張 羽

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原030024；2.潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)公司，山西 長治046100）

山西某礦設(shè)計生產(chǎn)能力為3Mt／a，走向長度達(dá)5.4 km，傾斜長度10～11km，井田面積約為42.67km2。31011工作面是該礦井東一盤區(qū)首采工作面，主采煤層為山西組3＃煤層，底板標(biāo)高為－485m～－481m，煤層平均厚度為6.0m；工作面設(shè)計走向長度和傾向長度分別為1350 m和130m，煤層傾角為7°～13°，平均為8.5°，可采系數(shù)為1，屬穩(wěn)定可采厚煤層；該煤層上覆巖層基巖厚度為45～75 m，工作面煤層直接頂為厚3～6m的砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖，基本頂為厚4～7m的粗粒砂巖；直接底為厚2～3.8m的泥巖～砂質(zhì)泥巖，基本底為厚3～6m的粗粒砂巖。由于工作面頂板基巖厚度較薄，根據(jù)該礦井其他盤區(qū)開采實(shí)踐，工作面開切眼會出現(xiàn)較大幅度的變形。分析認(rèn)為，只有改變以往的切眼支護(hù)方式，采用新技術(shù)和新工藝，才能保證切眼的穩(wěn)定性。

1 切眼斷面形狀和支護(hù)方式的確定

1.1 切眼斷面形狀的確定

31011綜采工作面所選用的開采方式為后退式全部垮落式開采，欲選用ZF6800／20／38型液壓支架進(jìn)行采場支護(hù)?？梢姡瑵M足其安裝要求的切眼斷面尺寸最低為7m×2.5m?？紤]到礦井切眼掘進(jìn)工作經(jīng)驗(yàn)，同時為了保證工作面能夠及時貫通和“三機(jī)”的有效搭接，決定將開切眼設(shè)計為矩形斷面。

1.2 支護(hù)方式的確定

31011綜采工作面切眼斷面尺寸（寬×高）確定為8.0 m×3.0m，支護(hù)方式確定為“錨桿—錨索—金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)，同時采用鋼帶、單體柱與鉸接梁作為切眼的輔助支撐系統(tǒng)。依據(jù)理論及經(jīng)驗(yàn)對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行計算和確定。

（1）錨桿參數(shù)的確定：錨桿的參數(shù)主要包括錨桿長度、間排距和直徑等，錨桿長度的合理選擇是錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)，間排距和直徑的合理選擇有助于提高錨桿支護(hù)強(qiáng)度，可以有效控制巷道頂板的變形和離層〔1－3〕。錨桿長度可由公式（1）確定：

式中：L為錨桿長度，m；L1為錨桿外露長度，m；L2為錨桿有效支護(hù)長度，m；L3為錨桿錨固長度，m；f為普氏硬度系數(shù)；B為工作面切眼寬度，m；H為工作面切眼高度，m；θ為內(nèi)摩擦角，（°）。

由礦井資料可知，錨桿外露長度L1＝0.15m，錨桿錨固長度L3＝1.0m，工作面開切眼頂板和煤層普氏系數(shù)f分別為3.5m和2.0m，將各參數(shù)代入上式可得頂錨桿長度L＝2.4m，幫錨桿長度L＝2.5m。

錨桿間排距可由經(jīng)驗(yàn)公式D≤L／2確定，將錨桿布置為間排等距，確定D≤1.2m?？紤]到31011工作面采高較大，頂板為砂質(zhì)泥巖～粗粒砂巖，該巖層節(jié)理裂隙較發(fā)育，且在局部地帶存在破碎現(xiàn)象，結(jié)合以往切眼支護(hù)所取得經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，決定確定頂錨桿間排距為0.8m×0.8m，幫錨桿間排距為0.7m×0.8m。理論認(rèn)為，錨桿的支護(hù)阻力和支護(hù)剛度與直徑成正比關(guān)系〔4〕，因此，在選用錨桿時可以適當(dāng)考慮大直徑錨桿?？紤]到礦井現(xiàn)有的鉆孔設(shè)備所得孔徑為28～32mm，而研究認(rèn)為錨桿與鉆孔間隙在7～11 mm范圍內(nèi)錨固效果最佳，因此可以選用的錨桿直徑須為17～25mm之間。本著節(jié)約錨固劑、降低錨桿支護(hù)成本的目的，同時滿足支護(hù)要求的前提下，決定頂錨桿和幫錨桿分別選用直徑22mm和20mm的左旋螺紋無縱筋錨桿。

（2）錨索參數(shù)的確定：根據(jù)資料顯示，31011綜采工作面直接頂為3～6m，砂巖基本頂為4～6m，故錨索長度應(yīng)不小于6m。為避免直接頂與基本頂交界范圍內(nèi)巖層存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，在進(jìn)行錨索長度確定時采取相應(yīng)延長的方法，確定錨索長度為8.3m。同時結(jié)合以往支護(hù)實(shí)踐，確定錨索直徑為17.8mm，錨索間排距設(shè)計為1.8m×1.8m，預(yù)緊力不低于100kN。

（3）輔助支撐系統(tǒng)：金屬網(wǎng)選用冷拔絲編制而成的網(wǎng)孔參數(shù)為100mm×100mm的經(jīng)緯網(wǎng)，網(wǎng)片搭接長度為100～150mm，搭接處用12＃鐵絲捆綁不小于2圈。鋼帶選用4m長的W型鋼帶，每排由2條鋼帶對接而成?？紤]到大斷面支護(hù)容易產(chǎn)生切眼變形，為了提高切眼的穩(wěn)定性，可增加單體柱和鉸接梁進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)〔5〕。單體柱初撐力應(yīng)不低于90kN；鉸接梁沿切眼走向布置，共布置四列，間距分別為距切眼上和下幫0.8m和2.4m，鉸接梁下安設(shè)單體柱，單體柱初撐力應(yīng)不低于90kN，單體柱柱牙應(yīng)緊扣鉸接梁，柱腳應(yīng)穿鞋，同時上掛好防倒繩。

31011綜采工作面開切眼支護(hù)設(shè)計見圖1。

圖1 31011綜采工作面開切眼支護(hù)設(shè)計示意

2 開切眼支護(hù)效果分析

為了驗(yàn)證該支護(hù)方式對31011綜采工作面開切眼支護(hù)的可靠性，在開切眼掘進(jìn)的同時對開切眼頂板離層、變形等進(jìn)行實(shí)測，根據(jù)所得觀測結(jié)果對支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化。在該工作面開切眼安裝三組頂板離層儀，分別距運(yùn)輸巷5 m、10m和20m，離層儀深部錨點(diǎn)安設(shè)在開切眼頂板上方8.3m，淺部錨點(diǎn)位于錨桿根部；在距開切眼掘進(jìn)工作面20 m布置一個表面觀測站（觀測站布置3個測點(diǎn)）用以觀測開切眼變形規(guī)律，將頂板離層儀和表面觀測站所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

根據(jù)觀測結(jié)果可知，在開切眼掘出的15d內(nèi)，頂板變形速度較大，隨之趨于穩(wěn)定；在10d內(nèi)，開切眼兩幫變形速度較大，而后逐漸趨于穩(wěn)定；觀測期間頂?shù)装逡平砍^170mm，兩幫移近量超過260mm，由此可知該變形不至影響綜采設(shè)備的正常安裝。對錨桿和錨索進(jìn)行抗拉拔實(shí)驗(yàn)，確定開切眼掘進(jìn)后頂錨桿和幫錨桿分別承受了100kN和75kN左右的力，錨索承受的拉力為140～160kN，可見錨桿和錨索有效阻止了在其錨固范圍內(nèi)的頂板離層現(xiàn)象，對于控制頂板變形發(fā)揮著重要的作用。

3 結(jié)語

31011綜采工作面大跨度開切眼采用“錨—網(wǎng)—索—鋼帶”聯(lián)合支護(hù)方式有效地控制頂板離層和切眼變形，同時改變了傳統(tǒng)的大跨度切眼支護(hù)的隨意性。采用該支護(hù)方式，開切眼在掘進(jìn)初期變形較快，但錨桿、錨索和金屬網(wǎng)等能夠形成統(tǒng)一的整體，通過錨固強(qiáng)化作用在允許圍巖存在一定變形的基礎(chǔ)上提高了開切眼圍巖的力學(xué)性質(zhì)，保證了開切眼圍巖的穩(wěn)定性和整體性。單體柱和鉸接梁的使用也在一定程度上起到了補(bǔ)強(qiáng)加固作用，保證了開切眼的穩(wěn)定?！板^—網(wǎng)—索—鋼帶”聯(lián)合支護(hù)方式雖然在支護(hù)材料方面高于工字鋼支護(hù)，但考慮到工字鋼支護(hù)所需要的運(yùn)輸和維修成本，綜合考慮該支護(hù)方式綜合效益顯著，該實(shí)踐成果為研究大跨度開切眼支護(hù)提供了可參考經(jīng)驗(yàn)。

〔1〕李 云，韓立軍，孫昌興，等 .綜放工作面大跨度切眼錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)研究〔J〕.金屬礦山，2012，（6）：37－41.

〔2〕張默男，武志俊 .大采高、大跨度綜采工作面切眼支護(hù)技術(shù)〔J〕.煤炭技術(shù)，2007，26（8）：126－127.

〔3〕李位民，孫鳳福，蔡 濤 .大跨度切眼錨網(wǎng)錨索支護(hù)研究〔J〕.山東煤炭科技，1999，（4）：27－30.

〔4〕劉永杰，馮秀強(qiáng)，劉洪超 .趙固一礦大跨度綜采工作面切眼支護(hù)技術(shù)研究〔J〕.中州煤炭，2009，（12）：13－14.

〔5〕張久里 .綜放工作面大跨度切眼支護(hù)技術(shù)研究及應(yīng)用〔J〕.山東煤炭科技，2013，（5）：9－10.