刘利勤

(霍州煤电集团有限责任公司 木瓜煤矿， 山西 吕梁 033200)

1 矿井地质条件概况

木瓜煤矿设计与公告能力120万t/年，矿区内10-201工作面位于二盘区准备巷道南翼，工作面上部及周边均为实体煤岩层，工作面以北紧邻二盘区3条准备大巷。10-201工作面小切眼沿9#煤层顶板掘进，设计长度245 m(中至中)，煤层倾角9°～13°，平均11°. 煤层顶板岩层裂隙较发育，受风氧化带影响，顶板泥岩呈黄色，局部呈灰色，较软，夹杂有灰岩碎屑；底板为灰黑色泥岩，较硬，遇水不膨胀。巷道断面形状为矩形，小切眼掘进期间巷道断面毛宽5 600 mm，净宽5 400 mm，毛高4 100 mm，净高4 000 mm. 支护方式为“六·六”布置的锚索网支护，在实际工作过程中，由于大采高支架最小长度为8.5 m，一次成巷顶板管控难度较大，且10-201工作面受井田边界风氧化带影响，顶板节理裂隙发育，岩层赋存不稳定，支护稳定性差。因此，迫切需要采用新的切眼扩刷和支护方案，确保综采面在综采作业过程中的稳定性。

2 综采面切眼扩刷要点分析

综合分析后采用先小切眼预先导洞贯通，再用综掘机扩刷施工至设计大断面的方案。在扩刷的过程中采用边扩刷边安装的工艺，提高安装稳定性。同时为了满足井下巷道扩刷过程中胶轮车等设备的通过需求，将巷道的扩刷宽度设置为10 m.

为了满足巷道的扩刷需求，结合10-201综采面井下实际情况，对切眼扩刷工艺流程进行了优化。首先在开口时使用综掘机割煤，采用机载临时支护装置进行临时支护，联排支架加强顶板支护，40 T刮板输送机配合出煤至10-201巷皮带。当从开口位置扩刷21 m，具备端头支架安装所需空间时，开始安装第一架端头支架。支架安装完成后，综掘机继续向前扩刷1.75 m，联排支架跟着前移，当待安支架与联排支架末端距离达到10 m时，再进行下一架支架安装，依此循环。待从开口位置扩刷45 m时，具备安装简易皮带条件，此时拆除40 T刮板输送机，安装简易皮带。最后形成综掘机割煤、机载临时支护装置进行临时支护、联排支架加强顶板支护、皮带配合出煤，支架正常跟进安装的边扩刷边安装的开采工艺。

3 大断面切巷支护思路

10-201工作面切巷设计高度为 4.4 m，宽度为 8.5 m，巷道断面大，中部张拉应力、顶角剪应力较大，泥岩厚、岩体强度低、自稳能力差，无稳定的上位岩层供锚杆悬吊使用，削弱了锚固剂的锚固强度。为此提出大断面切巷支护优化思路，见图1.

图1 大断面切向支护优化思路示意图

由图1可知，10-201综采面断面切巷支护时的难点主要包括：地层变化不清、围岩锚固力低、巷道顶板强度低、巷道断面跨度大4个方面。在此提出了具有针对性的控制方案，结合井下实际情况对各控制方案进行分析，选择出最合适的优化方案，以提高施工质量，确保井下巷道施工过程中的安全性和可靠性。

4 巷道加强方案分析

针对 10-201 工作面切巷断面跨度大的难题，进行了巷道断面开挖方案的优化。计划采用先掘进小导洞，然后边扩刷边安装支架的方案。为了确保大断面切眼支护方案的可靠性，采用FLAC3D软件进行模拟仿真分析，根据工作面地质赋存情况建立宏观采场数值计算模型。选取在巷道走向区域建立分析模型，模型尺寸为沿煤层倾向20 m，走向50 m，高度45 m. 模型的顶部施加6.5 MPa均布载荷(根据井下巷道矿压实际监测值设置)；模型四周采用水平位移约束，模型底面采用竖直方向位移约束，重力加速度取10 m/s2，侧压力系数取1.2. 为模拟注浆对巷道顶板围岩的加固作用，通过顶板围岩强度系数的增加模拟围岩强度的提高；同时，根据经验值选取岩石物理力学参数,见表1.

表1 井下岩石物理力学参数表

根据工程实际开采范围，结合工程经验参数进行赋值。在计算中，各岩层均采用Mohr-Coulomb 屈服准则。对分段开挖小断面成巷方式下，采用锚网索支护后的变形情况、采用顶板注浆加强后的变形情况以及采用顶板注浆+长短锚索支护后的变形情况进行仿真分析。不同加强支护方案下的仿真分析结果见图2.

由图2可知，当采用锚网索支护时，在矿压波动和综采扰动的作用下，巷道顶板的最大变形量出现在巷道顶板中心位置，最大变形量约为740 mm. 当采用顶板注浆加强时，巷道顶板的最大变形量出现在巷道顶板靠左的位置，最大变形量约为593 mm. 当采顶板注浆+长短锚索支护时，巷道顶板的最大变形量出现在巷道顶板靠左的位置，最大变形量约为249 mm. 由此可知，采用顶板注浆+长短锚索支护方案，能够有效降低巷道在工作过程中的变形，提高稳定性。

图2 不同加强方案下的巷道变形情况图

4.1 巷道顶板注浆加固

根据现有的地层条件和现场情况，井下巷道注浆钻孔布置见图3. 10-201综采面上导洞注浆钻孔间排距为3 000×3 000 mm，布置方式为三二布置，当布置为 3 个钻孔时靠两帮的2个钻孔分别向帮部偏转5°，钻孔深度为10 m，与顶板呈45°仰角向掌子面方向超前预注浆。切巷开口区由于顶板暴露面积大，所以适当加大注浆范围，第一排5个注浆孔，第二排3个注浆孔，孔间距3 000 mm，顺槽巷道另一帮进行适当注浆加固。扩刷区从导洞顶角注浆，注浆位置与导洞注浆位置均匀错开，两个注浆孔分别与顶板呈15°和45°，钻孔深度分别为10 m和6 m.

图3 井下注浆钻孔分布示意图

为了满足井下狭小空间下的注浆要求，结合实际情况，对注浆工艺流程进行了优化，优化后的注浆工艺流程见图4[1]. 在注浆过程中，首先对钻孔进行清洗，清洗后下入注浆花管并安装封孔器，然后按照设定的注浆工艺参数进行注浆，在注浆过程中需要对注浆压力进行实时监测，确保注浆安全。

图4 井下注浆加固工艺流程图

选择水泥砂浆注浆料，结合注浆速度、凝固速度的需求，注浆料内水、灰比选择为0.5∶1，并在水泥注浆料内添加早强剂，使注浆后砂浆的凝固强度在72 h后能够达到总强度的65%以上。

注浆时每个注浆孔内的注浆量可表示为[2]：

Q=AlπRβλ

(1)

式中，Q为单个注浆孔内的注浆量，m3；A为注浆时浆液的消耗系数，取1.5；l为注浆孔在长度方向上的加固厚度，m；R为注浆时浆液的有效扩散半径，m；β为注浆孔周围围岩的裂隙率，取3%；λ为浆液的充填系数，取0.6～1.0.

计算可知，注浆时每个注浆孔内的注浆量约为4.5 t，总注浆量约为1 485 t.

4.2 长短锚索支护

结合仿真分析结果，10-201切巷支护采用长短锚索相结合的支护方案。采用W钢带(槽钢)加强表面支护，同时通过高强锚杆控制帮部变形，最后，采用锚索和槽钢补强两次开挖界面处的支护强度。在支护过程中主要包括导洞支护、扩刷区支护以及扩刷线区域补强支护3个部分。

1) 导洞支护。导洞顶板采用长短锚索支护，锚索间排距1 000 mm×1 200 mm，五五布置，长短锚索穿插布置，长锚索采用d18.9 mm×10 300 mm，三二布置，短锚索采用d18.9 mm×6 300 mm，二三布置，靠近左侧(工作面后方)锚索向工作面后方偏转10°，锚索预紧力不小于180 kN. 为了加强顶板围岩整体性，顶部采用5 mm的W钢带，穿过锚索固定，顶网采用钢筋片网，网孔规格为80 mm×80 mm. 导洞帮部支护时，左侧(工作面后方)帮部采用d20 mm×2 000 mm高强锚杆，垫片采用d130 mm×8 mm×22.5 mm蝶形垫片，帮网采用钢筋片网，网孔规格为80 mm×80 mm. 扩刷侧帮采用d20 mm×2 000 mm玻璃钢锚杆，间排距均为1 000 mm×1 000 mm.

2) 扩刷区支护。扩刷区顶板采用长短锚索，锚索间排距 1 000 mm×1 200 mm，三三布置，长锚索采用d18.9 mm×10 300 mm，短锚索采用d18.9 mm×6 300 mm，长短锚索穿插布置，靠帮侧锚索向外偏转10°，锚索预紧力不小于180 kN. 顶部采用5 mm的W钢带，穿过锚索固定，顶网采用钢筋片网，网孔规格为80 mm×80 mm. 扩刷侧帮采用d20 mm×2 000 mm玻璃钢锚杆，间排距1 000 mm×1 000 mm.

3) 扩刷线区域补强支护。由数值计算结果可知，两次开挖分界线区域容易发生较大变形，为此在扩刷后沿扩刷线两侧补两根 d18.9 mm×10 300 mm的长锚索，锚索间排距2 000 mm×2 000 mm，同时底部采用14#槽钢连接，槽钢长度2 400 mm，增加刚度并控制扩刷线附近的顶板变形。

长短锚索相结合支护结构见图5.

图5 长短锚索支护结构示意图

4.3 切巷变形监测方案

采用全新的切眼扩刷与支护方案后，在巷道内设置巷道位移监测点，对巷道顶板及巷帮的变化情况进行监测。监测点布置到巷道内30～40 m处靠近顶板和底板的位置，确保对数据监测的准确性，实际井下支护及监测结果见图6.

图6 顶板及两帮相对移近量变化图

由图6可知，采用全新的加强支护方案后，井下巷道顶板和两帮的最初位移量为40 mm，随着施工时间的增加，顶板和两帮的相对位移量均逐渐增大，在第22 d后，顶板的下沉量约为158 mm，比优化前的377 mm降低了58.1%，巷道两帮的变形量约为149 mm，比优化前的420 mm降低了64.5%，提升了巷道在施工作业过程中的稳定性。

5 结 论

针对木瓜煤矿采高支架长、一次成巷顶板管控难度大、顶板节理裂隙发育、岩层赋存不稳定、在施工过程中极易出现顶板垮落事故的情况，提出了先小切眼预先导洞贯通，再用综掘机扩刷施工至设计大断面的方案。分析可知，10-201综采面断面切巷支护时的难点包括地层变化不清、围岩锚固力低、巷道顶板强度低、巷道断面跨度大等4个方面，对此提出了有针对性的控制方案。采用新的切眼扩刷与支护方案后，顶板变形量降低58.1%，两帮移近量降低64.5%，有效提高了切眼支护的可靠性。