极近距离煤层采空区下切巷支护技术研究

吴兵兵

(霍州煤电集团有限责任公司 辛置煤矿，山西 霍州 031400)

煤矿开采强度的不断增加，使近距离煤层开采出现问题。当煤层间距较近时，下部煤层开采前顶板的完整程度已受上部煤层开采损伤影响，使下部煤层开采与单一煤层开采相比出现了许多新的矿压现象［1，2］.本文结合三交河煤矿极近距离煤层开采的具体条件，运用数值模拟的研究方法，分析了上煤层开采对本煤层及其顶板和底板的影响特征，提出采空区下切巷具体的支护方法和矿压控制措施，以保证工作面正常安全开采。

1 工程概况

三交河煤矿2#煤位于山西组的上部，近水平分布，分上下两层，上层2－1煤层，平均厚度2.69 m，下层2－2煤层，平均厚度2.06 m，上下两层间距0.10 ～12.00 m，平均5.60 m 左右，属全井田稳定的分叉全区可采煤层。由于上下两层煤间距变化不定，部分采区前期采用了分层开采的方法，仅开采了上层2－1煤层，下层2－2煤层没有开采。2－2－601 工作面是2－2煤层首采工作面，该工作面上部2－1煤层已被采空，工作面地面标高1 182 ～1 318 m，井下标高988 ～1 022 m，上覆基岩厚度160 ～330 m.2－2－601 切巷上部为采空区和上部工作面煤柱，切巷处于采空区下时切巷上部完整顶板厚度为2.5 ～4.6 m.

2－2－601 工作面切巷井下布置示意图见图1.2－2－601 工作面采用同向内错法，布置在2－1－311、2－1－309、2－1－307 工作面采空区下方，3 个2－1回采工作面回采结束期为7 ～9 年，采空区岩层运动已稳定。2－1煤层311 工作面与309 工作面煤柱宽度为15 m;2－1煤层309 工作面与307 工作面煤柱宽度同样为15 m，切巷的总长度为250 m.

图1 切巷井下布置示意图

在2－2－601 工作面切巷开口及附近进行钻孔窥视，直接顶为泥岩和砂质泥岩，厚度平均2.5 m，灰黑色，局部相变为粉砂岩，夹煤线，灰黑色，含植物化石。2－1煤层厚度2.13 m，厚度稳定，已采空。2－1煤层上部为泥岩、砂质泥岩，厚度2 ～3 m.基本顶为K8 中砂岩5 ～10 m，灰白色，中粗粒石英砂岩，中厚层状，致密坚硬，裂隙发育，稳定。直接底为泥岩、砂质泥岩，厚度2 ～4 m，灰黑色，局部相变为砂质泥岩，致密较硬。老底为中砂岩，厚度8 m，深灰色，中厚层状，石英为主，水平层理，致密坚硬。

2 数值模拟分析

2.1 数值模型的建立

本次模拟采用三维数值模拟计算软件FLAC3D，根据该矿具体地质条件，经过简化建立一个长方体数值模型，模型长300 m，宽度60 m，高度24.2 m.从下往上分别为中砂岩、砂质泥岩、2－2煤层、泥岩、2－1煤层、泥岩、中砂岩，沿水平分层，厚度分别为4 m、3 m、2 m、2.5 m、2.2 m、2.5 m、8 m.切巷长度250 m，断面为矩形，长5.7 m，高2.9 m.模型前后和左右边界定为单约束边界;底边界定为全约束边界;上边界定为应力边界，应力大小为5 MPa.

模拟方案:对2－1－311、2－1－309、2－1－307 工作面依次进行回采，计算稳定后对切巷进行开挖。

2.2 数值模拟结果及分析

通过数值模拟计算，可以得到2－1－311、2－1－309、2－1－307 三个工作面回采结束后围岩应力重新分布情况及工作面及切巷围岩的破坏情况。工作面回采后沿倾向方向的切面上围岩的应力分布图见图2. 沿切巷轴线方向垂直切面塑性区分布图见图3.

图2 工作面回采结束后围岩应力分布图

图3 沿切巷轴线垂直切面上塑性区分布图

由图2 和图3 可以看出:

1)工作面回采结束后，原岩应力重新分布，煤柱两侧及两侧斜上方应力向煤柱内部转移，煤柱出现明显的应力集中现象，煤柱两边1.5 m 范围内已经发生塑性破坏，煤柱应力集中区域宽度为10 m 左右，煤柱上最大应力值为13.6 MPa，将近原岩应力的2.8 倍。

2)煤柱上方和下方也出现应力集中现象并往煤柱两侧呈辐射状展开，随着距离的增大应力集中系数逐渐减小，煤柱两侧出现应力降低区，如图2 所示，煤柱右侧应力降低区在水平方向上距离为22.5 m，应力降低区右侧应力基本上等同于原岩应力。

3)上层煤及切巷开挖结束后，上层煤底板和切巷顶板都有一定深度的破坏，而且层间距又较薄，下层煤切巷顶板的破坏程度及完整性明显差于单层煤开采巷道顶板，只选用锚杆支护已经不能完全保障该切巷围岩的稳定性，应联合架棚支护。

综上所述，极近距离上层煤的开采对下层煤工作面切巷稳定性影响很大，需要进行锚杆、架棚联合支护。

3 支护措施及现场监测结果分析

按照一次支护、高预应力和预应力扩散、“三高一低”(即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度)、相互匹配、可操作性、经济合理等原则提出采空区下方切巷锚杆支护措施［3，4］. 根据数值模拟结果，结合该矿生产条件及经验，在锚杆支护的基础上再进行单体液压柱配合π 梁支护。具体的支护方案见图4.

顶板锚杆每排6 根，排距1 m，间距1 m，沿巷道顶板中线对称布置，杆体为22#左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2.4 m，钢材屈服强度为335 MPa，杆尾螺纹为M24，螺纹长度150 mm，配高强度螺母;采用树脂加长锚固，采用两支低黏度锚固剂，一支规格为CK2340，另一支规格为Z2388;钻孔直径为30 mm，锚固长度为1 200 mm.托板采用拱型高强度托盘，规格为150 mm×150 mm ×8 mm，拱高不低于34 mm，配调心球垫和减摩垫圈;锚杆沿顶板法线方向布置。托板下面配W 钢护板，规格为厚度4 mm，宽280 mm，长度450 mm;采用10#铁丝编织的菱形金属网护顶，网孔规格为50 mm×50 mm，网片规格为5 900 mm×1 100 mm;锚杆预紧扭矩不低于300 N·m.

图4 支护方案图

巷帮锚杆排距1 m，每排每帮3 根锚杆，间距1 m.最上面1 根锚杆距离顶板350 mm;杆体、托板和W 钢护板均与顶板锚杆相同;树脂端部锚固，采用1 支低黏度锚固剂，规格为Z2388. 钻孔直径为30 mm;锚杆垂直巷帮;采用10#铁丝编织的菱形金属网护帮，网孔规格为50 mm×50 mm，网片规格为1 800 mm×1 100 mm;锚杆预紧扭矩不低于300 N·m.

顶板π 型梁长度为5 400 mm，120 mm×120 mm.选用型号为DW31.5－300/110 的单体支柱，单体支柱“三·三”布置，间距3 300 mm 和1 800 mm(内沿间距)，排距为2 000 mm(如果顶杆破碎严重则排距为1 000 mm).

4 现场应用分析

三交河煤矿2－2－601 工作面切巷现已贯通完毕，施工过程严格按照设计和施工规程，保证成形质量，不得超挖或欠挖，巷道掘进尺寸与设计尺寸相差不得超过200 mm，采用前探梁进行临时支护，锚杆应紧跟掘进头及时支护，空顶距不得超过1.4 m. 当顶板比较破碎时，应适当缩小空顶范围，保证钻孔垂直岩面。利用锚杆机搅拌树脂药卷，树脂药卷搅拌是锚杆安装中的关键工序，搅拌时间按厂家要求严格控制，同时要求搅拌过程连续进行，中途不得间断。停止搅拌后等待1 min 左右，拧紧力矩应达到300 N·m，锚杆排距误差不得超过设计值50 mm.帮锚杆安装应紧跟迎头，最大空帮距离不得超过2.4 m. 当煤帮斜茬发育，容易造成片帮时，帮锚杆必须紧跟迎头及时打设，不得出现空帮现象，以防片帮造成锚杆外露太长，锚杆报废，其它技术要求同顶板锚杆。金属网铺设网与网之间的压接宽度100 mm，要求每格必联。在施工过程中定期进行井下锚杆锚固力拉拔试验，每次数量不少于3 根，拉拔试验时锚固力均不低于杆体的屈服载荷。

掘进过程切巷围岩完整性较好，对采空区下方巷道表面位移进行监测，监测结果见图5.由图5 可知，切巷变形很小。该支护方法保证了围岩的完整性和稳定性。

图5 巷道表面位移图

5 结 论

1)上层煤和切巷开挖结束后，两层煤中间岩层上部和下部都有一定程度地破坏，采空区下切巷处与应力降低区或者原岩应力区内。

2)通过数值模拟计算，结合理论分析及工程经验，对于层间距为2.5 ～4.6 m 的近距离煤层开采，下层煤巷道只靠锚杆支护控制顶板及围岩稳定性，风险太大，采用联合架棚支护，能更好地保证围岩稳定性。

3)井下实践表明，采用高预应力强力锚杆锚索结合π 型梁支护，可以满足近距离煤层开采下层煤切巷支护要求，巷道变形很小，保证了围岩的完整性和稳定性。

［1］ 朱 涛，张百胜，冯国瑞，等.极近距离煤层下层煤采场顶板结构与控制［J］.煤炭学报，2010，35(2):190－193.

［2］ 白庆升，屠世浩，王方田，等.浅埋近距离房式煤柱下采动应力演化及致灾机制［J］.岩石力学与工程学报，2012，31(增刊2):3772－3778.

［3］ 康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术［M］.北京:煤炭工业出版社，2007:24－25.

［4］ 康红普.煤巷锚杆支护成套技术研究与实践［J］.岩石力学工程学报，2005，24(21):3959－3964.