淮北矿业集团公司桃园煤矿 安徽宿州 234000
摘要：为了解决大倾角顶板中厚煤层掘进工作面单进较低、安全性较差的问题，经过积极探索，长期现场实践后，通过顶板破顶和支护参数的配合找出了一条适合的综掘快速施工方法，缓解了矿井采掘接替紧张的局面。
关键词：大倾角；快速掘进；破顶施工
1前言
桃园煤矿随着逐年开采，已进入-800m水平井深，地质条件逐渐复杂（断层、破碎带、古河床冲刷带、陷落柱、倾角增大）。进入Ⅱ4采区后，由于巷道顶板倾角较大（平均38°），造成巷道上帮较高（巷宽4.6m时，局部上帮高度达5.5m以上），煤壁片帮掉顶多发，支护施工困难，严重影响施工效率和施工人员安全，为了克服以上问题，经过不断地探索，成功的找到了保证施工安全和提高施工效率的快速施工工艺。
2概况
Ⅱ4采区总体为一走向近南北、向东倾斜的单斜构造，地层倾角南部较缓（一般在32°左右），北部较陡（可达43°），地层倾角呈有规律变化，构造复杂程度中等。煤层厚度3～6.8m，平均3.5m，煤层直接顶为泥质砂岩，平均厚度3.9m，直接底板为细砂岩，平均厚度0.9m。煤体由多层层状结构组成，相互之间粘结性较差，煤体松散，受扰动后易碎裂。
3支护参数
首采工作面Ⅱ1042工作面机巷长度1600m，标高-614～-654m，巷道顶板岩层倾角30°～43°，平均38°。该巷道设计断面净宽×净高=4.6×3m，净断面积为13.8m2。巷道跟顶板施工，采用锚带网索支护。
3.1巷道断面尺寸选择
巷道内布置DSJ100/100型皮带机和600mm轨距轨道，按照煤矿安全规程要求留设安全间隙、人行道，巷道宽度取4600mm。在巷道设计断面净宽4600mm时，为满足下帮矿车运行及布置人行道需要高度不低于1.8m时，上帮高度达5.5m，此时中顶高度平均3600mm。矿在用EBZ-260H型综掘机无法一次截割到上帮肩窝，需分台阶施工，利用预留的下台阶抬高综掘机，施工工序较复杂。且由于顶板倾角较大，上帮顶板处锚杆施工无法满足垂直岩层层理面的要求。较高的上帮只能采取分台阶施工方式进行支护，巷道临时支护及断面临时支护工作在每个循环中均要重复两次，极大的降低了施工效率和施工人员安全，较高的上帮带来的片帮威胁较大。
图1 不破顶施工的巷道断面尺寸
在多次论证后我矿决定采用于巷道中线偏上帮1m处破顶施工，上侧跟顶施工、下侧破顶15°施工。
图2 破顶施工的巷道断面尺寸
3.2顶板支护参数
顶板每排布置7根锚杆，锚杆长度2400mm，直径22mm，材质为MnSi左旋无纵筋螺纹钢高强锚杆，锚杆间排距为800×800mm，每根锚杆采用2支MSZ2550型树脂锚固剂锚固。中部5根锚杆尽量垂直岩层主要层里面，夹角不小于75°。顶板靠两帮的锚杆与顶板法线夹角呈15°。配合钢筋网、钢带支护，钢筋网规格为长×宽=2500×1000mm，采用φ6mm圆钢焊接，网格150×150mm；钢带型号为GDM/4200-400、GDM/1800-400搭接使用。锚索型号为YMS17.8/6.3-1860，每根锚索配合1支MSK2550、2支MSZ2550树脂锚固剂锚固。每根锚杆采用塑性减磨垫圈、M型托盘与钢带配套使用，锚索采用尺寸为300×300×10mm的鼓型托盘。
3.3巷道上下帮支护参数
巷道上下帮均采用长度2400mm，直径22mm，材质为MnSi左旋无纵筋螺纹钢高强锚杆，锚杆间排距为800×800mm，上帮锚杆根数为6根，配套使用托盘、钢带、钢筋网，其规格与顶板支护材料相同。
另外在距底板2.3m处施工走向锚索梁补强加固，采用“一梁三索”方式布置，梁采用矿用11#工字钢加工，长度3.5m，梁正中及偏中1.5m肋处分别开直径25mm圆孔，锚索型号为YMS17.8/3.5-1860。
4施工工艺及要求
4.1综掘机截割
改进前的综掘机截割顺序为自上肩窝处钻进，沿巷道顶板轮廓向下帮肩窝方向截割，到位后转向上帮依次循环。由于煤体呈松散的层状结构，以及EBZ-260H综掘机截割部采用右旋（顺时针方向）截割的方式，这种截割方式在截割上帮（面向迎头左帮）时会使上帮煤壁形成两个自由面，上帮煤体随着截齿自下而上切割煤壁时的震动，会在浅处断裂，进而造成煤壁失稳、片帮。即使在要求预留500～800mm人工刷大的情况下依然不能使煤壁符合设计要求，出现超挖现象。
改进后的截割顺序为：自上帮底角钻入，向上沿巷道轮廓切割煤壁，至上帮肩窝处沿顶板转向下帮，在距中线1m处开始以15°破顶，破顶结束后折回上帮，依次反复。此施工方法的优点是截齿自下向上截割煤壁时，煤体只有一个自由面，受剪切力煤体的后方有完整煤体阻挡，不易形成深部断裂。
图3改进前的截割顺 改进后的截割顺序
4.2巷道支护
综掘机截割后，将截割部落地，并用不小于2.5m长找顶钎杆进行敲帮问顶，找净活矸危岩。在机载前探临时支护上按照标定位置铺上钢筋网和钢带，并用细铁丝捆扎，然后升起前探临时支护支护顶板，并挂端面防护网和护山梁。在临时支护下施工顶板支护锚杆和锚索，施工完毕后，挂防片帮网，施工帮部锚杆锚索梁，支护完成后进入下一循环。
5施工中顶板支护参数的制定
5.1顶板锚杆直径的确定
对于围岩破碎、应力较大的巷道，应选用直径大的锚杆；相反对于顶板比较完整、变形量较小的巷道宜选用直径较小的锚杆。
G=KrL1D2
式中：
G为锚杆悬吊岩石重量，t/根；
K为安全系数，取2.5；
r为软弱岩层密度，取28KN/m3；
L1为锚杆有效长度，取1200mm；
D为锚杆间距，取800mm；
经计算，G= 5.49t/根，小于锚固力8 t/根。
屈服强度计算：
根据公式：P1=πd2δ1/4
式中：
P1为锚杆屈服强度，t/根；
d为锚杆直径，取22mm；
δ1为20锰硅螺纹钢屈服强度，取34kg/mm2；
经计算，P1=12.924t/根，实际现场不应大于锚杆屈服强度的90%，即11.63 t/根，因G= 5.49＜11.63t/根，所以直径为22mm锰硅螺纹钢锚杆符合要求。
抗拉强度计算：
根据公式：P2=πd2δ2/4
式中：
P2为锚杆抗拉强度，t/根；
d为锚杆直径，取22mm；
δ2为20锰硅螺纹钢抗拉强度，取52kg/mm2；
经计算，P2=19.766t/根
锚杆悬吊岩石重量小于锚杆的屈服强度和抗拉强度，锚杆直径选择合理。
5.2顶板锚杆长度L锚杆的确定
L锚杆=（L1+ L2）/sina+ L3
式中：
L1 为锚杆有效长度；
L2为锚杆锚固段长度；
a为锚杆与岩面夹角，取75°；
L3为锚杆外露长度，取100mm。
锚杆有效长度的确定L1：
①当直接顶需要悬吊而它们的范围易于划定时，L1应大于或等于它们的厚度。直接顶平均厚度为800mm，L1取1000mm。
②当巷道围岩存在松动破碎带时，L1应大于巷道免压拱高h；h=[B/2+Htan（45°-W帮/2）]/F顶
式中B、H—巷道掘进跨度和高度 B=4.6m，H=3.0m
F顶—顶板岩石普氏系数 取3f
W帮—两帮围岩的内摩擦角 取63.43°
经计算h=1000mm，L1取1000mm
锚固长度L2=2L4πd12/4/（πd22/4-πd32/4）
L4为锚固剂长度，我矿常用锚固剂为Z2550型树脂锚固剂，长度500mm；
d1为锚固剂直径，Z2550型树脂锚固剂直径25mm：
d2为锚杆眼孔直径，根据锚杆机钻头直径取32mm：
d3为锚杆直径，根据前面计算取22mm：
经计算L2=1000mm，
经计算，L锚杆=2200mm，综合考虑锚杆长度取2400mm。
6巷道监测
6.1监测内容
为保证巷道后期使用和工作面回采的动压影响过程中围岩稳定，必须对巷道进行一系列的矿压观测，主要观测内容有：巷道表面位移、顶板离层、锚杆拉拔力、锚索预紧力、顶板围岩结构及岩性和稳定性等。
6.2观测方法
巷道施工中同步进行锚杆拉拔力检测、锚索预紧力检测、顶板围岩结构及岩性和稳定性观测。锚杆拉拔力采用锚杆拉拔器、扭矩扳手进行检测，锚索预紧力采用锚索张拉仪进行检测，区队小班自检、大班日检和矿技术部门不定期抽检为主。顶板围岩结构及岩性和稳定性观测采用打顶板岩性探查孔记录岩性的方式进行，要求每10m在正顶施工一处岩性探查孔，孔深不小于锚索长度，记录岩性和岩层厚度悬挂在探查孔处。
巷道表面位移采用十字设点法观测，每50m布置一组测点，如岩性变差则增加观测点密度。每周观测测点数据并记录在案，形成巷道表面位移曲线，以便分析。
顶板离层观测采用离层仪、液压枕和顶板在线离层观测设备进行观测，离层仪、液压枕每50m布置一组，如岩性变差则增加布置密度。岩性较差及交岔点应采用在线离层观测设备进行观测，形成实时连续变化曲线，以便更有利于分析支护系统的可靠程度，及时调整更适合的支护参数。
围岩观测数据应及时进行分析，找出岩性变化规律，及时修正不合理的支护参数，确保巷道快速掘进期间支护系统安全可靠。
6.3观测数据分析
（1）顶板变形量
破顶施工后经过40天的观测，顶板深部最大变形量13mm，浅部最大变形量为27mm，巷道掘出5天后变形趋于稳定。
（2）两帮及顶底板移近量
两帮移近量在巷道掘出一周内变形速度较快，后趋于稳定，煤层移近量最大45mm，岩石最大9mm，顶底板移近量主要表现为底鼓，最大为217mm，未出现较大的片帮、位移现象，基本达到了预期效果。
7施工中防片帮安全措施制定的探讨
7.1不破顶施工时上帮的防片帮措施
7.1.1采用U型钢立柱护帮
前期未进行破顶施工的论证时，制定过采用两根U型钢搭接的方式进行护帮的措施，具体施工方式如下：
截割后进行顶板及上帮上部锚杆支护，在两排锚杆之间树立上段U型钢，并用两道φ6mm钢丝绳将U型钢牢固捆扎在金属网上（U型钢入井前在中部及上部焊多道限位凸起，方便钢丝绳捆绑），清底出货后，树立下段U型钢，并用两道专用限位U型卡缆卡紧上下两段U型钢，U型钢应抵紧顶底板，下段U型钢底脚焊接铁鞋，铁鞋规格为150×150×10mm钢板。
此种支护方式优点有：增强巷道上帮防片帮能力，在上帮成型较差需要造假帮情况下，起到护帮的作用，由于巷道顶板倾角较大，帮部来压时，U型钢不会倾倒造成危险。
缺点为：施工程序繁琐，不利于加快单进。上段U型钢施工时无施工平台，操作不便，安全性差。
7.1.2预紧钢丝绳护帮
上帮顶部和下部煤岩分界线处锚杆换成YMS17.8/3.5-1860型锚索，锚索外露长度200～300mm，锚索施工完成后，截取适当长度的直径21mm以上钢丝绳并用绳卡将钢丝绳两端与锚索连接，钢丝绳在背帮金属网网孔间穿过并拉紧，逐排施工，形成大面积护帮网。
此种支护方式的优点有：在上帮稳定性差的情况下，利用顶、底部生根在岩石中的锚索与钢丝绳形成的护帮网，可防止大面积片滑造成的事故。
缺点有：锚索及钢丝绳易生锈，在淋水段或服务年限较长巷道中不宜采用。
7.2破顶施工时上帮的安全防护措施
破顶施工时，巷道上帮中部距底板2.3m处施工一道锚索梁，锚索型号YMS17.8/3.5-1860，梁材质为11#矿用工字钢，配套200×200×10mm小托盘，一梁三索，梁长3.5m，锚索间距1.5m，每根锚索采用3根z2550型树脂锚固剂，上帮支护布置形式见下图：
图4 破顶施工上帮支护形式剖面图
8结论
大倾角中厚煤层采用破顶法快速掘进施工工艺，取得了理想的效果，具体表现在以下几个方面：
（1）Ⅱ1042机巷月进尺由120m提高到180m，，实现了快速掘进，缓解了矿井采掘接替紧张的局面，为Ⅱ4采区提前投产创造了有利条件。
（2）在保证巷道有效断面的基础上降低了上帮高度，由综掘机截割后再人工刷大超高部分煤帮变为综掘机一次割全高大幅提高了施工安全性，降低了施工难度。
（3）破顶施工降低了顶板角度，为工作面回采期间两巷超前管理提供了便利。
参考文献：
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[2] 赵萌烨 含软弱夹层高帮煤巷破坏机理及支护对策研究（D）西安：西安科技大学 2015
[3] 李思超 神文龙 刘洋 大断面动压煤巷变形破坏规律及控制技术（J）煤炭技术 2015，34（11）85~88
作者简介：
李康，男，1986年出生，2008年毕业于安徽理工大学。现在淮北矿业集团桃园煤矿生产技术部工作，工程师。
论文作者:李康
论文发表刊物:《防护工程》2019年第7期
论文发表时间:2019/7/4
标签：巷道论文; 顶板论文; 锚杆论文; 锚固论文; 倾角论文; 直径论文; 长度论文; 《防护工程》2019年第7期论文;