陳 鵬

（晉城煤業(yè)集團(tuán)長(zhǎng)平公司，山西 晉城 048400）

1 工程概況

5302 重型放頂煤工作面位于3#煤層，煤層厚度5.6 m，工作面傾斜長(zhǎng)度295.0 m。煤層基本頂為粉砂巖，直接頂和直接底均為泥巖，基本底為粉砂巖。其技術(shù)特征參數(shù)見表1。該工作面在回采至1066 m 處布置有第二切眼，長(zhǎng)96 m，第二停采線距第二切眼156 m。切眼工程為矩形斷面，掘進(jìn)斷面10.2 m×5.6 m，凈斷面積54.54 m2。

表1 煤層頂?shù)装寮夹g(shù)特征參數(shù)

2 切眼施工方案選擇

方案①：二次成巷技術(shù)，掘進(jìn)巷道6 m×5.6 m并進(jìn)行支護(hù)，在安設(shè)液壓支架前擴(kuò)幫4 m×3.2 m，形成10.2 m×5.6 m 的切眼。該方案優(yōu)點(diǎn)：初期巷道跨度小，巷道施工及支護(hù)難度較小。缺點(diǎn)：需要二次擴(kuò)幫形成切眼，導(dǎo)致前期支護(hù)工程大量浪費(fèi)和二次破壞，施工進(jìn)度慢，不利于采礦工程的開展。

方案②：一次成巷技術(shù)，一次掘進(jìn)10.2 m×5.6 m 的切眼。該方案優(yōu)點(diǎn)：不會(huì)因?yàn)槎伍_幫導(dǎo)致巷道支護(hù)破壞失穩(wěn)，工藝簡(jiǎn)單，進(jìn)度快。缺點(diǎn)：由于該切眼跨度大，一次成巷支護(hù)難度較大，支護(hù)方案必須合理可行。

綜合考慮，為提高生產(chǎn)效率，減少反復(fù)支護(hù)工程，選用一次成巷技術(shù)方案。

3 一次成巷支護(hù)參數(shù)

3.1 基本要求

5302 重型放頂煤工作面切眼作為大跨度一次成巷支護(hù)工程，必須滿足以下4 個(gè)方面要求[1-7]：一是掘進(jìn)后能夠及時(shí)控制切眼的整體形變，保證巷道圍巖的整體穩(wěn)固性；二是支護(hù)工作及時(shí)跟進(jìn)，空頂面積在可控范圍之內(nèi)；三是支護(hù)材料的參數(shù)選擇能夠滿足支護(hù)強(qiáng)度要求，確保支護(hù)巷道服務(wù)年限內(nèi)不變形；四是支護(hù)后的切眼須滿足設(shè)備架設(shè)、通風(fēng)斷面、作業(yè)空間等基本要求。

3.2 一次成巷支護(hù)參數(shù)計(jì)算

支護(hù)方式采用高強(qiáng)度錨桿、鋼筋托梁、錨索、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。本設(shè)計(jì)的支護(hù)理念采用自然平衡拱原理作為支護(hù)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，通過巷道圍巖層關(guān)系來確定巷道支護(hù)的參數(shù)。平衡拱理論認(rèn)為，煤礦巷道在開掘以后，煤層中圍巖層與層間的相互支撐連接關(guān)系被破壞，因此巷道圍巖就向自由空間移動(dòng)從而形成自然平衡拱。

3.2.1 錨桿參數(shù)計(jì)算

（1）錨桿直徑：查資料可知，錨桿直徑不應(yīng)＜17 mm，根據(jù)長(zhǎng)平礦支護(hù)施工經(jīng)驗(yàn)，錨桿直徑取22 mm。

（2）錨桿長(zhǎng)度計(jì)算公式：

式中：外露長(zhǎng)度L1取值0.1 m；錨桿深入基本頂長(zhǎng)度L2=[錨桿直徑（0.022 m）×錨桿抗拉強(qiáng)度（670 MPa）]/[4×粘結(jié)強(qiáng)度（6 MPa）]=0.614 2 m；錨桿有效長(zhǎng)度L3=圍巖穩(wěn)定影響系數(shù)(0.8)×（1.1+寬度/10）=0.8×(1.1+10.2/10)=1.696 m。

計(jì)算錨桿長(zhǎng)度L=L1+L2+L3=2.41 m，取值2.5 m。

（3）錨桿間、排距計(jì)算：

a={Q/[KHr(1.5～1.8)]}1/2=1.24～1.49 m

式中：a 為錨桿間、排距，m；Q 為錨桿設(shè)計(jì)錨固力，190 kN；H 為冒落拱高度B/2f=5.0/（2×3.53）=0.708 m，0.972 m；r 為被懸吊煤巖體的密度，取30 kN/m3；K 為安全系數(shù)，取K=2。

結(jié)合以上計(jì)算可以得出錨桿間距和排距均不應(yīng)大于1.39 m，根據(jù)現(xiàn)有支護(hù)施工經(jīng)驗(yàn)與實(shí)際巷道的寬度，錨桿排距取1.2 m，間距取1.0 m。

3.2.2 錨索參數(shù)計(jì)算

（1）錨索長(zhǎng)度計(jì)算公式：

式中：錨索深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長(zhǎng)度L1為1.874 m；需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度L2為2.31 m（自然平衡拱高度）；托盤及錨具的厚度L3為0.1 m；外露張拉長(zhǎng)度L4為0.2 m。

算得L=1.874+2.31+0.1+0.2=4.484 m。結(jié)合以上計(jì)算取錨索長(zhǎng)度應(yīng)不小于4.484 m，考慮現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際，選擇錨索長(zhǎng)度為6.3 m。

（2）錨索數(shù)目：

式中：N 為錨索數(shù)目；k 為安全系數(shù)；P斷為錨索最低破斷力，550 kN；W 為被懸吊巖石的自重，W=巷道掘進(jìn)寬度B×懸吊巖石厚度Σh×懸吊巖石平均容重Σr×錨索排距D，W=5×0.656 25×27×1.2=106.3 kN。

通過計(jì)算N=3。

3.3 支護(hù)方式及參數(shù)

支護(hù)方式示意圖如圖1。

圖1 支護(hù)設(shè)計(jì)圖

3.3.1 頂板支護(hù)

（1）支護(hù)材料規(guī)格型號(hào)及要求

錨桿規(guī)格：高強(qiáng)度錨桿，直徑Ф22 mm，長(zhǎng)度2.5 m，型號(hào)為MSGLW—500/22×2000 高強(qiáng)左旋無縱肋螺紋鋼樹脂錨桿，配套拱形高強(qiáng)度托盤、MSK2335 型錨固劑。頂網(wǎng)規(guī)格及搭接方式：采用金屬網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)片型號(hào)為JW10/35×35-1.4×5.4，網(wǎng)孔規(guī)格為35 mm×35 mm，網(wǎng)片規(guī)格1.4 m×5.4 m，每排2 片。

頂錨索規(guī)格：型號(hào)SKP22-1/1720-6300，直徑Ф22 mm，長(zhǎng)度6.3 m，尾部配套高強(qiáng)度鎖具；錨索托盤規(guī)格：300 mm×300 mm×16 mm。鋼筋托梁：T4600×80/16 80×80。其中16-圓鋼直徑16 mm，8-鋼帶寬度80 mm，4600-鋼帶長(zhǎng)度4.6 m，網(wǎng)孔規(guī)格80 mm×80 mm。

（2）頂板支護(hù)參數(shù)及布置方式

錨桿布置：以施工中線為基準(zhǔn)，先按照錨桿間距與施工中線的相對(duì)尺寸以及錨桿排距共同確定錨桿的位置，然后配合鋼筋托梁打注錨桿。錨桿間距為0.9 m，排距為1.2 m，兩端錨桿距巷幫0.3 mm，每排12 根；錨桿角度垂直巷道頂板，兩支錨固劑進(jìn)行加長(zhǎng)錨固；鉆孔直徑30 mm，設(shè)計(jì)預(yù)緊力矩為400 N·m，設(shè)計(jì)錨固力為190 kN。

錨索布置：錨索施工按照3-3-3 布置方式進(jìn)行施工，錨索排距1.2 m，錨索間距為1.7 m，距巷幫為1.6 m，錨索角度垂直頂板打注；錨固方式：孔深為5.95～6.05 m，錨固長(zhǎng)度為2.0 m，采用三支樹脂錨固劑加長(zhǎng)錨固；錨索預(yù)緊力為350 kN，滯后抽查時(shí)（即預(yù)緊力損失后）預(yù)緊力不小于300 kN。

3.3.2 兩幫支護(hù)

（1）支護(hù)材料規(guī)格型號(hào)及要求：與頂板支護(hù)材料規(guī)格型號(hào)及要求相同。

（2）兩幫支護(hù)參數(shù)及布置方式。每排每幫施工6 根錨桿，第1 根和第2 根錨桿配合鋼筋托梁支護(hù)，第三根單體錨桿支護(hù)。錨桿間距為1.0 m，排距為1.2 m，幫角錨桿距離頂板為0.3 m，錨固設(shè)計(jì)預(yù)緊力矩為400 N·m，設(shè)計(jì)錨固力為190 kN。

4 應(yīng)用效果

為檢測(cè)支護(hù)效果，在該工作面切眼工程安設(shè)了巷道表面位移監(jiān)測(cè)設(shè)備，及時(shí)統(tǒng)計(jì)圍巖變形量以及巷道實(shí)際支護(hù)效果。按要求每掘進(jìn)100 m 安設(shè)一組綜合測(cè)站，每組綜合測(cè)站設(shè)置5 個(gè)測(cè)位（頂板3 個(gè)測(cè)位、兩幫各1 個(gè)測(cè)位），本次切眼工程252 m，共設(shè)置了3 個(gè)測(cè)站，各個(gè)測(cè)站的5 個(gè)測(cè)位組成三組檢測(cè)束管，觀測(cè)頻度為每班一次并統(tǒng)計(jì)分析，其中切眼累計(jì)變形量項(xiàng)目的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖2。

圖2 切眼累計(jì)變形量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

分析表明：（1）在完成支護(hù)工程30 d 時(shí)間左右，巷道累計(jì)形變量達(dá)到最大，一般累計(jì)形變量在42～48 mm；（2）巷道支護(hù)完畢一個(gè)月時(shí)間以后巷道的形變量趨于穩(wěn)定，不再繼續(xù)增長(zhǎng)；（3）巷道累計(jì)形變量45 mm 左右，能夠滿足工作面大跨度切眼工程的形變量控制要求，說明該支護(hù)方案能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)切眼工程的有效支護(hù)。

5 結(jié)論

（1）5302 工作面切眼作為大跨度切眼工程，采取一次成巷技術(shù)切實(shí)可行，設(shè)計(jì)的高強(qiáng)度錨桿+鋼筋托梁+錨索+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方案切實(shí)有效。

（2）應(yīng)用效果表明：巷道累計(jì)形變量45 mm左右，該支護(hù)方案能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大跨度切眼工程的有效支護(hù)。

（3）應(yīng)用結(jié)果表明：5302 工作面切眼采用的一次成巷技術(shù)，在提高施工效率、緩解礦源接續(xù)的前提下，減少了切眼工程工作量，直接節(jié)省的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到480 萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。