泰安煤業(yè)近距離煤層下組12號(hào)煤層工作面巷道支護(hù)技術(shù)研究

田王健

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究有限公司，山西 太原 030006)

引 言

近距離煤層或極近距離煤層多采用分層逐層方式開采，下組煤層工作面巷道布置多采用內(nèi)錯(cuò)、外錯(cuò)和垂直布置3種[1-4]；另外，兼并重組礦井多具有井田面積小、資源儲(chǔ)量少和采空區(qū)多的特點(diǎn)，該類礦井為了提高資源回收率，多采用外錯(cuò)布置。泰安煤業(yè)為典型的兼并重組礦井，且上組11號(hào)煤層厚度1.43 m～1.95 m，平均厚度1.57 m，只能布置5個(gè)工作面。本文以泰安煤業(yè)近距離煤層下組12號(hào)煤層12101和12102工作面巷道作為研究對象，對其工作面巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究。

1 12101工作面圍巖地質(zhì)條件

泰安煤業(yè)11號(hào)煤層為主采煤層，厚度1.43 m～1.95 m，平均厚度1.57 m，直接頂為含鈣泥巖，平均厚度3.1 m，基本頂為泥質(zhì)粉砂巖，平均厚度4.3 m，直接底為泥巖，平均厚度3.57 m?，F(xiàn)準(zhǔn)備布置12號(hào)煤層工作面，11號(hào)煤層和12號(hào)煤層為近距離煤層，12101工作面埋深180 m～370 m，地表起伏較大。

在12101工作面上方的11101工作面和11102工作面兩順槽，向底板打孔探測11號(hào)與12號(hào)的層間距和12號(hào)煤層厚度，在11101工作面停采線至12101工作面切巷區(qū)域，層間距為3 m～13 m，12號(hào)煤層厚度為4.5 m～5.5 m。12號(hào)煤層為黑色塊狀亮煤，含0層～2層夾矸，厚度1.63 m～5.46 m，平均厚度2.97 m。之上以泥巖為主，有時(shí)夾細(xì)砂巖薄層，厚度2.32 m～7.84 m，平均厚度3.57 m；之上為11#煤層，黑色，塊狀，硬度一般為2～3，厚度1.43 m～1.95 m，平均厚度1.57 m；之上為泥巖、砂質(zhì)泥巖或粉砂巖互層，厚度2.00 m～3.21 m，平均厚度3.1 m。

構(gòu)造情況，根據(jù)地面三維地震勘探，以及8號(hào)煤層開掘的巷道揭露，順槽巷道無大的地質(zhì)構(gòu)造；預(yù)計(jì)無巖漿侵入體、河流沖刷、陷落柱等構(gòu)造，構(gòu)造對掘進(jìn)基本無影響。水文地質(zhì)情況，本工作面水文地質(zhì)條件較為簡單，主要水源為11號(hào)煤層上覆砂巖裂隙水下滲。預(yù)計(jì)最大涌水量為50 m3/h，正常涌水量為5 m3/h～10 m3/h。

2 12101工作面地質(zhì)力學(xué)測試與分析

布置了3個(gè)地質(zhì)力學(xué)測站，測點(diǎn)位置布置在11號(hào)和12號(hào)煤層中。其中，第一測點(diǎn)位于11102運(yùn)輸順槽，距輔運(yùn)巷聯(lián)巷口75 m處；第二、第三測點(diǎn)分別布置在12號(hào)煤層一采區(qū)輔運(yùn)巷900 m和950 m處。

2.1 圍巖結(jié)構(gòu)觀察

依據(jù)第二測點(diǎn)鉆孔觀測結(jié)果，結(jié)合收集到的相關(guān)地質(zhì)資料綜合分析可知，0 m～1.9 m為粉砂巖，呈深灰色，鈣質(zhì)膠結(jié)，該段巖層完整性較好；1.9 m～3.6 m為11號(hào)煤，為黑色亮煤，煤體完整；3.6 m～8.9 m為砂質(zhì)泥巖，巖層呈灰黑色，泥質(zhì)膠結(jié)，其中4.2 m處為泥巖夾層，5.0 m、6.2 m處有明顯的橫向裂隙，6.2 m～8.9 m巖層完整；8.9 m～9.2 m為10號(hào)煤層；9.2 m～13.4 m為泥巖，呈灰黑色，泥質(zhì)膠結(jié)，完整性好；13.4 m～18.6 m為細(xì)砂巖，深灰色，鈣質(zhì)膠結(jié)，其中，14.1 m～14.8 m有明顯裂隙發(fā)育，完整性差，14.9 m～18.6 m巖層完整；18.6 m～20.1 m為泥質(zhì)砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，巖層完整。通過探視可以看出，第二測點(diǎn)巷幫鉆孔巖軸向0 m～0.1 m為噴層，0.1 m～10.2 m為12號(hào)煤，煤體整體完整性較好。

2.2 圍巖強(qiáng)度測試

采用自WQCZ-56型圍巖強(qiáng)度測試裝置，在頂板鉆孔內(nèi)進(jìn)行了10 m范圍煤巖層的強(qiáng)度測試，在幫孔測試了煤體強(qiáng)度。頂板以上0 m～1.9 m為粉砂巖，巖石強(qiáng)度平均值為66.00 MPa；1.9 m～3.6 m為11號(hào)煤，煤體強(qiáng)度平均值為18.33 MPa；3.6 m～8.9 m為砂質(zhì)泥巖，巖石強(qiáng)度平均值為55.67 MPa；8.9 m～9.2 m為10號(hào)煤層，煤體強(qiáng)度平均值為22.79 MPa；9.2 m～10.0 m為泥巖，巖石強(qiáng)度平均值為34.54 MPa；12號(hào)煤體強(qiáng)度平均值為14.34 MPa。

2.3 地應(yīng)力測試

第一測站最大水平主應(yīng)力為6.54 MPa，最小水平主應(yīng)力為3.39 MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹38.6°W；第二測站最大水平主應(yīng)力為7.23 MPa，最小水平主應(yīng)力為3.92 MPa，垂直應(yīng)力為6.12 MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹28.5°W；第三測站最大水平主應(yīng)力為8.65 MPa，最小水平主應(yīng)力為4.26 MPa，垂直應(yīng)力為6.12 MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹29.7°W。

第一測站頂板為采空區(qū)垂直應(yīng)力，基本可以忽略。根據(jù)相關(guān)判斷標(biāo)準(zhǔn)，0 MPa～10 MPa為低應(yīng)力區(qū)，10 MPa～18 MPa為中等應(yīng)力區(qū)，18 MPa～30 MPa為高應(yīng)力區(qū)，大于30 MPa為超高應(yīng)力區(qū)。由此判斷，該區(qū)域地應(yīng)力場在量值上屬于低應(yīng)力值區(qū)域。第二、第三測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力均大于垂直應(yīng)力，最小水平主應(yīng)力為最小主應(yīng)力。所測區(qū)域應(yīng)力場類型為σH>σV>σh型應(yīng)力場。

3 12101工作面巷道支護(hù)

12101工作面巷道凈煤柱20 m，12號(hào)煤層巷道內(nèi)錯(cuò)11號(hào)煤層煤柱邊緣10 m。12101工作面運(yùn)輸順槽距11101工作面采空區(qū)邊界35 m，布置在11101工作面采空區(qū)中，12101工作面回風(fēng)順槽與11101工作面回風(fēng)順槽重疊布置。12102工作面回風(fēng)順槽距11101工作面采空區(qū)邊界10 m，布置在11101工作面采空區(qū)中，布置方式如圖1所示。

圖1 12101工作面布置方案

12101工作面運(yùn)輸順槽為矩形斷面，沿煤層頂板掘進(jìn)，掘進(jìn)寬度5 m，高度3.5 m，掘進(jìn)斷面積為17.5 m2。12101工作面運(yùn)輸順槽根據(jù)12號(hào)和11號(hào)煤層層間距不同，分為4種支護(hù)方案。

當(dāng)層間距2.5 m～3.5 m時(shí)，12101工作面運(yùn)輸順槽支護(hù)方案如下：頂板支護(hù)，錨桿桿體為直徑20 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2 400 mm；加長錨固，2支樹脂藥卷，一支為CK2340，一支為Z2360；方形帶拱托板150 mm×150 mm×8 mm，W鋼帶，厚度3 mm，寬280 mm，長度4 800 mm，孔間距900 mm，Φ6mm鋼筋網(wǎng)；錨桿排距1 000 mm，間距900 mm，預(yù)緊扭矩不低于300 N·m；π梁長度4 800 mm，120 mm×120 mm，W42-200/100單體支柱，三三布置，間距1 650 mm、2 500 mm，排距1 000 mm。煤柱側(cè)幫，加長錨固，一支樹脂藥卷，Z2360；錨桿排距1 000 mm，間距1 300 mm，預(yù)緊扭矩不低于300 N·m。工作面?zhèn)葞?，玻璃鋼錨桿，預(yù)緊力矩為40 N·m。

當(dāng)層間距3.5 m～4.5 m時(shí)，12101工作面運(yùn)輸順槽支護(hù)方案與上述支護(hù)方案的不同點(diǎn)主要為：頂板支護(hù)增加錨索，材料為Φ17.8mm，長度3 300 mm，3支樹脂藥卷，2支規(guī)格為Z2360，一支規(guī)格為CK2340；300 mm×300 mm×14 mm方形帶拱錨索托板，二二布置，排距2 000 mm，間距2 000 mm，張拉力不低于200 kN；當(dāng)層間距4.5 m～5.5 m時(shí)，12101工作面運(yùn)輸順槽支護(hù)方案的不同點(diǎn)主要為頂板支護(hù)的錨索長度為4 300 mm；當(dāng)層間距5.5 m以上時(shí)，12101工作面運(yùn)輸順槽支護(hù)方案的不同點(diǎn)主要為頂板支護(hù)的錨索長度為5 300 mm。

12101工作面回風(fēng)順槽為矩形斷面，沿煤層頂板掘進(jìn)，掘進(jìn)寬度4.5 m，高度3.5 m，掘進(jìn)斷面積為15.75 m2。支護(hù)方式同12101工作面運(yùn)輸順槽。

4 12102工作面巷道現(xiàn)狀及分析

泰安煤業(yè)正在開采的11號(hào)和12號(hào)煤層，井下現(xiàn)布置有11103、12101兩個(gè)綜采工作面、12102進(jìn)風(fēng)順槽、12102回風(fēng)順槽兩個(gè)綜掘工作面，12101工作面平均厚度4.3 m，12102工作面平均厚度3.2 m，具體工作布置情況如圖2所示。

圖2 工作面布置示意圖

4.1 綜采工作面間隔一個(gè)條帶同時(shí)開采

11號(hào)煤層現(xiàn)采工作面為11103綜采工作面，目前正常組織生產(chǎn)作業(yè)，安全生產(chǎn)條件較好；12號(hào)煤層現(xiàn)采工作面為12101綜采工作面，運(yùn)輸順槽采用外錯(cuò)2 m布置，回風(fēng)順槽采用重疊布置。對其安全開采有直接影響的為其上方11號(hào)煤層11101工作面采空區(qū)，該工作面已于2017年11月回采結(jié)束。12101工作面自2018年8月份開始回采，與11101工作面回采結(jié)束時(shí)間間隔近1年，現(xiàn)已推進(jìn)至500 m處，距進(jìn)入11101工作面采空區(qū)還有40 m，尚未進(jìn)入11號(hào)煤層采空區(qū)影響范圍。

12101工作面運(yùn)輸順槽與12102工作面回風(fēng)順槽間凈煤柱為27 m，且該巷在150 m左右處進(jìn)入到11101工作面采空區(qū)影響范圍，由于受11101工作面和11102工作面采動(dòng)應(yīng)力疊加及12102工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)引起的采動(dòng)影響，150 m～300 m出現(xiàn)了底鼓和兩幫變形，變形特點(diǎn)主要為煤柱側(cè)幫腳整體鼓出、回采側(cè)煤幫整體鼓出，頂部變化不大，幫錨桿受力明顯。

11103工作面與12101工作面間隔一個(gè)條帶同時(shí)開采，受11號(hào)煤層采動(dòng)影響和煤柱應(yīng)力集中影響，兩個(gè)工作面同時(shí)回采是否可行、兩巷超前動(dòng)壓顯現(xiàn)規(guī)律及巷道加強(qiáng)支護(hù)方式的問題急需解決。

4.2 12102工作面巷道布置及支護(hù)現(xiàn)狀分析

12102工作面上部為11號(hào)煤層11102工作面采空區(qū)，該工作面自2017年12月初開始回采，于2018年6月回采結(jié)束。由于12102工作面運(yùn)輸順槽側(cè)11號(hào)、12號(hào)煤層層間距為1.5 m～2.5 m，采空區(qū)下無法施工錨索且頂板管理不善時(shí)易引發(fā)其他安全問題，結(jié)合12101工作面運(yùn)輸順槽外錯(cuò)2 m布置的經(jīng)驗(yàn)，最終布置方案為12102回風(fēng)順槽外錯(cuò)5 m布置，12102運(yùn)輸順槽外錯(cuò)6 m布置。

12102工作面運(yùn)輸順槽自2018年8月開始掘進(jìn)，回風(fēng)順槽自2018年9月開始掘進(jìn)，距11102工作面回采結(jié)束僅1個(gè)月。因此，兩順槽開口段11102采空區(qū)頂板運(yùn)動(dòng)造成的礦壓影響尚未結(jié)束，巷道開掘后必定受到二次動(dòng)壓影響，支護(hù)難度顯著增加。目前，12102工作面運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽已分別掘進(jìn)720 m和420 m。開始掘進(jìn)后，兩巷均局部有片幫，自10月底開始，回風(fēng)順槽180 m至迎頭，巷道變形較大，最窄處巷寬由5 m減小至4 m，底鼓普遍在500 mm～600 mm，起底后仍有少量底鼓，頂板仍然保持完整；運(yùn)輸順槽巷寬保持在4.5 m～4.9 m，局部有底鼓，自350 m起，頂板出現(xiàn)構(gòu)造，成型不佳，620 m～450 m段由于11103工作面采動(dòng)影響，出現(xiàn)頂板破碎下沉。另一方面，12101工作面和12102工作面均沒有建立標(biāo)準(zhǔn)的礦壓監(jiān)測體系，現(xiàn)有支護(hù)載荷變化規(guī)律、煤柱內(nèi)應(yīng)力變化情況等無法進(jìn)行定量分析。

鑒于上述問題，需對11號(hào)和12號(hào)煤層工作面布置進(jìn)行重新調(diào)整，停止12102工作面巷道的掘進(jìn)，考慮11104和11105工作面巷道的掘進(jìn)，回采11104工作面時(shí)再掘進(jìn)翻修12102工作面巷道；11104和11105工作面巷道考慮沿空留巷，降低萬噸掘進(jìn)率，取消煤柱應(yīng)力，為下組12號(hào)煤層工作面巷道支護(hù)提供保障。

5 結(jié)論

本文基于兼并重組礦井的特點(diǎn)和近距離煤層工作面巷道的布置方式，以泰安煤業(yè)近距離煤層下組12號(hào)煤層作為研究對象，在對12101工作面圍巖地質(zhì)條件、地質(zhì)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測試的基礎(chǔ)上，提出了12號(hào)煤層工作面巷道的支護(hù)方案，并對12102工作面巷道支護(hù)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析。提出，對于泰安煤業(yè)11號(hào)和12號(hào)近距離煤層，兩個(gè)綜采工作面同時(shí)作業(yè)，需重新考慮11號(hào)和12號(hào)煤層工作面的布置及巷道布置，針對泰安煤業(yè)礦井的特點(diǎn)，11號(hào)煤層建議采用沿空留巷，解決采掘銜接緊張、煤柱應(yīng)力集中的問題。該研究可以為泰安煤業(yè)11號(hào)和12號(hào)煤層工作面巷道的支護(hù)提供一定的技術(shù)參考。