胡 鵬，吳新選，張富魁

(陜西陜煤澄合礦業(yè)有限公司山陽煤礦，陜西 渭南 715307)

0 引言

山陽煤礦位于渭南市合陽縣王村鎮(zhèn)山陽村西，設(shè)計1507工作面切眼長180 m、寬7.5 m、高4.0 m，以滿足安裝設(shè)備空間需要，同時要求切眼必須具備很好的穩(wěn)定性和安全性。1507工作面開采的5#煤層屬“三軟”煤層，大跨度的開切眼安全施工成為實際問題[1]。在支護技術(shù)發(fā)展過程中，錨網(wǎng)索支護理論種類較多，各有其不同的適用范圍，都在煤礦安全生產(chǎn)建設(shè)中起到了積極的指導作用，但要準確分析計算出巷道支護參數(shù)都比較困難[2]。自穩(wěn)隱形拱理論基于巷道圍巖條件，用簡化的理論方法計算錨桿支護參數(shù)，揭示井下工程巷道圍巖穩(wěn)定狀況和錨桿錨索作用原理，適應于任何復雜環(huán)境的松軟破碎圍巖條件[3-7]。本文應用自穩(wěn)隱形拱理論設(shè)計了導硐法掘進的矩形切眼支護設(shè)計。

1 工作面基本概況

山陽煤礦1507工作面開采的5#煤位于二疊系下統(tǒng)山西組，地面標高+753～+758 m，煤層底板標高+313～+352 m，煤層厚度平均3.8 m，為較穩(wěn)定煤層，堅固性系數(shù)f=0.5，屬于“三軟”煤層，煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

工作面頂板以裂隙含水層充水為主，富水性弱-中等，單點涌水量一般為0～15 m3/h；工作面底板的太原群K2灰?guī)r或石英砂巖含水層為含水不均一的富水性弱-中等的承壓含水層，單點正常涌水量20～60 m3/h。工作面奧灰水靜水位標高+370 m左右，屬承壓開采區(qū)，煤層底板至奧灰?guī)r頂面的隔水層厚度為35 m，突水系數(shù)0.02～0.01 MPa/m。

2 自穩(wěn)隱形拱理論簡介

自穩(wěn)隱形拱理論以極限破壞原則確定圍巖穩(wěn)定區(qū)域劃分，將巷道頂板分成3個拱形區(qū)域，即自然冒落拱、自穩(wěn)隱形拱、極限自穩(wěn)隱形拱，以此確定錨桿錨索長度等參數(shù)[8]，如圖1所示。

圖1 自穩(wěn)隱形拱示意圖

自穩(wěn)隱形拱曲線表示為

(1)

式中：w01—巷道頂部寬度，m；p0—巷道頂部垂直地壓，MPa；σ2—頂板圍巖體抗拉強度，MPa。

式(1)中，當x=0時，自穩(wěn)隱形拱距巷頂最大高度hmax為

(2)

極限自穩(wěn)隱形拱表示為

(3)

式中：hw—巷道高度，m。

由式(3)知，當x=0時，得出極限自穩(wěn)隱形拱距頂板的最大高度hlid為

(4)

3 切眼施工圖設(shè)計

對于“三軟”煤層巷道，為提高頂板巖層自穩(wěn)時間[5]，確定1507工作面切眼沿頂板掘進。采用先導硐再向擴巷的方式分次掘進成巷，即先施工導硐(寬5.0 m、高4.0 m)，貫通后再擴大到全斷面的施工方法。

3.1 切眼斷面形狀

切眼斷面形狀為矩形，寬度7.5 m，高度4.0 m。因巷道兩幫肩是巷道支護的關(guān)鍵區(qū)域[5]，兩幫肩角設(shè)計為圓弧角，半徑R=500 mm，支護時在圓角中部打一根與頂板成45°角的錨桿以加強支護，由于圓弧角對頂板有一定的支撐作用，可使頂板跨度減少，從而降低自穩(wěn)隱形拱高度。

3.2 主要參數(shù)計算

圍巖不穩(wěn)定區(qū)域確定：根據(jù)1507工作面切眼設(shè)計、巖層物理力學性質(zhì)及煤層埋深，巷道寬度7.5 m，高度4.0 m，頂板泥巖的抗拉強度0.1 MPa，巷道頂部垂直地壓6.0 MPa。

代入式(2)，得自穩(wěn)隱形拱最大高度為

代入式(4)，得極限自穩(wěn)隱形拱高度為

頂錨索長度確定：頂板錨索長度按自穩(wěn)隱形拱理論以下式計算確定。

L≥L1+L2+L3

(5)

式中：L—錨索總長度，m；L1—錨索外露長度，m；L2—有效長度，m，取極限自穩(wěn)隱形拱高度6.73 m；L3—錨入穩(wěn)定巖層內(nèi)深度，m。

(6)

式中：k—安全系數(shù)，取2；d1—錨索直徑，mm，取18.9 mm；fa—錨索抗拉強度，N/mm2，查為1 860 N/mm2；fc—錨索與錨固劑的粘合強度，N/mm2，查為10 N/mm2。

計算得，頂板錨索最小長度為L=8.79 m，按照安全系數(shù)增大原則設(shè)計為9.3 m。

頂板錨桿長度確定：按照自穩(wěn)隱形拱理論，當巷道寬度為7.5 m時，自穩(wěn)隱形拱高度為6.34 m，此時不適宜進行選擇錨桿。但若巷道頂板采用錨索控頂后，會起到減跨作用[9]，根據(jù)公式(2)計算，若巷道頂板中間打設(shè)1根錨索控頂，自穩(wěn)隱形拱高度變?yōu)?.17 m，若頂板等間距打設(shè)2根錨索控頂，自穩(wěn)隱形拱高度變?yōu)?.10 m。因此在有2根錨索有效支護情況下，頂板錨桿長度可按下式確定

L≥L1+L2

(7)

式中：L—錨桿總長度，m；L1—錨桿外露長度(包括托板、螺母厚度)，0.1 m；L2—有效長度(自穩(wěn)隱形拱的高度2.1 m+超過自穩(wěn)隱形拱0.5 m)，2.6 m；頂板錨桿最小長度為L=0.1+2.6=2.7 m，錨桿長度取2.8 m。

幫錨桿長度確定：幫頂錨桿長度應滿足下式

L=L1+L2

(8)

式中：L—錨桿總長度，m；L1—錨桿外露長度(包括托板、螺母厚度)，0.1 m；L2—有效長度，根據(jù)自穩(wěn)隱形拱理論，幫錨桿的長度為巷道高度(4.0 m)的一半+錨入煤層內(nèi)深度0.5 m，即2.5 m；幫錨桿最小長度為L=0.1+2.5=2.6 m，按照安全系數(shù)增大原則及與頂錨相統(tǒng)一，長度取為2.8 m。

切眼導硐支護設(shè)計：①導硐頂板支護—錨桿錨索布置，采用φ20長度2 800 mm左旋螺紋鋼錨桿，布置按照“垂直巖壁原則、均布原則和放射狀原則”[8]，頂板中部錨桿垂直頂板打設(shè)，頂角部(圓弧角)錨桿成45°角打設(shè)，間排距750 mm×700 mm，錨桿鐵托盤150 mm×150 mm×10 mm。錨索3根φ18.9長度9 300 mm，垂直頂板打設(shè)，間排距1 400 mm×1 400 mm，錨索鐵托盤300 mm×300 mm×15 mm。網(wǎng)片鋪設(shè)，網(wǎng)片有防護圍巖表面冒落、阻止煤巖壓碎、預防冒頂?shù)淖饔?。只要錨桿錨索牢固可靠、網(wǎng)片不破，則不會產(chǎn)生冒頂事故。因此設(shè)計采用“菱形10#鐵絲網(wǎng)+φ6.5 mm鋼筋網(wǎng)”的雙層網(wǎng)，以加強網(wǎng)的牢固性，網(wǎng)片2.0 m×0.9 m，壓茬10 cm，連網(wǎng)采用14#鐵絲，逢孔必連。菱形10#鐵絲網(wǎng)的網(wǎng)目規(guī)格50 mm×50 mm，具有柔性特點，有防護煤矸掉落作用；φ6.5 mm鋼筋網(wǎng)的網(wǎng)目規(guī)格100 mm×100 mm，具有剛性特點，對圍巖表面起到固化作用。雙層網(wǎng)“剛”“柔”相濟，既“支”又“護”，安全性高；②導硐后幫支護—根據(jù)巷道兩幫對圍巖的影響機理，隨著巷道兩幫垮落深度或塑性區(qū)增加，頂板的極限自穩(wěn)平衡拱將擴大；當兩幫部煤體得到有效控制，則頂板的極限自穩(wěn)平衡拱將最小。因此幫部支護將直接影響極限自穩(wěn)平衡拱的范圍。錨桿布置，后幫采用φ20長度2 800 mm左旋螺紋鋼錨桿支護，間排距700 mm×700 mm。上部第1根錨桿距頂250 mm、與幫向上成75°角，下部第1根錨桿距底250 mm、與幫向下成75°角，中部錨桿垂直巷幫，鐵托盤150 mm×150 mm×8 mm。網(wǎng)片鋪設(shè)，用“菱形10#鐵絲網(wǎng)+φ6.5 mm鋼筋網(wǎng)”的雙層網(wǎng);③導硐前幫臨時支護—導硐前幫采用φ20長度2 800 mm玻璃鋼錨桿+塑鋼網(wǎng)臨時支護，塑鋼網(wǎng)網(wǎng)目規(guī)格30 mm×30 mm，錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm，同時幫側(cè)增加單排單體柱做臨時支護，間距700 mm。切眼導硐頂板支護設(shè)計頂視圖，如圖2所示。

圖2 切眼導硐頂板支護設(shè)計頂視圖

切眼成巷后支護：導硐貫通后再進行二次擴巷，擴巷部分頂板支護與導硐相同，切眼工作面?zhèn)雀挠忙?0長度2 800 mm左旋螺紋鋼錨桿和雙網(wǎng)支護，錨桿間排距為700 mm×700 mm。如圖3所示。

圖3 切眼成巷后支護圖

3.3 支護體系安全監(jiān)測

為了檢驗支護結(jié)構(gòu)、設(shè)計參數(shù)及施工工藝的合理性，修改、優(yōu)化支護參數(shù)，監(jiān)控巷道支護的施工質(zhì)量，對支護狀況進行跟蹤預測和反饋，及時發(fā)現(xiàn)工程隱患，以保證施工安全和巷道穩(wěn)定[10-11]。在距開切眼位置0 m、50 m、100 m、150 m、180 m順槽各設(shè)置一個監(jiān)測站。監(jiān)測巷道表面收斂量、頂板離層量及錨桿工作荷載。

巷道表面收斂量監(jiān)測：監(jiān)測包括巷道底鼓、兩幫相對移近、頂板下沉等內(nèi)容，通過巷道表面收斂量可較好地判定巷道圍巖的運動情況，分析圍巖是否進入穩(wěn)定狀態(tài)。

頂板離層量監(jiān)測：在巷道頂板打眼安設(shè)多點位移計，孔內(nèi)基點深度分別為：1 m、3 m、5 m、10 m共4個基點，以反映頂板的離層狀況，通過頂板離層量判斷巷道圍巖內(nèi)部的變形及破壞情況，預測巷道圍巖穩(wěn)定性。

錨桿載荷監(jiān)測：每個測站內(nèi)，在巷道的左幫、右?guī)图绊敯逄幐靼惭b1套錨桿測力計，通過儀器監(jiān)測錨桿的受力情況，以及時了解錨桿的工作狀態(tài)。

3.4 注意事項

確保錨桿錨索錨固力是基礎(chǔ)：錨桿錨索安設(shè)鉆孔直徑28 mm，每根錨索使用2卷MSK2360型、2卷MSZ2360型樹脂藥卷，每根錨桿使用1卷MSK2360型、1卷MSZ2360型樹脂藥卷。錨索張拉預緊力不小于23 MPa(200 kN)，錨桿錨固力不低于105 kN，安裝扭矩不小于100 NM。遇斷層破碎帶錨桿錨索需做拉拔試驗，不能保證設(shè)計拉拔力時，須加設(shè)π型梁單體支護[5]。

切眼端頭加固是關(guān)鍵：切眼端頭有絞車硐室，巷道跨度大、壓力大，影響范圍內(nèi)必須加強支護。從順槽距切眼30 m處開始采用錨網(wǎng)索+π型梁單體支護加固。

加強含水破碎段支護是重點：含水破碎巖的可錨性差[5]，同時在遇水膨脹情況下，易產(chǎn)生底鼓幫鼓現(xiàn)象，甚至發(fā)生冒頂。應加設(shè)π型梁單體支護。

做好圍巖監(jiān)測工作是保障：要經(jīng)常查看監(jiān)測情況，分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)異常，立即處理。

3.5 支護效果

切眼在施工及使用中，監(jiān)測頂?shù)装逡平孔畲?00 mm，幫部移近量最大300 mm，數(shù)據(jù)均在合理范圍內(nèi)，未出現(xiàn)頂板明顯離層下沉、底幫鼓裂變形現(xiàn)象，安全安裝了綜采設(shè)備及支架，并順利推采。

4 結(jié)論

(1)應用自穩(wěn)隱形拱理論確定了極限自穩(wěn)隱形拱高度，計算了錨桿錨索長度，提出了切眼不同施工階段的支護參數(shù)。

(2)“菱形10#鐵絲網(wǎng)+φ6.5 mm鋼筋網(wǎng)”雙層網(wǎng)的使用，有“網(wǎng)狀柔性梁”作用，增加了巷道的安全性。

(3)導硐法掘進時，部分地應力在小跨度情況下已釋放，掘進安全快速，擴巷時安全性較高，適應于施工大跨度、大地壓、圍巖破碎巷道。

(5)監(jiān)測表明，切眼變形較小，保證了綜采設(shè)備及支架的安裝，并順利推采。