浅埋极近距离房柱采空区下大采高工作面切眼支护设计*

刘 昭，刘 东

(1.神府经济开发区海湾煤矿有限公司三号井，陕西 榆林 719314；2.神木市孙家岔中心煤管所，陕西 榆林 719300)

0 引言

我国西部神府煤田埋藏浅，可采厚煤层多，大部分区域的首煤层开采完毕，逐步进入第二、三主采煤层开采，煤层群下部煤层开采时容易出现来压强度大，来压迅猛等剧烈的来压现象[1]。锚杆支护作为主动支护，能安全高效地保障工作面巷道围岩的稳定性，该区域大中型煤矿的煤巷锚杆支护率高达100%[2]。

神府矿区内大部分主采煤层开采高度较大(一般为4～7 m)，随着采高的增大以及工作面开采机械设备尺寸的增大，导致工作面安装时需要的切眼跨度增大，形成了大断面切眼巷道。关于大跨度开切眼理论的研究较为成熟，很多学者进行了深入研究[3-5]。然而，针对海湾煤矿在浅埋极近距离、上覆房柱采空区、大采高工作面开采条件的大断面切眼支护的研究较少。现阶段的研究主要集中在浅埋极极近距离工作面的顶板结构、矿压规律和工作面合理位置的确定等[6-7]。例如，黄庆享等[8]针对神东天隆公司霍洛湾煤矿2-2上煤层与2-2煤层的层间距为5～7 m极近距离条下，研究了下层煤开采的顶板垮落和来压规律，建立了下层煤顶板结构模型，揭示了顶板来压机理；薛吉胜等[9]基于霍洛湾煤矿22104工作面的赋存条件与开采条件分析，应用弹塑性理论得出上层煤开采后底板的最大破坏深度大于煤层间距，结合理论分析与数值模拟对于底板影响大小与区域的确定，给出了下层煤22104工作面的合理位置。张炜等[10]针对曹村矿10号与11号煤层间距9.3 m的极近距离煤层开采，确定了合理的工作面内错式错距为7.5 m。康官先等[11]对嘉乐泉9号煤层距上煤层8号煤间隔7.5 m的条件，确定了采空区下回采时巷道合理位置。龚红鹏[12]针对东曲煤矿4号煤层距上层煤2号煤4.36～5.6 m的极近距离开采，研究得出直接顶的岩性、厚度等赋存条件和支架的工作状态是影响顶板稳定性的主要因素。朱润生[13]针对极近距离下煤层开采顶板为复合顶板，确定了不同层间距的极近距离下煤层回采巷道的支护方式和具体支护参数。陈善乐等[14]基于数值计算，研究了下煤层的采动对切眼围岩的应力分布和支护方式等。赵兴华[15]针对石圪台煤矿近距离煤层的大断面切眼支护难题，提出了“锚杆+钢筋网片+锚索+钢梁棚+单体支护”联合支护方案。

上述学者成果为极近距离下煤层安全开采提供了研究基础，但针对海湾煤矿类似条件下的浅埋极近距离大采高工作面大断面切眼支护的研究较少。因此，开展海湾煤矿极近距离大采高工作面大断面切眼支护研究十分有必要，一方面为海湾煤矿开切眼期间的安全生产提供技术保障，另一方面为陕北浅埋近距离煤层群工作面的开采提供一定借鉴。

1 工程概况

海湾煤矿三号井位于神木北部矿区海湾井田，开采2-2上、2-2和3-1煤层，2-2上煤层平均厚度为3.20 m，倾角0°～1°，埋深89～141 m，大部分采用长壁综采一次采全高采煤工艺，在煤层边角处采用房柱式采煤法，2-2上煤层已全部回采结束。目前开采2-2煤层，2-2煤层平均厚7.46 m，倾角0°～1°，埋深107～159 m，采用长壁综采大采高一次采全高采煤工艺，采高7.0 m，距2-2上煤层3.63～10.02 m，平均6.0 m。

2205工作面位于2-2煤层南部边界处，其上部为2-2上煤层房柱式采空区，属大断面巷道。切眼处平均埋深115 m，切眼长度130 m，断面9.6 m×5.0 m(宽×高)，沿2-2煤层底板掘进施工，留设顶煤约2.5 m。切眼距2-2上煤层房柱式采空区约6 m，岩层岩性以粉砂岩为主。2-2上煤层房柱式采区采取“采6 m留6 m”的方式布置，2205工作面切眼的平剖面图如图1所示。

图1 2205工作面平剖面

根据地表观测，在上煤层的房柱式开采后，开采区域内的采空区并未发生塌陷。上覆采空区遗留房柱煤柱将导致切眼顶、帮应力集中、压力显现，为保证2205工作面备用及安装期间巷道安全，采用“锚网索+钢带+垛式支架”联合支护。

2 工作面切眼的施工工艺

2205工作面切眼采用EBZ-160型掘进机施工，单体锚杆机支护，分4次成巷。第1、2次掘进施工巷道上分层，第3、4次掘进施工巷道下分层。首次掘进巷道上分层靠工作面侧，宽6.0 m，高3.0 m；第2次掘进巷道上分层靠煤柱侧，宽3.6 m，高3.0 m；第3次掘进巷道下分层靠煤柱侧，宽4.2 m，高2.0 m；第4次掘进巷道下分层靠工作面侧，宽5.4 m，高2.0 m，如图2所示，图中距离单位为mm。

图2 切眼掘进施工顺序及垛架支护示意

3 切眼的支护设计方案

2205工作面安装切眼宽9.6 m，高5.0 m；切眼顶板为煤岩复合顶板，顶煤厚约2～2.5 m，顶板厚约4 m，顶板上方为房柱式采空区；鉴于2205工作面安装切眼特殊的地质条件，参照以往切眼支护经验，2205工作面安装切眼支护设计时，顶板采用“钢筋网+螺纹钢锚杆+钢带+锚索”联合支护；二次掘进前，在一次成巷内采用垛式支架补强支护；4次掘进前，在3次成巷内采用垛式支架补强支护。靠煤柱帮采用“钢筋焊接网片+螺纹钢锚杆”联合支护；靠工作面帮采用“塑料网片+玻璃钢锚杆”支护。

3.1 顶板正常支护

3.1.1 整体布置

采用“6#钢筋网+螺纹钢锚杆+钢带+锚索”联合支护。螺纹钢锚杆规格为φ18 mm×3 000 mm，间排距1 200 mm×1 000 mm，呈矩形布置；锚索规格为φ17.8 mm×4 500 mm，锚索间排距1 700 mm×2 000 mm，呈矩形布置；锚索配合钢带使用，钢带选用厚度为4 mm、长4 m的W型钢带，沿断面方向铺设，2205工作面切眼支护展开如图3所示。

图3 2205工作面切眼支护的展开

3.1.2 顶锚杆

选用φ18 mm×3 000 mm，锚固剂CK2650(1支)，碟形托盘120 mm×120 mm×8 mm。锚杆预紧力120 N·m，锚杆锚固力60 kN。锚杆安装与顶板夹角不小于75°。

3.1.3 锚索

采用φ17.8 mm×4 500 mm钢绞线，带配套锁具，锚固剂CK2650(2支)。铁方托盘300 mm×300 mm×10 mm，锚索预紧力150 kN，锚索锚固力320 kN。

3.1.4 网片规格

网片规格为φ6-1 100×3 100钢筋焊接网；网格100 mm×100 mm，网片搭接不小于100 mm。采用16#铁丝绑接，间隔300 mm，隔孔绑接。

3.1.5 补强支护

二次掘进前，在一次成巷内采用垛式支架补强支护；垛架顺巷道掘进方向打设一排，距工作面帮1 500 mm，垛架间间距5 000 mm。4次掘进前，在3次成巷内采用垛式支架补强支护；垛架顺巷道掘进方向打设一排，距煤柱帮1 275 mm，垛架间间距5 000 mm。垛式支架支护高度2 700～5 600 mm，支架顶梁宽1 650 mm、长5 500 mm，工作阻力18 000 kN，初撑力12 784 kN。

3.2 工作面帮支护

采用“塑料网片+玻璃锚杆”支护，玻璃锚杆规格为φ16 mm×1 500 mm，间排距为1 000 mm×1 000 mm，共打4排，网片采用塑料网。玻璃钢帮锚杆φ16 mm×1 500 mm，锚固剂CK2650(1支)，锚杆预紧力40 N·m，锚杆锚固力60 kN，锚杆安装角度：巷帮夹角不小于15°。塑料网片为100 mm×100 mm，16#铁丝绑接，间隔300 mm，隔孔绑接。

3.3 煤柱帮支护

3.3.1 支护方式

煤柱帮采用“钢筋网+螺纹钢锚杆”联合支护。螺纹钢锚杆规格为φ18 mm×1 500 mm，间排距为1 000 mm×1 000 mm，共打4排，网片采用6#钢筋网。

3.3.2 1.5 m螺纹钢帮锚杆

采用φ18 mm×1 500 mm，锚固剂型CK2650(1支)，碟形托盘120 mm×120 mm×8 mm；锚杆预紧力100 N·m，检测不得小于设计值的90%；锚杆锚固力为60 kN，检测不得低于设计值的90%。锚杆间排距偏差范围为±100 mm；锚杆露出螺母长度为10～50 mm；锚杆巷帮夹角不小于15°。

3.3.3 网片规格

φ6-1 100×3 100钢筋焊接网，网格为100 mm×100 mm。网片搭接不小于100 mm，绑丝规格为16#铁丝，间隔300 mm，隔孔绑接。

3.3.4 其他注意事项

若施工过程中顶帮压力明显以及遇地质构造顶板破碎易冒落等情况，必须缩小循环进度，改用短掘短支，即最大控顶距不得大于0.8 m。采取加密锚索、调整锚索长度和直径等进行加强支护，确保锚索深入稳定岩层1.0 m以上，锚索支护距工作面不得大于6 m。掘进期间巷道开口及抹角处等跨度较大的位置以及局部顶板破碎处，应根据现场情况加密锚杆、锚索支护，保证施工安全。垛架补强支护，支架初撑力必须达到24 MPa，掘进过程中要定期巡查补液，防止支架泄压；支设支架时要在支架顶梁上放置道木，防止支架破坏锚索锁具。3次巷中支护的垛式支架一直保留，直至工作面安装支架时，随着支架的安装，逐步退出。

4 结论

(1)海湾煤矿三号井2205大采高工作面的切眼位于浅埋极近距离房柱采空区下方，大断面切眼的掘进期间分4次成巷，一、二次掘进施工巷道上分层，三、四次掘进施工巷道下分层。

(2)2205大采高工作面的切眼顶板采用“锚网索+钢带+垛式支架”联合支护，两帮采用锚网支护，有效的控制了巷道围岩变形，保证了2205工作面安装切眼掘进施工期间、工作面备用及安装期间的巷道安全。