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深埋冲击区域大跨度岔门顶板复合支护技术

2024-11-03 39 上传者：管理员

摘要：工作面切眼大跨度岔门支护是煤矿顶板管理的重中之重。随着煤矿开采逐步向深部方向发展，受地质构造、采空区、埋藏深度等诸多因素影响，冲击地压危险区域巷道支护条件越来越复杂，给大跨度岔门顶板支护带来了较大难度。结合姚桥煤矿矿井自然条件，在满足冲击地压支护标准的条件下，对工作面切眼大跨度岔门顶板采取了复合支护加固技术，取得了较好的应用效果。

关键词：
回采装备
大跨度岔门顶板支护
巷道围岩
水文条件
矿井开采
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随着矿井开采深度的增大，巷道围岩的应力逐步加大，顶底板赋存厚度、瓦斯和水文条件也愈发复杂，给巷道的安全施工和稳定支护带来很大难度[1-2]。切眼作为回采工作面的主要构成部分，开掘期间其上下口大跨度岔门顶板支护是关键。随着回采装备的不断革新，对切眼宽度要求越来越大，导致切眼岔门处巷道悬顶跨度逐步增大，给巷道支护带来了较大难度。可见，深井复杂条件下，以大断面、大跨度为特征的切眼巷道支护是业内研究热点[3-5]。结合姚桥煤矿实际状况，对深部工作面切眼大跨度岔门顶板支护进行了成功实践，为类似条件下巷道支护提供技术借鉴。

1、岔门施工赋存状况

姚桥煤矿位于江苏省沛县杨屯镇。该矿开采的7010工作面地表为农田，该工作面东北为中央回风下山，东南为7011采空区、7009采空区、7008采空区。工作面对应地面标高+33.82 m～+34.07 m，工作面井下标高为-777 m～-831 m。根据《姚桥煤矿7010工作面冲击危险性评价》报告可知：7010工作面掘进期间切眼冲击地压危险状态等级评定综合指数Wt=0.57，具有中等冲击危险性。

根据工作面设备选型安装需要，切眼上口岔门设计如图1所示。岔门巷道均为矩形断面，材料道宽5.5 m、切眼（含煤机窝）宽10.6 m，巷道高3.2 m。7#煤厚度5.5 m，煤层直接顶为泥岩、砂质泥岩，厚度6.79 m；煤层老顶为粉砂岩，厚度5.07 m。该区域上部紧邻7008采空区，隔离煤柱宽度5 m；切眼掘进时沿7#煤底板施工，托顶煤厚度2.3 m。

图1岔门位置平面布置

该区域巷道标高-794 m，原设计采取锚网索+架设11#矿用工字钢棚联合支护。但该支护方式不符合冲击地压煤层的有关规定（有冲击地压煤层的巷道严禁采用刚性支护）。即便采用可缩性支架代替刚性棚支护，考虑到工作面安装时大件设备进出切眼等，棚腿局部区域限制了运输空间。选择合适的岔门支护方式，保证岔门处材料道区域顶板支护强度，同时满足工作面设备安装需要是关键。

2、复合支护承载力设计

岔门顶板处于实体煤岩层中，为确保顶板支护强度，掘进施工优先选取锚网索支护方式。锚架复合支护是提高大跨度岔门顶板支护强度、维护岔门空间最有效的手段。考虑到7010材料道切眼岔门特殊的地质条件，在选取锚网索支护设计参数时应留设富余系数。选取可缩性支架复合支护时，符合支护强度的条件下实现棚腿挪移、满足工作面安装空间尤为重要。综合分析，决定尝试单体棚复合支护岔门。

2.1 锚网索支护设计

(1）锚杆选取长度

根据岔门区域地质条件，得知：采深H取834.67 m；煤厚M取5.5 m；容重：γ煤=1.38 T/m3,γ岩=2.4 T/m3；黏结力C=6.8 MPa；内摩擦角φ=33.6°，λ=(1-sinφ)/2sinφ=0.4；剪切弹模G=2.4×103MPa；采动影响系数K1=2.3，煤岩体力学参数修正系数K2=0.5；原岩应力γ×H=2.4×834.67=20.03 MPa；巷道面积：S=宽×高=5.5×3.2=17.6 m2；支护阻力：Pi很小，取Pi=0；巷道当量半径a=1.20×（S/3.14)0.5=2.59 m。不考虑采动影响时巷道周边极限平衡区半径R′：

式中：L为锚杆长度；L1为锚固长度，采用加长锚固，L1>L/3，取0.8 m；Δ′为加固范围；L2为锚杆外露长度，取0.1 m。

考虑7010材料道为沿空送巷、巷道断面跨度大及防冲治理等因素，取L=2.4 m。

(2）锚杆直径确定

设定锚杆间排距800 mm×700 mm，求直径D。

式中：qd′为载荷集度；γ为极限平衡区煤岩体的容重；取γ=2.4 T/m3;n为载荷备用系数，取2;h为矩形巷道的半高；单根锚杆支护面积：S=0.8×0.7=0.56 m2；锚杆直径D:

式中：[σ]为杆体材料屈服强度，[σ]=500 MPa。根据《国家煤矿安监局关于加强煤矿冲击地压防治工作的通知》要求，锚杆直径选取D=22 mm。

(3）锚杆间排距选取

已知锚杆直径D，求锚杆间排距（H,I），令H=I，则：

故材料道岔门顶部锚杆间排距为800 mm×700 mm时满足要求。因此，巷道断面顶部选用φ=22 mm、屈服强度为500 MPa、长度L=2.4 m螺纹钢锚杆，锚杆间距为800 mm，锚杆排距为700 mm，锚固力不小于64 kN。

2.2 锚索设计

(1）锚索长度选取

式中：L为锚索长度；L1为锚索深入坚硬岩（煤）层内的锚固长度，一般为1.0～1.5 m，取1.5 m；Δmax为考虑采动影响时极限平衡区深入围岩的最大深度（取6.4-3.6=2.8 m);L2为锚索外露长度，取0.3 m。

根据计算及工程类比，考虑材料供应等因素，选取锚索长度为7.2 m。

(2）锚索直径确定

根据《国家煤矿安监局关于加强煤矿冲击地压防治工作的通知》要求，锚索直径选取D=21.6 mm。

(3）锚索间排距选取

与已回采完毕的大采深工作面（7008、7013）材料道支护参数进行类比，深部沿空小煤柱巷道压力显现明显，需提高支护强度，有针对性地对巷道进行支护。

每排考虑布置3根φ21.6锚索。根据锚索的屈服载荷求锚索排距：

式中：Y1为SKP21.6型锚索的屈服载荷，Y1=50.4 t;B为巷道跨度；φ为内摩擦角；γ极限平衡区煤岩体容重（γ煤岩=2.4 t/m3）；Δ为极限平衡区深入顶板围岩的深度（取6.4-3.6=2.8 m）。

通过计算和工程类比，结合此处冲击地压、采空区、大埋深、大跨度诸多因素影响，设计选用φ21.6 mm锚索，每排布置3根锚索，锚索间排距1.4 m×1.6 m，锚索长度为7.2 m，张紧力为80～100 kN。

2.3 单体棚支护设计

单体棚支护，顾名思义采用液压单体作棚腿、矿用工字钢作棚梁的组合支护。根据巷道断面高度为3.2 m，液压单体选取DZ3500型，柱径100 mm。棚梁选矿用11#工字钢制作：工字钢长度5.5 m，沿对称线按间距1.6 m制作两个φ25 mm锚索穿孔；为保证靠近切眼岔门处棚腿的拆除、挪移，按间距1.6 m靠近切眼侧增加制作一个锚索穿孔，在工字钢穿孔位置敷设5 mm厚钢板焊接加强筋。在棚梁与顶板不平整处敷设长度2.0 m半圆木进行找平，便于锚索张紧时棚梁受力与顶板充分接触、受力均衡。

单体棚随材料道岔门区域锚网索支护同步安装：敷设棚梁时棚距按照1.6 m控制，棚梁安装悬顶锚索均衡预紧，张紧力按80～100 kN控制。为增大锚具与棚梁的接触面积，改善锚具及钢梁受力均衡分布，加工槽钢代替托盘使用。单体棚腿根据施工进度，在具备安设条件时补齐。单体底脚穿设高分子鞋垫，顶端垭口敷设橡胶防滑垫后再支撑钢梁，注液加压强度实现支撑有力即可，在单体上端部安装防倒绳、下部设置防倒板，形成稳固的有机整体性。

综合上述锚网索、单体棚支护设计分析，得知岔门材料道区域按图2所示断面设计进行支护、加固。在材料道与开切眼紧邻处，肩窝留设网片压茬、钢带搭接部分，待切眼开掘后做好相应的顶板支护搭接。为确保切眼区域顶板支护强度，除采取正常的锚网索支护外，按照1.6 m×1.6 m间排距布设支撑单体点柱加固切眼顶板。根据生产需要，工作面安装时可对岔门单体棚腿、切眼布设的单体进行位置挪移措施。在满足岔门顶板支护强度的前提下，解决了生产空间受限制的难题。

图2复合支护设计断面

3、围岩监测治理

为做好顶板支护质量观测，在岔门区域布置了围岩变形观测站，同时安设了顶板在线离层仪、锚杆（索）应力在线监测系统。按照防冲治理管控措施要求，严格做好煤体监测、卸压施工管理。钻屑监测：采用ZQS-50/2.5S风煤钻打眼，1 m长分节麻花钻杆配φ42 mm方钎头，帮部钻屑孔位于底板向上方0.5～1.5 m处；钻孔孔深13 m，钻孔垂直煤层施工；掘进迎头每天施工两个钻屑孔，迎头监测孔始终满足具有不小于5 m的超前监测距离；巷道两帮钻孔间距为10 m，监测间隔为1天。钻孔卸压：迎头“三花”布置3个大直径钻孔，孔径150 mm，孔深≥20 m，相邻钻孔孔口间距0.8～1.2 m。当迎头至正前方卸压孔底距离小于5 m时，施工下一轮钻孔，始终保证掘进迎头正前方至少8 m处于卸压范围；在实体帮单排布置大直径卸压孔，孔径150 mm，孔深20 m，间距0.8～1.2 m，距底板0.5～1.5 m，施工完毕后封孔。随着掘进面的不断推进，不断跟进卸压工作，并保证帮部卸压区域滞后迎头距离不得大于5 m。

4、应用效果评价

在严格落实防冲作业限员、物料生根固定、煤体监测卸压、顶板实时监测等多重预防措施下，做好巷道复合支护内在工程质量管理。通过对围岩变形十字观测站数据得知，工作面切眼岔门区域自开掘至工作面设备安装结束，巷帮位移最大变形量为132 mm；顶底板最大位移变形量为95 mm。通过顶板离层实时在线监测数据知，顶板深部离层量为16 mm；浅部离层量为36 mm。通过锚杆（索）应力在线监测数据可知，顶板锚杆应力监测数据为94 kN；锚索应力在线监测数据为248 kN。综上数据可知，工作面整个设备安装过程中，巷道复合支护发挥了较好的综合力学效能，根据生产需要采取了棚腿摘移施工，顶板支护仍然发挥了较好的力学平衡作用，在满足生产空间变化需求的基础上，保障了顶板支护的安全可靠性，现场支护实景如图3所示。

图3复合支护现场实景

5、结语

复合支护技术的实践与应用，解决了冲击地压危险区域大跨度顶板支护的难题，尤其涉及深埋、沿空送巷、岔门等较为复杂的地层条件下，更突显了浅部、深部及主动支撑的联合控顶技术优势，为类似条件下巷道施工及顶板管理积累了技术经验。

参考文献:

[1]高新亚.断层条件下的大巷施工与围岩控制技术研究[D].淮南:安徽理工大学,2012.

[2]刘泉声,张伟,卢兴利,等.断层破碎带大断面巷道的安全监控与稳定性分析[J].岩石力学与工程学报,2010,29(10):1954-1962.

[3]张治军.千米埋深软岩大断面设计及支护技术[J].煤炭技术,2017,36(3):44-46.

[4]万世文.深部大跨度巷道失稳机理与围岩控制技术研究[D].徐州:中国矿业大学,2012.

[5]韩杰.复杂地质条件大跨度切眼施工与支护技术应用[J].江西煤炭科技,2022(2):38-40.

文章来源:王念雷.深埋冲击区域大跨度岔门顶板复合支护技术[J].江西煤炭科技,2024,(04):17-19+31.