近距离煤层煤柱及采空区交叉区域下方顺槽支护技术

岳卫国

（山西西山煤电股份有限公司西曲矿，山西 太原 030200）

西曲矿开采实践表明，近距离上位煤层形成的采空区及遗留煤柱的交叉区域会形成更大的应力集中，导致下位煤层开采区域的顶板围岩特性发生显著改变，顶板完整性和稳定性大幅度降低，下位煤层顶板控制难度加大，近距离下位煤层支护采用普通锚杆无法形成有效支护，在采掘过程中容易引起顶板失稳，引起安全事故[1-4]。西曲矿北二盘区8号和9号煤层属于近距离煤层，29205工作面上部8号煤层已经采完，且29205工作面顺槽局部位于上部8号煤层和28205工作面遗留煤柱交叉区域，为了保证29205工作面回采顺槽安全掘进和工作面安全回采，有必要针对该区域顺槽顶板支护进行研究。

1 工作面概况

29205工作面位于北二盘区，南部为29204工作面采空区，东北部为小煤窑破坏区域。所采煤层为9号煤层，煤层厚1.8～2.4m，平均为2.2m，煤层倾角平均为3°。29205工作面可采走向长度为960m，倾斜长度为180m。28205工作面位于29205工作面上部，工作面煤层间距平均为7.4m，所采煤层为8号煤层，煤层均厚4.1m。28205工作面回采结束距今已有10年，采空区围岩活动基本已经趋于平稳，其开采后遗留有25m宽的风巷保护煤柱位于29205工作面上方，其中部分与29205工作面回风顺槽交叉。根据综合柱状图可知，8号煤层和9号煤层间岩性从上至下依次为均厚2.7m的细粒砂岩、4.3m的砂质泥岩和0.4m的泥岩。8#煤层无伪顶，直接顶为3.8m的石灰岩，基本顶为5.3m的砂质泥岩和细粒砂岩。根据钻孔采样试验可知，泥岩和砂质泥岩较软弱，局部破碎；细粒砂岩受开采扰动影响，碎裂程度较高，局部呈粉末状，岩性较差。根据生产需要，29205工作面两顺槽均沿煤层顶板掘进，巷道设计规格（宽×高）为4500mm×3500mm，巷道净断面积为15.75m2。

2 交叉区域顶板稳定性分析

近距离上位煤层在开采过程中，底板受到工作面超前支承压力和煤柱区域集中应力作用遭到应力破坏。煤柱对工作面顶板岩体起到支撑作用，煤柱周边采空区应力较低，造成煤柱与采空区交叉区域底板应力分布不均，在此应力作用下，煤柱与采空区交叉区域底板出现拉伸和剪切破坏，破坏程度从上至下逐渐减弱。

根据28205工作面回风巷底板钻孔窥视结果可知，底板下方3～5m破坏最为严重。在下位煤层回采顺槽掘进过程中，在此交叉区域，顶板更容易出现冒顶和离层，若得不到及时有效控制，势必造成更大范围的顶板冒漏事故。

另外，由于煤柱的存在，上位煤层采空区与煤柱交叉区域的顶板下沉不及时，该区域破落的岩体胶结不实，存在一定范围的空洞区，在该区域施工锚杆进行支护时，锚杆无法形成有效的锚固，支护效果较差。

采空区积水对下位煤层顶板稳定性也极为不利，8号和9号煤层间岩体遇水易发生水理现象，且煤层间岩体厚度平均仅为7.4m，在采掘扰动作用下整体性和强度遭到破坏，裂隙发育，采空区积水顺裂隙向下渗流，岩体在水理作用下出现崩解和变形，岩体强度大幅度降低，给后期支护带来较大难题。

3 交叉区域下方顺槽支护

根据西曲矿29205工作面顶板岩性特点和上位8号煤层开采情况，同时考虑到上位煤层煤柱附近采空区上方顶板垮落情况较差，冒落的岩体胶结不实，在煤柱与采空区交叉区域存在空间和裂隙，为了提高29205工作面顺槽过该交叉区域的顶板支护效果，结合钻孔窥视结果，确定上位煤层煤柱与采空区交叉区域影响范围为上位煤层遗留煤柱正下方5m处开始向采空区延伸8m，即影响范围为煤柱两侧各8m加上煤柱宽度5m，共计13m。

3.1 顺槽支护设计

设计采用撞楔法进行超前临时支护，在顺槽施工迎头沿着顶板以5°仰角施工Φ32mm、深3m的3排钻孔。钻孔施工完毕后，将Φ30mm、长3m的钢管楔进去，然后采用综掘机进行掘进，每掘进0.8m，即施工永久支护。其中顶板支护采用双层菱形金属网护顶，钢筋梯子梁组合Φ22×2400mm高强度螺纹钢锚杆配合架棚支护顶板，Φ18.9×4300mm短锚索补强支护，锚杆间排距为800mm×800mm，锚索间排距为1300mm×1600mm；两帮采用菱形金属网护帮，钢筋梯字梁组合Φ22×2400mm高强度螺纹钢锚杆支护，锚杆间排距为950mm×800mm。当掘进2.4m后，重新施工钻孔采用撞楔法进行临时支护，如此循环直至顺槽掘进完全通过上位煤层煤柱与采空区交叉区域。鉴于交叉区域岩体破碎，考虑到水胀式锚杆具有可以实现全长锚固，通过对锚杆注入高压水实现对破碎岩体的挤压加固，在加压膨胀过程中对围岩提供高预紧力等诸多优点，决定对交叉区域顶板采用双层菱形金属网护顶，钢筋梯子梁组合Φ28×2400mm水胀式锚杆支护顶板，Φ18.9×6000mm短锚索补强支护，水胀式锚杆间排距为800mm×800mm，锚索间排距为1300mm×1600mm；两帮采用菱形金属网护帮，钢筋梯字梁组合Φ22×2400mm高强度螺纹钢锚杆支护，锚杆间排距为950mm×800mm。

3.2 交叉区域下方顺槽支护施工要求

（1）在采用撞楔法进行顺槽超前支护后，综掘机掘进过程中应合理控制综掘机截割部距离顺槽顶板的距离，截割部严禁触及钢管，确保顶板完整，保持超前支护的有效性。

（2）随着掘进施工的进行，合理确定钢管的接茬深度，且要确保钢管的仰角符合要求，保证仰角在设计5°±1°范围内，以防出现截割部触及钢管或者临时支护不起作用等情况。

（3）在综掘机掘进0.8m后施工永久支护时，菱形金属网必须张紧，且搭接宽度要求为100～150mm，扎丝捆扎间距要求不超过200mm，确保金属网护顶护帮有效。

（4）在上位煤层煤柱和采空区交叉区域顶板采用的水胀式锚杆要求注水压力不低于30MPa，注液时间不低于2min。

（5）对于顶板严重破碎造成巷道成型困难时，可采用加密锚杆和锚索的方式进行补强支护，必要时可架设U36拱形棚子支护。

3.3 矿压观测

为了掌握29205工作面顺槽在上位煤层采空区与煤柱交叉区域影响范围内支护效果，对该区域顺槽段进行了巷道收敛变形观测。结果显示：顶板下沉量平均为32mm，顶底板移近量平均为104mm，分别为顺槽设计高度的2.97%；两帮移近量平均为302mm，为顺槽设计宽度的6.71%。说明该支护方式下，顺槽收敛变形较小，能够满足设计要求。如图1所示。

图1 交叉区域下方顺槽顶板支护布置剖面图（沿巷道轴向）

4 结 语

近距离下位煤层工作面顶板在上位煤层开采扰动和遗留煤柱产生的应力等作用下遭到破坏，尤其是下位煤层顺槽在上位煤层采空区和煤柱交叉区域影响下，掘进施工和支护难度较大。在进行该区域下位煤层顺槽支护时，要首先掌握交叉区域影响范围和顶板破坏情况，结合顶板岩性特点有针对性地提出支护方案，才能确保交叉区域下方顺槽掘进的安全性和支护的有效性。