童亭煤矿864工作面大断面切眼支护参数研究

童亭煤矿864工作面大断面切眼支护参数研究

李连政

淮北矿业集团童亭煤矿安徽淮北25137

摘要：为了解决童亭煤矿864工作面“三软”中厚煤层大断面切眼稳定支护问题，提出了采用锚网索加挑棚联合支护方式。通过工程类比法及理论计算法对支护参数进行研究，确定了切眼二次刷大后支护参数，并进行现场监测，结果表明支护效果良好，所得结论可为类似矿井大断面切眼支护提供借鉴。

关键词：大断面切眼；锚网索加挑棚联合支护；支护参数；现场监测

0引言

切眼是工作面开始回采的地方，因煤矿综合机械化生产的需要开切眼断面逐渐增大[1]。对于复杂地质条件下的大断面切眼的稳定支护问题，我国学者对此做了大量研究在支护设计理论、支护形式及施工工艺等方面成果丰富[2-6]。

本文根据童亭煤矿864工作面煤层赋存及切眼施工条件，通过工程类比法及理论计算法提出锚网索加挑棚联合支护方式并对支护参数进行设计，并进行现场监测检验支护效果。

1工作面地质条件及切眼断面参数

1.1工作面概况及顶底板条件

864工作面是童亭煤矿86采区首采工作面，埋深500m，根据地面钻孔资料分析，864工作面煤层结构较复杂，工作面内局部有1层夹矸，顶板岩性以灰黑色块状粉砂岩为主，裂隙发育，含大量植物叶部化石，底板为灰色块状泥岩。煤厚1.33～3.39m，平均2.35m，粉末－鳞片状，普氏系数为1.5。工作面煤层倾角为7~14°，平均约10°，局部受构造影响倾角较大。864工作面切眼所在8煤属典型“三软”煤层，巷道围岩变形量大，支护难度高。

1.2切眼断面参数

为了更好的进行围岩变形量控制，864工作面切眼分两次掘进。第一次掘进导硐（矩形）宽×高=4500mm×3000mm，巷道高度为到轨面高度。第二次扩帮掘进，切眼成型后（矩形）宽×高=7500mm×3000mm，巷道高度为到轨面高度。切眼总长度180m，沿煤层掘进。

2切眼支护参数及设计依据

2.1切眼支护参数设计

因864工作面是童亭煤矿86采区首采工作面，因此切眼支护采用工程类比法，切眼支护设计依据同煤层的8216工作面切眼支护形式。支护形式：锚带网索+单体顺山挑棚支护。支护参数为：

（1）导硐支护参数：

顶板6跟GM20/2400高强锚杆配合6孔4.2m长M4型钢带、10#铁丝金属网联合支护，另外每隔2排采用2根φ17.8-L6300mm预应力锚索代替2根锚杆打在钢带2、4孔里进行补强支护，锚杆间距800mm、排距800mm，锚索间距1.6m、排距1.6m。煤柱侧帮打4根GM/2400高强锚杆配合2.8m长M4型钢带、10#铁丝金属网联合支护，锚杆间距800mm、排距800mm。配合3.5m（4.0m、4.5m）长外注式液压单体、1.2m（1.0m）长铰接顶梁、顺山挑棚补强支护单体棵棵穿250×250mm铁鞋。顶锚锚拔力≮80kN，帮锚锚拔力≮60kN，液压单体支柱初撑力≮70kN。

（2）刷大侧支护参数：

顶板5根GM20/2400高强锚杆配合5孔3.2m长M4型钢带、10#铁丝金属网联合支护，另外每隔2排采用2根φ17.8-L6300mm预应力锚索代替2根锚杆打在钢带2、4孔里进行补强支护，锚杆间距750mm、排距800mm，锚索间距1.5m、排距1.6m；煤壁侧帮打2根GM/2000高强锚杆配合2.8m长M4型钢带（锚杆打在一、三孔内）、10#铁丝金属网联合支护，锚杆间距800mm、排距1600mm。配合3.5m（4.0m、4.5m）长外注式液压单体、1.2m（1.0m）长铰接顶梁、顺山挑棚补强支护单体棵棵穿250×250mm铁鞋。顶锚锚拔力≮80kN，帮锚锚拔力≮60kN，液压单体支柱初撑力≮70kN。支护方案如图1所示。

（a）巷道支护剖面图

（b）巷道支护俯视图

图1巷道支护方式示意图

2.2切眼支护方式设计理论依据

下文计算中所使用煤岩体物理力学参数如下表2。

表1煤岩体物理力学参数

（1）巷道理论半径确定

当量半径式中rs为当量半径，m；s为巷道实际段面积，m2；kx为巷道断面修正系数，矩形巷道取值1.2；代入数据得到rs=3.21m。

外接圆半径几何作图法得到外接圆半径如图2所示。

由图2知外接圆半径为4.04m，两者取小值得到巷道理论半径为3.21m

（2）以极限平衡区深入围岩的最大深度判断围岩类别

计算极限平衡区深入位移的深度Δ

式中R0巷道理论半径，取3.21m；γH为自重应力，经计算为12.5MPa（8号煤层埋藏深度500m）；Pi为支护阻力，属于低支护阻力，可以忽略，取0；R为极限平衡区半径；C为岩石内聚力，取19.8MPa；为岩石内摩擦角，取36°；K1为采动影响系数，取1.6；K2为煤岩体力学参数修正系数，取1/2.5；；代入各参数：R＝4.34m。极限平衡区深入围岩的最大深度Δ＝4.34－3.21＝1.53m。

图2外接圆半径示意图

巷道周边位移

式中G为剪切弹性模量，=1077.87MPa，由表1，E取2630MPa，ν取0.22；代入各参数得到：μ＝0.33m根据极限平衡区理论围岩分类见表2，围岩属于Ⅲ1类。结合现场采用支护方式，推荐使用锚网梁+锚索支护方式，综合考虑864切眼围岩条件选取锚网索加挑棚支护方式。

表2极限平衡区理论围岩分类表

（3）支护参数设计依据

因巷道开挖后，原岩应力遭到破坏应力重新分布，待应力重新分布稳定后，巷道新的平衡界面形成类拱形结构[2]，即压力拱如图3所示。

图3矩形巷道压力拱示意图

根据普氏理论，矩形巷道顶板冒落拱高度为：

式中h1为垮落带高度，m；b为巷道宽度的1/2，m；h为巷道高度，m；为巷道围岩内摩擦角，36°；带入参数可得h1=2.17m。由此可得冒落拱范围内岩层维持稳定需要支护强度为式中γ为巷道围岩容重，s为冒落拱包络线内围岩截面积，m2；k为动压影响系数取3.5；带入参数可得P=0.15Mpa。设计支护方案提供的支护强度根据图1（b）计算得到P1=0.28Mpa。因为P1>P，所以864切眼设计支护方式满足支护强度要求。

3切眼矿压观测结果

3.1巷道表面位移监测

864切眼历时60d掘进施工完成，对该切眼进行矿压观测。测站布置为距上下端口15m布置1#和6#测站，其余按30m等间距布置2#，3#，4#，5#测站，每个测站布置一个锚杆测力计、一个顶板离层仪及十字交叉法布置的巷道围岩变形量观测点。观测频率为距迎头50m范围内每天观测一次，50m~100m范围内每三天观测一次，>100m每周观测一次，观测结果见下文。

表3巷道表面位移及锚杆测力计变化量

由表3可知，在这种支护方式下巷道两帮变形量最大值为312mm，两帮收敛平均速度为4.25~5.38mm/d。顶底板移近量最大为86mm，顶底板平均移近速度为0.66~1.48mm/d。检测结果表明切眼在二次掘进成型后变形量在可控范围内不影响综采设备的安装。

3.2顶板离层仪监测结果

顶板离层仪以深基点为8m浅基点为3m安装。其监测结果以距风巷15m的1#和距风巷105m的4#测站为例进行分析。

图41#测站顶板离层仪观测结果

图54#测站顶板离层仪观测结果

由图4和图5知，顶板离层主要集中在0~3m范围内，3~8m范围内顶板离层较小。

4结论

针对童亭煤矿864“三软”煤层大断面切眼支护问题，在工程类比法的基础上通过理论计算得到巷道支护形式及支护参数的设计依据。同时对切眼支护效果进行现场监测分析认为设计支护形式能够保证864切眼的稳定支护。论文所得结论可为类似矿井大断面切眼支护设计提供借鉴。

参考文献

[1]贾后省,李国盛,张辉,等.深部大跨度切眼顶板分区控制技术[J].重庆大学学报,2017,40(02):16-25.

[2]魏世义.深井破碎顶板大断面开切眼支护参数优化研究[J].煤炭科学技术,2013,41(04):28-31+35.

[3]李亚军.综采工作面大跨度开切眼支护研究与实践[J].内蒙古煤炭经济,2014(09):108-109+130.

[4]宋义德,李海涛.下峪口煤矿21308炮掘面切眼支护技术研究[J].陕西煤炭,2016,35(02):44-46.

[5]刘建国.深部高应力区大断面切眼支护技术研究[J].中州煤炭,2016(04):83-85.

[6]醋永斌.大断面切眼联合支护技术的应用[J].内蒙古科技与经济,2008(10):50-51.

作者简介

李连政（1989-），男，山东邹城人，2013年毕业于山东理工大学，助理工程师，现主要从事掘进现场技术及管理工作。