大跨度切眼優化設計與工程實踐

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摘要：施工3209切眼，面臨巷道跨度大、煤層傾角大、過多條斷層等復雜條件。設計先掘導硐后擴刷，采取錨網索帶聯合支護，過斷層破碎區域注漿加固。為了保證5m高切眼支護穩定，在擴寬切眼時，采用雙排墩柱式支架補強支護。工程結束實測頂板下沉量不超過60mm，兩幫移近量不超過80mm，巷道圍巖沒有出現明顯離層和變形，工程實踐既安全可靠又成效顯著。

關鍵詞：大跨度切眼；墩柱式支架；優化設計

1工作面概況

金莊礦3209綜采工作面位于32采區東部，北面是采區集中巷，南面是臨礦邊界，西側為3207采空區，東側為F4∠70°H=0～60m斷層。主采3下煤層，厚度5.7～7.8m，平均7.3m，煤層賦存標高-500～-630m，煤層傾角約30°。煤層頂板多為中、細粒砂巖，局部為砂質泥巖、粉砂巖，底板為砂質泥巖、粉砂巖。該綜采工作面，面長120m，走向長度約600m。采用一次采全高綜采工藝，開采過程中主要受到水、火、頂板等災害威脅。要求切眼掘進高度不低于4.9m，正常寬度不小于10.6m，煤機窩處寬度不小于13m，長度15m。3209切眼中部分布著F1∠45°H=4.5m、F2∠60°H=3～6m、F3∠55°H=4m共3條落差較大的斷層。該區域巷道主要受到斷層構造影響，再加上掘進斷面寬度較大不利因素，施工過程中將面臨較大困難，所以應采取必要措施加以解決，3209綜采工作面平面示意圖如圖1所示

2設計與施工面臨問題原因分析

3209切眼設計與施工面臨復雜問題，究其原因主要有5個方面：（1）3209工作面是32采區最后一個綜采工作面，位于采區的最東端也是最低區域，煤層賦存標高-630m，水、火、頂板等災害治理難度較大。（2）該區域煤層賦存較厚，平均傾角30°，掘進施工和工作面安裝有難度。（3）根據三維物探結果分析，3209切眼掘進過程中需要過3條落差較大斷層，切眼斷面凈高×凈寬=4.8m×10.6m，給有效支護和安全施工帶來挑戰。（4）過斷層破碎帶時，可能出現高冒區，容易形成瓦斯或熱能集聚，不利于安全生產。（5）3209切眼跟煤層底板施工，掘進高度4.9m，煤層平均厚度7.3m，頂板有1～2.5m厚的頂煤需要控制。若錨桿支護不到位僅靠錨索支護，在應力作用下，頂板可能出現離層大面積垮落。對于大跨度切眼而言，這是潛在危險，如圖2所示。因此，在3209切眼的設計與施工過程中，在傳統的錨網索帶聯合支護基礎上，需要增加新的技術手段進行補強支護，期望達到“安全可靠、技術可行、經濟合理”之目的。

3優化設計與應對方案

3.1導硐支護設計

切眼分2次掘進，第1次掘進寬度5600mm，第2次掘進寬度4800mm，掘進順序為先掘南側導硐，再向工作面北側擴刷。導硐采用錨網索帶聯合支護方式。錨桿采用準22mm左旋無縱肋500#螺紋鋼錨桿，為保證錨桿錨入頂板硬巖，選用加長錨桿L=3m，錨桿間排距850mm×800mm，設計預緊力矩不低于300Nm。錨索采用準21.6mm的1×19股預應力鋼絞線，頂板錨索L=8m，每排布置3根，如圖3所示。為應對高側壁礦壓威脅，非刷幫側施工幫錨索L=5m，頂板和幫部錨索間排距均為1600mm×1600mm，安裝在2排頂錨桿中部，預緊力250kN。頂、幫配合W鋼帶15mm×150mm×5000mm，采用準6.5mm×100mm×100mm鋼筋網護頂，網片規格2900mm×900mm。

3.2切眼擴寬支護設計

考慮到切眼高度約為5m，為了保證切眼支護穩定，在擴寬切眼施工時，采用墩柱式支架加強支護。支架型號為ZQ2500/27.5/58，支架高度2750～5800mm，初撐力1994kN（p=24MPa），工作阻力2500kN（p=30.08MPa），底板平均比壓2.88MPa，泵站壓力24MPa，液壓雙伸縮立柱數量2根，質量約3.3t，如圖4所示。支架安裝位置距離幫2500mm，2排墩柱之間預留5m運輸通道。掘進過程中，過斷層區域圍巖破碎，用中空注漿錨桿準25mm×3800mm注漿加固，錨桿間排距2400mm×2400mm。采用425#普通硅酸鹽水泥，漿液水灰比0.7∶1，最大注漿壓力2.5～3.5MPa。注漿可以封閉圍巖，加固破碎煤巖體，保證施工安全。3209切眼最大斷面擴刷至凈高×凈寬=4900mm×13000mm，采用錨網索帶聯合支護方式，配合雙排墩柱，支護強度應論證，如圖5所示。

3.3支護強度驗算

頂板支護從安全可靠角度出發，理論驗算時必須驗算切眼最大支護強度。當切眼擴刷至全寬時，頂板最大可能冒落高度下每米巷道的巖石重量W=Bhy=10.6（13.0）×5.0×25（1）=1325kN/m（1625kN/m）式中B———巷道寬度，B=10.6m或13.0m；h———頂板的最大可能冒落高度，結合3下煤層頂板實際情況，取h=5.0m；y———巖石容重，y=25kN/m3。為保證支護的有效性，理論驗算時暫時不考慮頂板錨桿及其他輔助支護，則單位巷道錨索的支護力P′=NPη/s=2800kN/m＞1325（1625）kN/m（2）式中N———每排（控頂距0.8m）安裝的錨索數量，N=8；P———準21.6mm鋼絞線錨索的最大錨固力，P=350kN；η———錨索破斷力利用系數，η=0.8；s———排距，s=0.8m。掘進過程中若不考慮錨桿的懸吊力，全部頂板外載由錨索單獨承擔，錨索懸吊支護的安全系數n=P′/W=2800/1325（1625）=2.1（1.8）（3）經過上述驗算，3209工作面切眼頂板采用錨網索帶聯合支護，能夠滿足支護要求。同時，考慮到該區域為斷層破碎帶，所以在切眼內安裝雙排墩柱式支架ZQ2500/27.5/58加強支護，確保安全。

4效果檢驗

為了及時掌握巷道變形情況，3209切眼內布置表面位移測站觀測頂、底板和兩幫移近量。安裝頂板離層儀，并且采用十字交叉法進行巷道表面位移觀測。在頂、底板中部分別安裝測量基點C點和F點，在兩幫中部分別安裝測量基點D點和E點。其深基點A與錨索長度L=8m相同，位于堅硬穩定巖層。淺基點B深度為2～2.5m，處于頂板煤層中。。間隔30m設置1組，共3個檢測點，如圖6所示。觀測結果顯示，掘進工程完成1個月內3209切眼頂底移近量不超過60mm，兩幫移近量不超過80mm，巷道圍巖沒有出現明顯的離層和變形，如表1所示。

5結語

3209綜采工作面切眼采用錨網索帶聯合支護設計，選用先掘導硐后刷寬的施工工序。為保證斷層破碎帶支護的安全可靠性，對其頂板進行注漿加固，并且在切眼中部布置雙排墩柱式支架加強支護。圍巖移近量觀測結果顯示，沒有發現較大量的頂板離層現象。該項支護技術完全能夠滿足安全生產需要，工程實踐取得了較好的經濟和社會效益。

參考文獻：

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作者：田學春 單位：棗莊市金莊生建煤礦