xiàn)時(shí)才會(huì)起作用；②支護(hù)強(qiáng)度較低，巷道變形量非常大，礦山壓力向煤幫深處轉(zhuǎn)移，造成煤壁松散破碎，導(dǎo)致工作面初采時(shí)推進(jìn)困難，經(jīng)常發(fā)生煤壁片幫及架前冒頂事故。③工字鋼支護(hù)的工作面切眼空間狹窄，給輕放支架的運(yùn)送、安裝帶來(lái)很大困難。

圖1 開(kāi)切眼支護(hù)示意圖

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的情況和高產(chǎn)高效地機(jī)械化采煤的要求，提出將錨桿索支護(hù)應(yīng)用于開(kāi)切眼的支護(hù)的方法。

相對(duì)于傳統(tǒng)的工字鋼對(duì)接梁開(kāi)切眼支護(hù)方式，錨桿索支護(hù)的優(yōu)點(diǎn)主要有：①錨桿支護(hù)為主動(dòng)支護(hù)，能充分利用圍巖的自承能力，將荷載體變?yōu)槌休d體，有利于保持巷道圍巖的長(zhǎng)期穩(wěn)定；②錨桿索錨固技術(shù)支護(hù)能力大，材料消耗少，支護(hù)成本低；③施工過(guò)程簡(jiǎn)單便捷，安全可靠，便于綜放支架的安裝。

2 開(kāi)切眼錨桿索支護(hù)數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模擬計(jì)算

東方礦2111工作面開(kāi)切眼巷道，該面為輕放工作面，平均采深452m，煤層平均厚度5.2m。開(kāi)切眼模型為水平模型，主要研究錨桿索對(duì)開(kāi)切眼的控制效果。模擬軟件采用UDEC，開(kāi)切眼兩側(cè)為實(shí)體煤，其計(jì)算模型選取鉛垂向上為y方向，沿煤層走向?yàn)閤方向?？紤]到巷道變形的影響范圍，根據(jù)彈塑性理論，選取5倍以外的區(qū)域作為計(jì)算模型的邊界。y向頂板巖層取34.8m，上邊界加載均部載荷，簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)；底板巖層取12.6m。在x向上，左側(cè)取23m，右側(cè)取21.8m。開(kāi)切眼寬為5.2m，高2.6m，其斷面面積為13.52m2。計(jì)算模型的尺寸為50m×50m（如圖2），側(cè)應(yīng)力系數(shù)取3／4，開(kāi)切眼圍巖本構(gòu)關(guān)系采用摩爾－庫(kù)侖模型。模型上部邊界條件為應(yīng)力邊界條件，應(yīng)力為均布載荷q，其值q＝8.263MPa。下部邊界條件為位移邊界條件，在x方向上可以運(yùn)動(dòng)，y方向上為鉸支。左側(cè)和右側(cè)邊界條件為位移邊界條件，在y方向上可以運(yùn)動(dòng)，x方向上為鉸支。

根據(jù)煤礦現(xiàn)有的支護(hù)材料，首先選擇了材料的型號(hào)，頂板支護(hù)的錨索選用直徑15.24mm的1×7股錨索，錨桿選用直徑22mm的螺紋鋼錨桿，巷幫支護(hù)的錨桿選用直徑18mm的圓鋼錨桿。

針對(duì)大斷面開(kāi)切眼的設(shè)計(jì)尺寸，主要針對(duì)錨桿索支護(hù)的間排距參數(shù)設(shè)計(jì)了11個(gè)不同的模擬支護(hù)方案，見(jiàn)表1。

圖3、圖4給出了無(wú)支護(hù)狀態(tài)下方案1和錨桿索支護(hù)下方案3的巷道圍巖位移的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果。

圖2 計(jì)算模擬模型

表1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)表

圖3 圍巖位移等值線圖（無(wú)支護(hù)方案1）

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，巷道圍巖變形量見(jiàn)表2。

由表2比較顯示，在無(wú)支護(hù)時(shí)巷道會(huì)自然垮落，與兩幫的收斂相比，頂板垮落情況更加嚴(yán)重。在錨桿索支護(hù)方案中，方案3頂板采用3根錨索、8根頂錨桿和5根幫錨桿，頂板下沉量、底鼓量以及兩幫收斂都最小，說(shuō)明錨桿索支護(hù)能有效地控制頂板下沉，在實(shí)際工程中，由于錨索可打到直接頂完整穩(wěn)定巖層中，可將頂部松軟破碎煤巖層部分進(jìn)行加固并懸吊于完整堅(jiān)硬的直接頂上，采用錨索支護(hù)能夠較好的控制頂板離層；同時(shí)我們還得到如果錨索和錨桿數(shù)量的減少、排距增加會(huì)造成對(duì)頂板的控制減弱，頂板下沉量會(huì)增加，同時(shí)頂板下沉導(dǎo)致兩幫承載增大，進(jìn)而兩幫收斂加劇。

圖4 圍巖位移等值線圖（錨桿索支護(hù)方案3）

表2 巷道圍巖變形量統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)對(duì)包含上述計(jì)算內(nèi)容的全部結(jié)果的分析，錨桿索支護(hù)方案對(duì)于圍巖穩(wěn)定性控制效果最好。采用該設(shè)計(jì)方案，既可對(duì)頂部松軟破碎巷道圍巖起到加固作用、提高圍巖的強(qiáng)度，也可利用錨索懸吊作用防止頂部煤巖層產(chǎn)生離層，使頂部巖層成為一個(gè)整體，提高圍巖的自身承載能力，有效控制巷道圍巖變形。

3 支護(hù)技術(shù)方案與工程實(shí)踐

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的工程條件確定2111工作面現(xiàn)場(chǎng)的錨桿索支護(hù)方案示意圖如圖5所示。

圖5 錨桿索支護(hù)布置圖

頂板支護(hù)采用錨索、錨桿、W鋼帶和錨網(wǎng)支護(hù)，其中錨索規(guī)格為直徑15.24mm，長(zhǎng)度6500mm，每排3根，間距2600mm，排距1400mm。頂錨桿采用直徑22mm的螺紋鋼錨桿，其中角錨桿長(zhǎng)度2600mm，垂直錨桿長(zhǎng)度2200mm，每排布置8根錨桿，錨桿間距為700mm，排距為700mm。幫錨桿采用直徑18mm的圓鋼錨桿，其中上角錨桿長(zhǎng)度2200mm，水平錨桿長(zhǎng)度1800mm，每排布置5根錨桿，錨桿間距為500mm，排距為700mm。

錨桿索支護(hù)施工工藝順序?yàn)椋郝涿骸移巾攷汀佋O(shè)頂網(wǎng)→架設(shè)W鋼帶→架設(shè)臨時(shí)支護(hù)→打頂錨桿鉆孔→安裝頂錨桿→鉆錨索孔→安裝錨索→預(yù)緊錨索→打幫錨桿鉆孔→安裝幫錨桿→鋪設(shè)塑料網(wǎng)護(hù)幫→清理設(shè)備，這樣每排依次進(jìn)行。開(kāi)切眼錨桿索支護(hù)施工技術(shù)要求及注意事項(xiàng)如下：為保持切眼巷到頂幫煤體完整，使煤體自身強(qiáng)度保持最大，應(yīng)及時(shí)對(duì)開(kāi)挖出的巷道進(jìn)行支護(hù)；嚴(yán)格控制巷道寬度，超挖量不得大于200mm，當(dāng)超挖量大于200mm時(shí)，必須采取追加錨桿支護(hù)，并保證頂板和巷幫煤壁平直；錨索、錨桿預(yù)緊力不得小于設(shè)計(jì)值；要成立質(zhì)量監(jiān)督小組每班進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括跟頭和后路，錨桿的抽查比例不少于1／3，每根錨索、支柱都要進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

在開(kāi)切眼錨桿索支護(hù)試驗(yàn)段中布置了測(cè)站對(duì)巷道表面位移量進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 實(shí)測(cè)圍巖表面位移量

由圖6及其他的測(cè)量結(jié)果可以看出，在觀測(cè)的30天中，巷道斷面收斂率不大，僅有14.45%，頂板下沉量為212mm，數(shù)值相對(duì)較大，這是由于頂板煤層和巖層離層，錨索之間頂板形成網(wǎng)兜所致，而兩幫收斂量和底臌較小。所以?xún)蓭秃偷装宓玫搅擞行Э刂?。開(kāi)切眼初期收斂速度比后期收斂速度略大，兩幫和底板經(jīng)過(guò)7天左右巷道收斂速度就趨于穩(wěn)定，頂板所需時(shí)間較長(zhǎng)，大約半月左右才趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

在2111輕放工作面大斷面開(kāi)切眼中采用錨桿索支護(hù)技術(shù)控制圍巖，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，這主要表現(xiàn)在：在巷道安全方面有效地維護(hù)圍巖穩(wěn)定性，保障了巷道的安全使用；在支護(hù)技術(shù)方面，從根本上改變了我礦傳統(tǒng)的工字鋼、坑木支護(hù)的被動(dòng)支護(hù)方式，支護(hù)能力大為提高，有效控制了開(kāi)切眼圍巖的穩(wěn)定性；在經(jīng)濟(jì)效益方面，減少物料搬運(yùn)量，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了輕放支架安裝速度和質(zhì)量，顯著降低支護(hù)材料的成本。

［1］曹勝根，錢(qián)鳴高，繆協(xié)興，等.綜放開(kāi)采端面頂板穩(wěn)定性的數(shù)值模擬研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19（4）：472－475.

［2］洪杰.介板溝煤礦軟巖大巷變形破壞機(jī)理及控制技術(shù)研究［J］.中國(guó)煤炭，2012，38（5）：58－61.

［3］徐春宇，蘇多云.大斷面復(fù)合頂板回采巷道錨桿索支護(hù)試驗(yàn)［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2004，31（4）：13－14.

［4］康福鈞，孫占成.特厚軟煤層底板軟巖開(kāi)拓巷道合理支護(hù)參數(shù)研究［J］.中國(guó)煤炭，2012，38（5）：49－51.