某矿极近距离煤层下大断面开切眼支护效果考察

冯 江， 索志飞

（山西寿阳潞阳长榆河煤业有限公司， 山西 寿阳 045400）

1 工程概况

某煤矿10603工作面位于矿井东部，工作面北部为10602面采空区，西侧亦10-2层煤采空区，南侧为10605待采工作面，东侧为F25-1断层，10603综采开切眼位于9煤工作面煤柱下方，水平距离9煤采空区边缘约5 m，工作面标高-49.8～-44.2 m，埋深114.35~119.95 m，如图1所示。

图1 10603开切眼位置示意图

该切眼煤层走向NE122°，倾向NE32°，倾角平均为15°，煤层厚度平均为2.0 m左右，煤层结构较为复杂，硬度系数为1～2。基本顶为砂质页岩，厚度为2.53 m，深灰色，层理不明显，含植物化石及黄铁矿；直接顶为砂质页岩，深灰色含少量粉沙颗粒，均厚0.85 m，顶板距离9层煤采空区仅4.20 m；直接底为泥岩，均厚5.0 m，下部含细砂颗粒，硬度系数1～2；老底为细砂岩，硬度系数为2～3，灰色，以石英、岩石屑为主，层理明显。

10603工作面开切眼上覆地表全部为第四系所覆盖，所以地表水不会渗入井下（第四系隔水层均厚18.0 m，主要岩性为砂质黏土及黏土夹浆层，隔水性良好，是天然隔水层）。10-2层煤底板距下伏五灰水含水层平均22 m，隔水层主要由砂质页岩、泥岩、粉砂岩、粘土岩组成，隔水层中偶含薄煤层。为满足综采设备运输、安装和使用，开切眼有效断面尺寸宽×高为4800 mm×2000 mm，属大断面，采煤方法为倾斜长壁综采全部垮落法。

2 开切眼围岩破裂分区探测

为了明确9煤层开采对10-2煤层顶板的破坏程度，本文利用钻孔电视YTJ20对开切眼围岩进行了破裂分区探测。

2.1 开切眼围岩破裂分区测点布置

在10603综采开切眼中，距进风巷下帮0 m、15 m、35 m、40 m分别布置观测断面进行围岩破裂分区探测。开切眼每个观测断面分别在顶板和两帮共设计选取4个测点打钻孔，钻孔平均深度3 m，钻孔共计16个，个别钻孔由于堵塞，没有实测数据具体位置如图2所示。

图2 10603综采开切眼测点断面布置示意图（m）

2.2 探测大断面破裂分区统计及分析

根据以上不同钻孔探测揭露的围岩破裂分区情况，总结钻孔不同深度破裂分区描述。根据10603开切眼现场实测各钻孔结果及以上各断面破裂分区图示，对探测结果进行了统计。统计结果见表1。

表1 探测大断面破裂分区统计表

由此可见：

1）开切眼的顶板离层裂隙发育较高，探测范围内最大可达到3.0 m。顶板主要分三个破裂区，约超过1.1 m以上呈现一个较大的破裂区，主要是由上层煤开采所导致。

2）工作面前后方煤体破裂区域在不同观测区域分布较大，但2.0 m附近煤体完整性较好。

因此，探测结果表明，上层煤开采过程中破坏了下层煤的顶板，导致顶板岩层破裂较明显；工作面前后煤体破裂程度受其应力状态不同差别亦很大[1-2]。

3 开切眼支护设计

3.1 锚杆支护参数设计

按悬吊理论对锚杆支护参数进行计算[3-4]：

1）锚杆长度。锚杆长度 L=KH+L1+L2，其中：L1为锚固长度，取0.3 m；L2为锚杆外露长度，取0.1 m；H为冒落拱高度，即大断面开掘宽度B为5 m，岩石坚固性系数f为3，k为安全系数，取3，则L=2×

通过以上计算，大断面掘进时选用直径18 mm、长度不低于2260 mm的高强度螺纹钢锚杆，锚杆间排距不大于1180 mm，能够满足支护要求。

由于该矿现使用的锚杆长度是2000 mm，仅锚杆支护无法满足安全要求，因此根据大断面宽度及以往支护经验，取锚杆间距950mm，排距为800 mm，锚网支护紧跟迎头，并采用架棚支护方式进行联合支护。

锚网支护要求。锚网支护采用锚杆紧跟迎头的支护方式，前排锚杆距迎头超过800 mm时及时按住锚杆。当顶板围岩稳定性较差时，可采取缩小锚杆间排距或增加锚固长度的方式加强支护[5]。

3.2 锚杆（网）参数规格的确定

开切眼支护方式为锚网超前支护与架棚联合支护：

1）大断面一次支护为锚网支护。顶部锚杆使用规格为Φ18 mm×2000 mm的螺纹钢树脂锚杆，间排距800 mm×950 mm。两帮锚杆使用规格为Φ16 mm×1400 mm的螺纹钢树脂锚杆，间排距800 mm×800 mm。

2）大断面二次支护为单体液压支柱配工字钢一梁四柱架棚支护，采用DZ2.5系列的单体液压支柱，棚头为11号工字钢加工制作，支护后净宽4.8 m，净高2.0 m，顶部使用串杆背顶，串杆间距600 mm。

单体支柱初撑力不少于50 kN（测压表读数为6.5 MPa）。大断面开门处使用工字钢架设双抬棚支护。为防止空顶距过大，架棚支护时棚头位置宜拖后锚杆支护0.2~0.3 m为宜，两帮锚杆拖后迎头不超过2.0 m。掘进过程中使用吊挂式金属前探支架做临时支护。

4 支护效果考察

4.1 测站布置

10603开切眼分别布置：表面收敛测站三组，多点位移计站二组，顶、帮测力锚杆各一组。测站布置示意图3。

图3 测站布置示意图

4.2 现场监测结果及分析

4.2.1 大断面表面收敛

表面收监测结果如下页图4所示。从监测结果可知，10603开切眼利用锚网与架棚联合支护进行永久支护，根据采掘计划，顶板下沉累计190 mm，主要集中在开挖20 d内，达到170 mm，占比达到90%。20 d后逐渐趋于缓和，大断面两帮的移近量一个月内累计达175 mm，其中，第6 d至第22 d变形明显，收敛量达130 mm，约占总量的75%。开挖前5 d两帮收敛量较稳定，收敛速率约4 mm/d。

图4 10603开切眼围岩变形

图5 帮深基点不同深处位移

4.2.2 围岩深部位移

掌握围岩深部位移状况，深基点位移变化图如图5。由图可知，帮深基点在开挖17 d内变化剧烈，随后慢慢缓和，大断面表面位移最大，深部基点位移逐渐减小。

5 结果

本文系统分析了某煤矿1341工作面厚薄煤层对接期间上覆岩层的运动规律和中部大断面切眼的围岩变形破坏特征，并在此基础上对中部大断面切眼围岩变形破坏的主要部位进行了支护的优化设计，取得了以上的成果，但是还存在许多重点和不足需要今后进一步的研究，对受采动影响的中部切眼的加强支护方案，应推广到类似地质条件下的临近矿区，进一步验证此方案的可行性，指导煤矿的安全生产。