馬燕超

（冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司，河北 邯鄲 056000）

峰峰集團(tuán)天順煤礦1101WX3急傾斜厚煤層切眼掘進(jìn)采用光面爆破3次掘擴(kuò)成巷的施工方式，先鉆孔導(dǎo)硐后掘進(jìn)和擴(kuò)刷。切眼采用鉆機(jī)由下向上沿煤層傾角打設(shè)鉆孔并擴(kuò)孔，形成運(yùn)煤系統(tǒng)，再由上向下依次掘進(jìn)小斷面巷道和切眼擴(kuò)刷，最終達(dá)到切眼設(shè)計(jì)斷面的要求，此方案可減少開切眼施工的安全隱患，有效防止切眼內(nèi)頂板垮冒，確保急傾斜厚煤層開切眼安全掘進(jìn)。

1 概 況

天順井田位于新疆巴里坤礦區(qū)石炭窯向斜構(gòu)造南翼的中部，主要構(gòu)造呈向北偏東傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾角平均59°，最大78°。實(shí)驗(yàn)的1101WX3工作面位于井田淺部的11采區(qū)，該工作面埋藏深度221～165 m，煤層厚度3.5～6.2 m，平均厚度4.9 m，煤層傾角平均54°，局部傾角60°，煤層穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，無夾石。直接頂為粉砂巖，厚度28.52 m，頂板單軸抗壓強(qiáng)度68.6 MPa，抗拉強(qiáng)度4.83 MPa，直接頂容重25.3 kN；直接底為粉砂巖，厚度6.67 m，單軸抗壓強(qiáng)度44.23 MPa，抗拉強(qiáng)度3.17 MPa。煤體內(nèi)摩擦角38.4°。采煤面沿煤層走向開采，回采長度260 m，斜長65 m，切眼采用偽斜布置。

2 急傾斜大斷面切眼支護(hù)參數(shù)確定

2.1 臨時(shí)支護(hù)

使用金屬前探梁，前探梁前端應(yīng)有效接觸頂板，后端壓緊褙實(shí)，維護(hù)好迎頭頂板。頂板破損時(shí)打設(shè)超前錨桿支護(hù)，確保臨時(shí)支護(hù)可靠、有效。

2.2 切眼掘進(jìn)施工順序

切眼為大傾角，跨度大，施工順序采取由上向下分3次掘擴(kuò)成巷，首先切眼內(nèi)沿煤層傾角（煤層底板）鉆孔導(dǎo)硐并擴(kuò)孔，形成直徑0.8 m規(guī)格的溜煤眼，由上向下沿溜煤眼掘進(jìn)寬2.4 m、高2.5 m的小斷面巷道，再繼續(xù)由上向下擴(kuò)掘，切眼兩幫各擴(kuò)2.3 m小規(guī)格，擴(kuò)完一幫后，再擴(kuò)另一幫，最終完成7 m寬切眼，高度均為2.5 m。

2.3 切眼支護(hù)方式

掘進(jìn)巷道2.4 m寬時(shí)，采用錨索+W鋼帶+礦用塑料網(wǎng)支護(hù)；7 m寬時(shí)，采用錨索+W鋼帶+礦用塑料網(wǎng)+液壓點(diǎn)柱支護(hù)。均為煤巷矩形斷面。

2.4 切眼支護(hù)參數(shù)及質(zhì)量要求

2.4.1 切眼鉆機(jī)導(dǎo)孔施工溜煤眼

利用礦井全液壓鉆機(jī)進(jìn)行施工，先由工作面運(yùn)輸順槽用φ89 mm合金鉆頭由下向上施工導(dǎo)孔，導(dǎo)孔施工完畢，采用φ200 mm合金鉆頭三花眼布置進(jìn)行擴(kuò)孔，直至形成φ800 mm導(dǎo)孔，形成溜煤通道和運(yùn)煤系統(tǒng)。

2.4.2 首次切眼掘進(jìn)（巷寬2.4 m規(guī)格）

巷道頂板使用錨索+W鋼帶+雙層礦用塑料網(wǎng)支護(hù)。每條鋼帶配合3根φ15.24 mm×75 00 mm錨索（錨索采用15.24 mm高強(qiáng)度低松弛鋼絞線制成，強(qiáng)度級別為1 860 MPa，最小破斷力不小于260 kN）。錨索均安設(shè)在巷道頂板與頂板呈90°，錨索間排距900 mm×800 mm，每根頂錨索均打在W鋼帶眼中。每根錨索孔內(nèi)使用3支（1支CK2360和2支K2360）樹脂錨固劑，錨索預(yù)緊壓力不小于30 MPa，錨索托板為150 mm×150 mm×15 mm鋼板，錨索露出鎖具長度為150～250 mm。每條鋼帶背面（平面）緊貼巷道頂板布置，塑料網(wǎng)之間搭接均為100 mm，每隔100 mm使用14號(hào)鐵絲綁扎一道。頂板錨索先打設(shè)中間眼，再打設(shè)兩幫眼。

巷道兩幫各采用4根φ20 mm×2 000 mm高強(qiáng)螺紋鋼錨桿及雙層塑料網(wǎng)封幫支護(hù)，第一根距頂200 mm打設(shè)，依次往下間距700 mm，排距800 mm；每根錨桿孔注入2支（1支CK2360和1支K2360型）樹脂錨固劑進(jìn)行錨固，每根錨桿托板為120 mm×120 mm×8 mm鋼板。錨桿露出螺母長度10～50 mm，每根錨桿的預(yù)緊力不小于150 N·m。塑料網(wǎng)之間搭接均為100 mm，每隔100 mm使用14號(hào)鐵絲綁扎一道。

2.4.3 二、三次施工擴(kuò)切眼（巷寬7 m規(guī)格）

待切眼規(guī)格為2.4 m寬巷道施工完畢形成系統(tǒng)后，兩幫各擴(kuò)2.3 m，達(dá)到切眼7 m寬規(guī)格。擴(kuò)完一幫后，再擴(kuò)另一幫，巷道頂板使用錨索+W鋼帶+雙層礦用塑料網(wǎng)+液壓點(diǎn)柱支護(hù)。頂、幫支護(hù)方式同切眼首次掘進(jìn)時(shí)相同，鋼帶布置與首次掘進(jìn)鋼帶布置錯(cuò)距400 mm。W鋼帶長2 400 mm，寬280 mm，厚5 mm。液壓點(diǎn)柱φ100 mm，高3.15 m。

2.4.4 切眼液壓點(diǎn)柱支護(hù)

切眼擴(kuò)幫時(shí)，必須及時(shí)打上液壓點(diǎn)柱。液壓點(diǎn)柱中間兩排沿切眼中心線對稱布置，間距2.4 m，剩余兩排距巷道兩幫分別為0.8 m，排距均為0.8 m。液壓點(diǎn)柱初撐力不得小于11.5 MPa，點(diǎn)柱必須垂直頂?shù)装宕蛟O(shè)，保證迎山有勁，柱頭必須打柱帽與頂部W鋼帶緊貼嚴(yán)實(shí)，并使用尼龍繩固定（栓牢柱頭）在頂板網(wǎng)片上，每根單體液壓點(diǎn)柱必須穿鐵鞋，且底板留有200 mm的柱窩，每排點(diǎn)柱栓設(shè)3道繩連鎖，防止下倒。切眼擴(kuò)幫只允許單向施工，擴(kuò)完一幫，方可再擴(kuò)另一幫，嚴(yán)禁兩幫同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)掘。

頂錨索+W鋼帶+幫錨桿+礦用塑料網(wǎng)永久支護(hù)要跟頭支護(hù)，不能滯后，液壓點(diǎn)柱支護(hù)滯后1.6 m打設(shè)。W鋼帶必須緊貼頂板，當(dāng)巷道遇構(gòu)造、煤體破碎松軟、巷道有淋水時(shí)或局部頂板破碎出現(xiàn)頂空時(shí)，必須在頂空區(qū)域補(bǔ)打錨桿，并及時(shí)縮小頂、幫錨網(wǎng)索支護(hù)間排距，提高巷道支護(hù)強(qiáng)度。支護(hù)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 切眼支護(hù)設(shè)計(jì)示意Fig.1 Support design of open-off cut

2.5 支護(hù)參數(shù)驗(yàn)算

2.5.1 頂板錨索長度L

式中：L為錨索總長度，m；La為錨索打設(shè)到較穩(wěn)定巖層的錨固長度，m。；Lb為需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，取4.5 m；Lc為托板及錨具的厚度，取0.15 m；Ld為外露張拉長度，取0.25 m。

式中：K為安全系數(shù)，取1.5；d1為錨索直徑，取0.015 24 mm；fa為錨索抗拉強(qiáng)度，N/mm2，取1 860 N/mm2；fc為錨索與錨固劑的粘合強(qiáng)度，取33 N/mm2。

計(jì)算可得La≥0.32 m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取值2 m符合規(guī)定。

L=2+4.5+0.15+0.25=6.9 m

該切眼沿煤層底板掘進(jìn)，預(yù)計(jì)托頂煤4.5 m，錨索在頂板上矩形均勻布置，結(jié)合礦井煤巷錨索支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，取L=7.5 m。

2.5.2 頂錨索間、排距

錨索步距距（So）和排距（S1）根據(jù)每根錨桿懸吊的巖石重量確定，通過等距排列，即a=So=S1，則

式中：a為錨索間排距；Q為錨索設(shè)計(jì)錨固力，150 kN/根；K為錨索安全系數(shù)，一般取1.5～2；γ為巖體容重，取25.3 kN/m3；煤體容重取15.8 kN/m3，綜合取值18.7 kN/m3；L2為錨索有效長度，取6.5 m。

設(shè)計(jì)間排距應(yīng)≤0.907 m，取排距0.8 m，間距0.9 m符合要求。

2.5.3 懸吊理論校核錨索排距

式中：L為錨索排距；B為巷道最大冒落寬度，7 m；H為巷道最大冒落高度，2 m；γ為煤體容重，15.8 kN/m3；F2為錨索極限承載力，260 kN；n為錨索排數(shù)，取1。

則：L≤1.17 m，取排距0.8 m符合要求。

2.5.4 錨索數(shù)目

錨索數(shù)目的校核，應(yīng)滿足式（5）。

式中：N為錨索數(shù)目；K為安全系數(shù)；1.5；P斷為錨索最低破斷力，260 kN；W為被懸吊巖石的自重，kN。

式中：B為巷道掘進(jìn)寬度，7 m；D為錨索間排距，0.8 m；∑h為需要穩(wěn)固的巖石高度，取6.5 m；∑γ為需要穩(wěn)固的巖石平均容重，取18.7 kN/m3。

則W=680.68 kN

N≥3.9，設(shè)計(jì)取值9，符合要求。

2.5.5 幫錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)秦巴列維奇理論計(jì)算巷道圍巖破壞范圍，巷道兩幫煤體破壞深度見式（7）。

式中：H為巷道中高，取2.5 m；α為煤層的內(nèi)摩擦角，取38.4°。

則C=1.97 m。

根據(jù)以上計(jì)算，設(shè)計(jì)選用左旋無縱筋等強(qiáng)錨桿，桿體材質(zhì)為3號(hào)鋼，L=2 m，d=20 mm，符合要求。

2.6 支護(hù)效果分析

通過頂板離層儀觀測表明，圍巖深部位移受初掘和刷大的影響，刷大時(shí)導(dǎo)致深部位移明顯增大。由于錨網(wǎng)索支護(hù)結(jié)構(gòu)整體性較好，加上中間支柱的支撐作用，雖然切眼跨度較大，但采用“錨索+W鋼帶+礦用塑料網(wǎng)+液壓點(diǎn)柱支護(hù)”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，巷道頂板無明顯離層，巷道圍巖得到有效控制。

3 針對切眼施工存在難題及采取措施

針對切眼存在巷道施工、運(yùn)料及人員上下非常困難，特別是由于切眼傾角較大，爆破后煤矸自然滑落，無穩(wěn)定工作平臺(tái)、巷道易飛矸傷人，急傾斜煤層拖煤頂掘進(jìn)存在頂板維護(hù)難度大等問題，研究制定一系列解決方案。

（1）解決人員行走困難。采用人矸分離的方法施工。人行道側(cè)使用鐵梯子作為行人時(shí)的臺(tái)階，鐵梯子距離迎頭不超過1 m，鐵梯每隔2 m兩幫使用錨桿固定在底板上，使用棕繩作為防護(hù)繩，人行道一側(cè)為鋼梯扶手，另一側(cè)為護(hù)繩。

（2）解決掘進(jìn)迎頭施工困難。爆破作業(yè)時(shí)搭建工作平臺(tái)。使用2根圓木、圓環(huán)鏈及木板搭建工作平臺(tái)。將圓木一頭固定在鏈子上，一頭埋入迎頭預(yù)先掏出的柱窩內(nèi)，并固定牢固。

（3）防飛矸損傷頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)措施。由于切眼傾角大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煤矸自然安息角，在重力作用下，煤矸爆破，（人工出矸）后加速下落，撞擊頂板，損傷頂板錨固支護(hù)結(jié)構(gòu)，使破碎頂板層理、節(jié)理結(jié)構(gòu)面進(jìn)一步發(fā)育；為防止飛矸損傷頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)，采用頂板吊掛廢舊膠帶的方式柔性抗沖擊，吸收動(dòng)能，阻止其彈射撞擊頂板損傷支護(hù)結(jié)構(gòu)。

（4）頂板穩(wěn)定控制措施。針對煤層節(jié)理或裂隙發(fā)育等特殊頂板情況，對頂板松散破碎范圍內(nèi)的煤體巷道使用點(diǎn)錨和超前錨桿支護(hù)，通過錨桿支護(hù)作用對松散破碎區(qū)內(nèi)的圍巖進(jìn)行組合梁加固和錨索的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，將其和深部圍巖形成一個(gè)整體頂板，進(jìn)一步強(qiáng)化內(nèi)承載結(jié)構(gòu)的承載能力。另外，在切眼內(nèi)及時(shí)打設(shè)4排液壓點(diǎn)柱，確保支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（5）切眼局部底板加固措施。由于切眼傾角較大，切眼上下端頭煤層底板留三角煤處采取局部加固措施，采用φ18 mm×1 800 mm全螺紋等強(qiáng)錨桿，每根錨桿配合120 mm×120 mm×8 mm托板，五花交錯(cuò)布置，間排距1 400 mm×1 400 mm，底板鋪設(shè)菱形金屬網(wǎng)，每200 mm用鐵絲連接。

4 結(jié) 論

（1）采用礦用全液壓鉆機(jī)施工導(dǎo)孔開切眼的方法，其工作環(huán)境和安全狀況都較普通炮掘?qū)Ф词┕?yōu)越，鉆機(jī)導(dǎo)孔施工具有鉆進(jìn)效率高、施工速度快、操作簡單、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低等諸多優(yōu)勢，消除了類似條件炮掘過程中的諸多安全隱患。鉆機(jī)導(dǎo)孔施工技術(shù)正成為天順礦業(yè)急傾斜煤層工作面開切眼或繞道優(yōu)先采用的方法。

（2）“錨索+W鋼帶+雙塑料網(wǎng)+液壓支柱”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)具有支護(hù)強(qiáng)度大、時(shí)效性強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)合理等特點(diǎn)，支護(hù)切眼的效果更好，實(shí)現(xiàn)安全作業(yè)，達(dá)到了工作面迅速安裝及礦井的安全高效生產(chǎn)。該技術(shù)緩解了急傾斜厚煤層放頂煤工作面托頂煤掘進(jìn)支護(hù)切眼的困難，有效控制了切眼的變形量，單體液壓支柱對頂板適應(yīng)能力強(qiáng)，每次施工前對點(diǎn)柱進(jìn)行二次注液，及時(shí)有效控制了頂板變形，確保大斷面切眼巷道頂板的安全和使用空間。

（3）該聯(lián)合支護(hù)技術(shù)形成了高強(qiáng)度、高錨固點(diǎn)及高承載結(jié)構(gòu)的支護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了巷道圍巖的穩(wěn)定控制，為同等地質(zhì)條件下的切眼掘進(jìn)施工提供了技術(shù)支撐，減少掘進(jìn)和維護(hù)費(fèi)用。