近距離煤層煤柱及采空區(qū)交叉區(qū)域下方順槽支護技術(shù)

岳衛(wèi)國

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦，山西 太原 030200）

西曲礦開采實踐表明，近距離上位煤層形成的采空區(qū)及遺留煤柱的交叉區(qū)域會形成更大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致下位煤層開采區(qū)域的頂板圍巖特性發(fā)生顯著改變，頂板完整性和穩(wěn)定性大幅度降低，下位煤層頂板控制難度加大，近距離下位煤層支護采用普通錨桿無法形成有效支護，在采掘過程中容易引起頂板失穩(wěn)，引起安全事故[1-4]。西曲礦北二盤區(qū)8號和9號煤層屬于近距離煤層，29205工作面上部8號煤層已經(jīng)采完，且29205工作面順槽局部位于上部8號煤層和28205工作面遺留煤柱交叉區(qū)域，為了保證29205工作面回采順槽安全掘進和工作面安全回采，有必要針對該區(qū)域順槽頂板支護進行研究。

1 工作面概況

29205工作面位于北二盤區(qū)，南部為29204工作面采空區(qū)，東北部為小煤窯破壞區(qū)域。所采煤層為9號煤層，煤層厚1.8～2.4m，平均為2.2m，煤層傾角平均為3°。29205工作面可采走向長度為960m，傾斜長度為180m。28205工作面位于29205工作面上部，工作面煤層間距平均為7.4m，所采煤層為8號煤層，煤層均厚4.1m。28205工作面回采結(jié)束距今已有10年，采空區(qū)圍巖活動基本已經(jīng)趨于平穩(wěn)，其開采后遺留有25m寬的風(fēng)巷保護煤柱位于29205工作面上方，其中部分與29205工作面回風(fēng)順槽交叉。根據(jù)綜合柱狀圖可知，8號煤層和9號煤層間巖性從上至下依次為均厚2.7m的細粒砂巖、4.3m的砂質(zhì)泥巖和0.4m的泥巖。8#煤層無偽頂，直接頂為3.8m的石灰?guī)r，基本頂為5.3m的砂質(zhì)泥巖和細粒砂巖。根據(jù)鉆孔采樣試驗可知，泥巖和砂質(zhì)泥巖較軟弱，局部破碎；細粒砂巖受開采擾動影響，碎裂程度較高，局部呈粉末狀，巖性較差。根據(jù)生產(chǎn)需要，29205工作面兩順槽均沿煤層頂板掘進，巷道設(shè)計規(guī)格（寬×高）為4500mm×3500mm，巷道凈斷面積為15.75m2。

2 交叉區(qū)域頂板穩(wěn)定性分析

近距離上位煤層在開采過程中，底板受到工作面超前支承壓力和煤柱區(qū)域集中應(yīng)力作用遭到應(yīng)力破壞。煤柱對工作面頂板巖體起到支撐作用，煤柱周邊采空區(qū)應(yīng)力較低，造成煤柱與采空區(qū)交叉區(qū)域底板應(yīng)力分布不均，在此應(yīng)力作用下，煤柱與采空區(qū)交叉區(qū)域底板出現(xiàn)拉伸和剪切破壞，破壞程度從上至下逐漸減弱。

根據(jù)28205工作面回風(fēng)巷底板鉆孔窺視結(jié)果可知，底板下方3～5m破壞最為嚴(yán)重。在下位煤層回采順槽掘進過程中，在此交叉區(qū)域，頂板更容易出現(xiàn)冒頂和離層，若得不到及時有效控制，勢必造成更大范圍的頂板冒漏事故。

另外，由于煤柱的存在，上位煤層采空區(qū)與煤柱交叉區(qū)域的頂板下沉不及時，該區(qū)域破落的巖體膠結(jié)不實，存在一定范圍的空洞區(qū)，在該區(qū)域施工錨桿進行支護時，錨桿無法形成有效的錨固，支護效果較差。

采空區(qū)積水對下位煤層頂板穩(wěn)定性也極為不利，8號和9號煤層間巖體遇水易發(fā)生水理現(xiàn)象，且煤層間巖體厚度平均僅為7.4m，在采掘擾動作用下整體性和強度遭到破壞，裂隙發(fā)育，采空區(qū)積水順裂隙向下滲流，巖體在水理作用下出現(xiàn)崩解和變形，巖體強度大幅度降低，給后期支護帶來較大難題。

3 交叉區(qū)域下方順槽支護

根據(jù)西曲礦29205工作面頂板巖性特點和上位8號煤層開采情況，同時考慮到上位煤層煤柱附近采空區(qū)上方頂板垮落情況較差，冒落的巖體膠結(jié)不實，在煤柱與采空區(qū)交叉區(qū)域存在空間和裂隙，為了提高29205工作面順槽過該交叉區(qū)域的頂板支護效果，結(jié)合鉆孔窺視結(jié)果，確定上位煤層煤柱與采空區(qū)交叉區(qū)域影響范圍為上位煤層遺留煤柱正下方5m處開始向采空區(qū)延伸8m，即影響范圍為煤柱兩側(cè)各8m加上煤柱寬度5m，共計13m。

3.1 順槽支護設(shè)計

設(shè)計采用撞楔法進行超前臨時支護，在順槽施工迎頭沿著頂板以5°仰角施工Φ32mm、深3m的3排鉆孔。鉆孔施工完畢后，將Φ30mm、長3m的鋼管楔進去，然后采用綜掘機進行掘進，每掘進0.8m，即施工永久支護。其中頂板支護采用雙層菱形金屬網(wǎng)護頂，鋼筋梯子梁組合Φ22×2400mm高強度螺紋鋼錨桿配合架棚支護頂板，Φ18.9×4300mm短錨索補強支護，錨桿間排距為800mm×800mm，錨索間排距為1300mm×1600mm；兩幫采用菱形金屬網(wǎng)護幫，鋼筋梯字梁組合Φ22×2400mm高強度螺紋鋼錨桿支護，錨桿間排距為950mm×800mm。當(dāng)掘進2.4m后，重新施工鉆孔采用撞楔法進行臨時支護，如此循環(huán)直至順槽掘進完全通過上位煤層煤柱與采空區(qū)交叉區(qū)域。鑒于交叉區(qū)域巖體破碎，考慮到水脹式錨桿具有可以實現(xiàn)全長錨固，通過對錨桿注入高壓水實現(xiàn)對破碎巖體的擠壓加固，在加壓膨脹過程中對圍巖提供高預(yù)緊力等諸多優(yōu)點，決定對交叉區(qū)域頂板采用雙層菱形金屬網(wǎng)護頂，鋼筋梯子梁組合Φ28×2400mm水脹式錨桿支護頂板，Φ18.9×6000mm短錨索補強支護，水脹式錨桿間排距為800mm×800mm，錨索間排距為1300mm×1600mm；兩幫采用菱形金屬網(wǎng)護幫，鋼筋梯字梁組合Φ22×2400mm高強度螺紋鋼錨桿支護，錨桿間排距為950mm×800mm。

3.2 交叉區(qū)域下方順槽支護施工要求

（1）在采用撞楔法進行順槽超前支護后，綜掘機掘進過程中應(yīng)合理控制綜掘機截割部距離順槽頂板的距離，截割部嚴(yán)禁觸及鋼管，確保頂板完整，保持超前支護的有效性。

（2）隨著掘進施工的進行，合理確定鋼管的接茬深度，且要確保鋼管的仰角符合要求，保證仰角在設(shè)計5°±1°范圍內(nèi)，以防出現(xiàn)截割部觸及鋼管或者臨時支護不起作用等情況。

（3）在綜掘機掘進0.8m后施工永久支護時，菱形金屬網(wǎng)必須張緊，且搭接寬度要求為100～150mm，扎絲捆扎間距要求不超過200mm，確保金屬網(wǎng)護頂護幫有效。

（4）在上位煤層煤柱和采空區(qū)交叉區(qū)域頂板采用的水脹式錨桿要求注水壓力不低于30MPa，注液時間不低于2min。

（5）對于頂板嚴(yán)重破碎造成巷道成型困難時，可采用加密錨桿和錨索的方式進行補強支護，必要時可架設(shè)U36拱形棚子支護。

3.3 礦壓觀測

為了掌握29205工作面順槽在上位煤層采空區(qū)與煤柱交叉區(qū)域影響范圍內(nèi)支護效果，對該區(qū)域順槽段進行了巷道收斂變形觀測。結(jié)果顯示：頂板下沉量平均為32mm，頂?shù)装逡平科骄鶠?04mm，分別為順槽設(shè)計高度的2.97%；兩幫移近量平均為302mm，為順槽設(shè)計寬度的6.71%。說明該支護方式下，順槽收斂變形較小，能夠滿足設(shè)計要求。如圖1所示。

圖1 交叉區(qū)域下方順槽頂板支護布置剖面圖（沿巷道軸向）

4 結(jié) 語

近距離下位煤層工作面頂板在上位煤層開采擾動和遺留煤柱產(chǎn)生的應(yīng)力等作用下遭到破壞，尤其是下位煤層順槽在上位煤層采空區(qū)和煤柱交叉區(qū)域影響下，掘進施工和支護難度較大。在進行該區(qū)域下位煤層順槽支護時，要首先掌握交叉區(qū)域影響范圍和頂板破壞情況，結(jié)合頂板巖性特點有針對性地提出支護方案，才能確保交叉區(qū)域下方順槽掘進的安全性和支護的有效性。