综采大断面切眼支护技术研究

蒋绪成

蒋绪成(宁夏煤业集团红柳煤矿)

摘要：随着采煤机械化程度的不断提高，采煤技术已经由原来的炮采过渡到综采、综采放顶煤技术，发展到了现在的厚煤层一次性采全高的大采高技术。但传统的综采切眼支护技术存在各种问题，如何对大断面综采切眼进行合理有效地支护成了迫在眉睫需要解决的问题。笔者就此问题，结合工作实际，谈下自己的一些认识。

关键词：大断面切眼支护技术

0引言

随着采煤机械化程度的不断提高，采煤技术已经由原来的炮采过渡到综采、综采放顶煤技术，发展到了现在的厚煤层一次性采全高的大采高技术。传统的综采切眼采用门棚支护。该支护方式掘进速度慢，支护效果差，材料消耗大，配置人员多，劳动强度大。且传统的切眼支护方式制约安装工作，在切眼内进行“替柱、回柱”和回“大梁、柱腿”等支架设备安装时，存在较大的安全隐患。同时由于大采高工作面要求设备大、风量大，造成了巷道断面较大，特别是切眼安装时要求满足支架尺寸需要，断面宽度达到7m以上；巷道跨度大，顶板易于弯曲下沉，造成离层，进而出现冒顶现象，不利于安全生产。因此，如何对大断面综采切眼进行合理有效地支护成了迫在眉睫需要解决的问题。

1桁架锚杆（索）支护机理

锚杆锚固的目的是利用一定长度的锚杆将破碎或不稳定岩体(块)与牢固稳定的岩体连结在一起以提高整体的稳定性，梯子梁是锚杆支护的关键构件，它将单根锚杆连接起来组成一整体承载结构，金属网的作用是维护锚杆间比较破碎的岩石(煤)，防止岩(煤)块掉落，同时对锚杆支护的整体效果具有重要作用，锚索是将锚固范围内的岩层用高强度锚索加固并施加一定预紧力，把顶板自身压力及支护应力传递到顶板深部稳定岩层内的主动支护手段。桁架是将处于受压状态的巷道两肩窝深部岩体作为锚固点和承载结构的基础。采用高预应力对拉并锁紧两根钢绞线，直接作用于顶板浅部的围岩，提供水平预应力，改善顶板的应力状态，强化低位岩体的力学性能。桁架锚索组合支护适用于软弱顶板的大断面巷道和悬顶面积大的交叉点，具有良好的应用价值。

2工程概况

2.1井田概况红柳井田位于宁夏回族自治区中东部地区，行政区划隶属灵武市宁东镇和马家滩镇管辖。矿井建设规模8.00Mt/a，矿井服务年限106a。1121工作面开切眼处于马家滩背斜与大羊其向斜之间，靠近大羊其向斜轴，煤岩层走向357°～3°，平均0°，倾向西，开切眼倾角11°～12°，煤岩层沿走向、倾向均有一定的起伏变化。1121首采工作面开切眼沿2煤顶板掘进，2煤老顶的直罗组下段粗砂岩孔隙裂隙含水层是影响本井田的主要含水层，局部裂隙发育地段2煤老顶粗砂岩含水层水将通过裂隙导入巷道，巷顶将出现滴、淋水现象；2煤底板砂岩层属弱含水层，局部裂隙发育地段，该含水层水可通过裂隙渗入巷道，预计正常涌水量1～3m3/h，最大涌水量6m3/h。

2.2切眼施工和支护方案

2.2.1施工方案和断面布置参数1121工作面切眼断面设计为矩形，切眼掘进总宽度为8600mm，从1121工作面回风巷和1121工作面运输巷开口对头错开掘进。对头错开掘进的施工方法，当两掘进迎头相距50m时需停止掘进一个工作面，待另一个工作面掘过20m后，停掘工作面方可继续掘进。

1121工作面回风巷开口侧掘进宽度为4300mm，掘进高度为4200mm（靠工作面煤壁侧高），掘进断面积为17.42m2；1121工作面运输巷开口侧掘进宽度为4300mm，掘进高度为4500mm（靠工作面煤壁侧高），掘进断面积为18.71m2。

2.2.2支护方案切眼支护形式为锚网、钢带、锚索桁架联合支护；锚杆规格：顶部采用φ20×2500mmⅡ级左旋螺纹钢锚杆；锚杆间排距：顶锚杆间排距为700mm×700mm，帮锚杆间排距为800mm×800mm，顶、帮锚杆均呈矩形布置；铺网：顶部挂金属网，两帮挂塑钢网；锚索：采用φ17.8钢绞线，长度8300mm，间排距2100mm×2100mm，托梁与巷道轴线垂直布置，呈一梁三索和二梁四索相间布置，一梁三索托梁长度4.5m，二梁四索托梁长度各2.4m。锚索梁采用14b型槽钢加工；钢带：采用￠16圆钢焊制，其长度4200mm，档距60×700mm。断面施工时在距老空侧和在距切眼煤壁侧2000mm处各打设一排DZ-4.5型单体支柱，单体支柱间距1000mm。

2.3采用计算法校核支护参数

2.3.1锚杆长度验算顶锚杆通过悬吊作用，帮锚杆通过加固帮体作用，达到支护效果的条件，应满足：L≥L1+L2+L3

式中：L——锚杆总长，m；

L1——锚杆外露（钢带厚度+托板厚度+0.05m），m；

L2——有效长度（顶锚杆取免压拱高b，帮锚杆取煤壁破碎深度c），m；

L3——锚入岩层内深度（顶锚杆取0.8m，帮锚杆取0.6m），m。

普氏免压拱高：b=[B/2+Htan(45°-ω帮/2)]/f顶

式中：B、H——巷道掘进跨度和高度，B=8600mm，H=4675mm；

f顶——顶板岩石普氏系数，f顶取4；

ω帮——两帮围岩内摩擦角，ω帮取63.43°；

得：b=1.35m；c=Htan(45°-ω帮/2)==1.104m；

L1顶=钢带厚度＋铁托板厚度＋0.05＝0.081m；

L1帮=铁托板厚度＋0.05＝0.065m；

根据上述公式得出：

L顶≥L1顶+L2+L3＝L1顶+b+0.8=2.231m；

L帮≥L1帮+L2+L3＝L1帮+c+0.6=1.769m；

因此所选锚杆长度均能满足要求。

2.3.2顶锚杆间、排距验算按锚杆所能悬吊的重量校验锚杆的间、排距:每根锚杆悬吊岩石重量G＝γL2*α*2，锚杆锚固力Q应能承担G的重量，为安全起见，再考虑安全系数k，取k＝2。

kG<Q

得出：α<(Q/kγL2)1/2所选顶锚杆锚固力Q≥50KN，计算得：

α≤(Q/kγL2)1/2=[50/（2×26.7×1.126）]1/2=0.91m

计算得：α≤0.91m，因此顶锚杆间距700mm排距为700mm能满足要求。

2.3.3锚索间、排距验算校核锚索间、排距，冒落方式按最严重的冒落高度大于锚杆长度的整体冒落考虑。此时，靠巷道两帮的角锚杆和锚索一起发挥悬吊作用，在忽略岩体粘结力和内摩擦力的条件下，取垂直方向力的平衡，可用下列公式计算锚索的间、排距。

L＝nF2/[BHγ-（2F1sinθ）/L1]

式中：L—锚索间、排距，m；B—巷道最大冒落宽度，B取5.0m；H—巷道最大冒落高度，H取2.5m；γ—岩体容重，γ取26.7KN/m3；L1—锚杆排距，0.70m；F1—锚杆锚固力，取50KN；F2—锚索极限承载力，取260KN；θ—角锚杆与巷道顶板的夹角，75°；n—每排锚索数量，5根。

L＝nF2/[BHγ-（2F1sinθ）/L1]＝5×260/[11.1×2.5×26.7-(2×50sin75°)/0.70]＝2.2m>2.1m

通过上述计算，锚索间、排距小于2.2m，因此所选锚索参数满足要求。

4矿压观测内容

根据上述方法确定支护方案并实施后，对切眼进行了全面系统的矿压监测。主要进行以下矿压观测:巷道表面位移观测、锚杆拉拔力、初锚力检测、顶板离层监测、顶板围岩结构及岩性和稳定性观测等。在切眼内每隔50m设一个观察站，每个测站安设一套离层指示仪和巷道收敛观测站。

4.1离层指示仪，深基点深8m，浅基点深1.5m，对切眼的顶板岩层位移量进行观测。观测结果表明，前10天顶底板移近速度较快，最大为6mm/d；20天后顶底板趋于稳定，顶底板移近量为52mm。

4.2巷道收敛采用数显收敛仪，精确度为0.01mm。观测结果表明，前10天顶底板移近速度较快，最大为6mm/d；20天后顶底板趋于稳定，顶底板移近量为52mm。两帮前7天移近速度较快，移近量为48mm，1个月后达到稳定，移近量为95mm。

5结语

实践证明，锚梁网索桁架支护技术为大跨度切眼巷道支护提供了一条新的技术途径，是一种适应性很强的大采高切眼支护体系。大采高切眼锚梁网索支护技术有效地控制了顶板岩层的冒落，保持了大跨度切眼的围岩稳定。实践证明它不但施工速度快，掘进成本低，而且也大大地降低了工人的劳动强度。因此，锚网梁桁架支护在综采大断面切眼中的应用是切实可行、安全可靠的，具有广泛推广应用的价值。

参考文献：

[1]倪庆均，贺宪国.大断面综采切眼锚杆支护技术.山东煤炭科技.2004年第5期.

[2]柴久茂.大断面综采切眼支护技术.中国煤炭.2004年9月.