畢仲文

（山西煤銷集團晉城澤州有限公司，山西 晉城048000）

山西潞安集團王莊煤礦所采煤層為山西組3＃煤層，該煤層呈現(xiàn)出明顯的條帶狀和厚層狀結構，煤層厚度平均為5.7m，煤層和頂底板強度較低，整體屬于軟煤層工作面。以往，礦井綜采工作面開采切眼多采用“錨網索”配合W鋼帶進行支護，在支護初期切眼穩(wěn)定性較好，但隨著切眼的掘進，滯后掘進迎頭35m處切眼變形開始加劇，切眼破壞形式主要由切眼收斂變形、頂板離層和切眼出現(xiàn)“網兜”現(xiàn)象，故在安裝支架前需要對切眼部分區(qū)段進行二次支護，這不僅增加了材料成本和人工成本，對于保障人員施工安全和安裝作業(yè)安全也極為不利。因此，如何保障綜采工作面切眼的穩(wěn)定性和安全性是保證掘進施工和安裝作業(yè)的前提。隨著全錨索支護技術的發(fā)展，山西陽泉部分礦井應用全錨索支護技術在切眼支護方面取得了較好的效果〔1－5〕。鑒于此，同時考慮到礦井煤層賦存特點和錨索支護優(yōu)勢，決定在礦井3304工作面切眼進行全錨索支護探索。

1 全錨索切眼支護機理分析

理論研究和生產實踐證明，錨索預應力高低對于巷道頂板穩(wěn)定性具有決定性作用，當錨索預應力達到一定強度時可以有效消除水平應力對頂板的作用，促使巷道頂板形成具有“剛性”特點的梁結構，可稱之為“剛性梁”結構?！皠傂粤骸苯Y構頂板能夠確保頂板穩(wěn)定性的關鍵在于能夠消除水平應力的影響而避免頂板出現(xiàn)橫向變形，同時，“剛性梁”結構的存在促使頂板具有較大的抗剪強度，這樣可以確保頂板不會出現(xiàn)較大的縱向變形。理論上認為，“錨網索”支護下的頂板能夠形成“組合梁”結構，“組合梁”結構能夠保證巷道頂板形成強度較大的組合梁，對于提高巷道頂板穩(wěn)定性發(fā)揮著重要的作用，但“剛性梁”結構優(yōu)于“組合梁”結構不僅表現(xiàn)在能夠促使巷道頂板形成“組合梁”結構，還能有效減弱“組合梁”結構下的巷道頂板離層現(xiàn)象，故“剛性梁”結構的存在對于保證巷道穩(wěn)定性，尤其是頂板結構的強度具有重要的作用。

3＃煤層綜采工作面切眼支護實踐表明，“錨網索”配合W鋼帶支護條件下的開切眼在掘進施工后會出現(xiàn)切眼收斂和頂板離層現(xiàn)象，分析認為出現(xiàn)開切眼變形破壞的主要原因是：① 該支護條件下，支護結構主要發(fā)揮懸吊和組合梁作用，切眼頂煤松軟易碎，錨桿不能夠有效錨固；② 受到相鄰工作面采動影響作用，切眼頂板和頂煤會進一步碎裂，促使錨網索支護條件下的頂板組合梁結構不能夠有效發(fā)揮其作用，造成支護結構失效；③ 切眼掘進采用滯后支護方式，這樣造成迎頭部分區(qū)域頂板和頂煤處于暫時無支護狀態(tài)，對于確保其上部煤巖體的穩(wěn)定性極為不利，經過一段時間后造成巷道頂板失穩(wěn)。采用“全錨索”支護后，可充分利用錨索預應力強、錨固深度大、支護強度高等優(yōu)勢，同時利用全錨索支護的懸吊、組合梁剛性梁結構提高頂煤和頂板的完整性和強度，可有效避免煤巖體在節(jié)理面處出現(xiàn)離層。

2 全錨索支護實踐

2.1 試驗工作面概況

3304工作面位于礦井三采區(qū)東翼，所采煤層為山西組3＃煤層，工作面設計走向長度和傾斜長度分別為996m和240m。工作面頂底板結構較復雜，直接頂為均厚4.5m的泥巖～砂質泥巖，基本頂為均厚6.8m的砂質泥巖～細砂巖～中粒砂巖，直接底為均厚1.4m的灰黑色泥巖～砂質泥巖，基本底為均厚4.5m的灰白色細粒砂巖～中粒砂巖，其中頂底板中泥巖和砂質泥巖節(jié)理裂隙發(fā)育程度較高，強度較低，部分區(qū)域受到集中應力作用易碎裂成塊狀和粉狀。3＃煤層節(jié)理裂隙發(fā)育程度較高，中部含有1～2層夾矸，夾矸平均厚度為0.35m，煤層強度由上至下強度有增大趨勢，整體表現(xiàn)松軟易碎，該工作面屬軟煤層工作面。

2.2 全錨索支護參數

由3304工作面頂底板巖性可知：該工作面所采煤層3＃煤層松軟易碎，強度較；直接頂為均厚4.5m的泥巖～砂質泥巖，基本頂為均厚6.8m的砂質泥巖～細砂巖～中粒砂巖。由實驗室頂板巖性測試可知：直接頂節(jié)理裂隙發(fā)育程度較高，強度較低；基本頂所含細砂巖和中粒砂巖強度較高，致密性較高。結合其它礦井開切眼全錨索支護實踐，同時考慮到3304工作面頂底板圍巖特性及支護成本，決定采用長短錨索配合金屬網和鋼帶對開切眼進行支護。長短錨索進行支護主要是利用短錨索代替錨桿來控制直接頂，長錨索直接錨固到基本頂巖體中用以確保頂板形成“剛性梁”，這樣可從直接頂和基本頂兩個方面加強頂板的管理和控制，對于提高巷道穩(wěn)定性具有重要的意義。

礦井現(xiàn)有錨索兩種，分別為承載力為230kN，直徑為15.4mm的鋼絞繩和預緊力不低于250kN，直徑為21.6 mm的大直徑鋼絞繩。決定應用Φ15.4mm的鋼絞繩作為短錨索，應用Φ21.6mm的鋼絞繩作為長錨索，現(xiàn)對長短錨索支護參數進行確定。

（1）短錨索L的確定

式中：L1為錨索外露端長度，m；L2為錨索自由段長度，m；L3為錨索錨固長度，m。

在進行錨索自由段長度確定時可依據松動圈理論進行計算，具體見公式（2）：

式中：B為開切眼寬度，m；H為開切眼高度，m；f為煤巖體平均普氏堅固性系數；φ為煤巖體內摩擦角，°。

根據開切眼設計參數可知，開切眼寬度B＝5.5m，f＝1.2，H＝4.2m，φ＝34°，L1＝0.3m，L3＝1.4m，將各參數代入公式（1）、（2）可得短錨索長度L＝（0.3＋2.97＋1.4）m＝4.67m?？紤]到3304工作面直接頂節(jié)理裂隙發(fā)育程度較高，確定L＝4.8m。

（2）短錨索間排距的確定

鑒于直接頂自穩(wěn)性較差，故可將錨索承載力值等同于所承載的煤巖體自重，為了提高開切眼上方煤巖體受力均衡性，取間距和排距均為F，則F滿足公式（3）：

式中：k為安全系數，取1.6；ρ為錨索所承載煤巖體自重，kg／m3；Q為錨固力，kN。

根據3304工作面圍巖物理試驗可知ρ＝20.56kg／m3，Q＝230kN，計算可得F＝1.2m，考慮到3304工作面所采3＃煤層和直接頂強度較低，故決定取F＝0.8m。

3 長錨索間排距的確定

長錨索選擇為Φ21.6×8000mm的鋼絞繩，考慮到開切眼頂煤與直接頂完整性較差，強度較低，為了保證開切眼頂板的穩(wěn)定性，決定開切眼頂板進行進一步加固，這樣可以使開切眼頂板處于完整的支護體系中，這樣即使是出現(xiàn)冒落的區(qū)域頂板也可以錨固于深部穩(wěn)定巖體中。根據以往“錨網索”支護經驗取長錨索間排距等距布置，且考慮到已經對頂板采用了短錨索支護，決定長錨索間排距為1.2m。

綜上計算可知：短錨索型號Φ15.4×4800mm，間排距為0.8m，每排布置錨索7根；長錨索型號為Φ21.6×8000 mm，間排距為1.2m×1.2m，每排布置錨索5根。根據巷道支護實踐，采用菱形網孔規(guī)格為20mm×20mm的金屬網進行護幫和護頂，W鋼帶規(guī)格（長×寬×厚）為5500mm×3×260mm，長短錨索沿鋼帶垂直錨固在頂板中。

4 全錨索支護效果分析

3304工作面南部為3302工作面，3302工作面開切眼采用“錨網索”配合W鋼帶進行支護，在掘進過程中開切眼變形規(guī)律見圖1；3304工作面開切眼采用全錨索配合W鋼帶進行支護，掘進期間開切眼變形規(guī)律見圖2。

圖1 “錨網索”支護切眼表面位移

圖2 全錨索支護切眼表面位移

由圖1可知，在“錨網索”支護條件下，開切眼頂底板移近量可達550mm，兩幫移近量可達380mm。根據現(xiàn)場觀測可知，開切眼頂底板變形以頂板下沉為主，約占頂底板移近量的2／3，且在掘進期間頂板出現(xiàn)“網兜”現(xiàn)象較多，且偶爾出現(xiàn)錨桿拉斷現(xiàn)象，說明該支護條件下開切眼穩(wěn)定性較差。由圖2可知，在全錨索支護條件下，開切眼頂底板移近量和兩幫移近量分別為125mm和90mm，分別約占“錨網索”支護條件下頂底板和兩幫變形量的22.7%和23.7%。由此可知，在全錨索支護條件下的頂板完整性和強度均有大幅度提升，有效的促進了開切眼頂板的“剛性”化，同時“剛性”化頂板有效促使切眼頂板垂直應力向煤巖體深部轉移，降低了兩幫的承壓，對于減緩開切眼兩幫變形發(fā)揮著重要的作用。

4 結語

全錨索支護可促使開切眼頂板形成“剛性梁”，這樣不僅可提高頂板的完整性、自承載能力和強度，同時還可有效發(fā)揮錨索的懸吊和組合梁作用，可有效預防頂板離層，提高開切眼頂圍巖的穩(wěn)定性。根據全錨索支護實踐可知，開切眼頂底板和兩幫變形量僅為“錨網索”支護條件下的23%左右，全錨索支護對于提高開切眼穩(wěn)定性，降低巷道維修費用，保證綜采設備安裝有效空間具有重要的作用。

〔1〕樊永東.高地應力下大斷面煤巷全錨索支護〔J〕.煤炭技術，2005，24（9）：69－70.

〔2〕談國文，趙 輝.大傾角全煤巷錨網索支護數值模擬研究〔J〕.煤炭技術，2007，26（12）：51－53.

〔3〕馮京波.松散厚煤層全煤巷沿空掘巷錨索支護技術〔J〕.煤炭科學技術，2008，36（2）：23－26.

〔4〕趙衛(wèi)民，劉福軍，趙世鐸.松散煤層綜放面切巷全錨索支護技術的應用〔J〕.礦業(yè)安全與環(huán)保，2003，30（5）：42－44.

〔5〕戴志國，李修玉.松散厚煤層綜放巷道預應力全錨索支護技術〔J〕.礦業(yè)安全與環(huán)保，2005，32（2）：51－54.