泰安煤業近距離煤層下組12號煤層工作面巷道支護技術研究

田王健

(山西煤炭運銷集團科學技術研究有限公司，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錯、外錯和垂直布置3種[1-4]；另外，兼并重組礦井多具有井田面積小、資源儲量少和采空區多的特點，該類礦井為了提高資源回收率，多采用外錯布置。泰安煤業為典型的兼并重組礦井，且上組11號煤層厚度1.43 m～1.95 m，平均厚度1.57 m，只能布置5個工作面。本文以泰安煤業近距離煤層下組12號煤層12101和12102工作面巷道作為研究對象，對其工作面巷道支護技術進行研究。

1 12101工作面圍巖地質條件

泰安煤業11號煤層為主采煤層，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，基本頂為泥質粉砂巖，平均厚度4.3 m，直接底為泥巖，平均厚度3.57 m。現準備布置12號煤層工作面，11號煤層和12號煤層為近距離煤層，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號與12號的層間距和12號煤層厚度，在11101工作面停采線至12101工作面切巷區域，層間距為3 m～13 m，12號煤層厚度為4.5 m～5.5 m。12號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，有時夾細砂巖薄層，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、砂質泥巖或粉砂巖互層，厚度2.00 m～3.21 m，平均厚度3.1 m。

構造情況，根據地面三維地震勘探，以及8號煤層開掘的巷道揭露，順槽巷道無大的地質構造；預計無巖漿侵入體、河流沖刷、陷落柱等構造，構造對掘進基本無影響。水文地質情況，本工作面水文地質條件較為簡單，主要水源為11號煤層上覆砂巖裂隙水下滲。預計最大涌水量為50 m3/h，正常涌水量為5 m3/h～10 m3/h。

2 12101工作面地質力學測試與分析

布置了3個地質力學測站，測點位置布置在11號和12號煤層中。其中，第一測點位于11102運輸順槽，距輔運巷聯巷口75 m處；第二、第三測點分別布置在12號煤層一采區輔運巷900 m和950 m處。

2.1 圍巖結構觀察

依據第二測點鉆孔觀測結果，結合收集到的相關地質資料綜合分析可知，0 m～1.9 m為粉砂巖，呈深灰色，鈣質膠結，該段巖層完整性較好；1.9 m～3.6 m為11號煤，為黑色亮煤，煤體完整；3.6 m～8.9 m為砂質泥巖，巖層呈灰黑色，泥質膠結，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號煤層；9.2 m～13.4 m為泥巖，呈灰黑色，泥質膠結，完整性好；13.4 m～18.6 m為細砂巖，深灰色，鈣質膠結，其中，14.1 m～14.8 m有明顯裂隙發育，完整性差，14.9 m～18.6 m巖層完整；18.6 m～20.1 m為泥質砂巖，泥質膠結，巖層完整。通過探視可以看出，第二測點巷幫鉆孔巖軸向0 m～0.1 m為噴層，0.1 m～10.2 m為12號煤，煤體整體完整性較好。

2.2 圍巖強度測試

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

2.3 地應力測試

第一測站最大水平主應力為6.54 MPa，最小水平主應力為3.39 MPa，最大水平主應力方向為N38.6°W；第二測站最大水平主應力為7.23 MPa，最小水平主應力為3.92 MPa，垂直應力為6.12 MPa，最大水平主應力方向為N28.5°W；第三測站最大水平主應力為8.65 MPa，最小水平主應力為4.26 MPa，垂直應力為6.12 MPa，最大水平主應力方向為N29.7°W。

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

3 12101工作面巷道支護

12101工作面巷道凈煤柱20 m，12號煤層巷道內錯11號煤層煤柱邊緣10 m。12101工作面運輸順槽距11101工作面采空區邊界35 m，布置在11101工作面采空區中，12101工作面回風順槽與11101工作面回風順槽重疊布置。12102工作面回風順槽距11101工作面采空區邊界10 m，布置在11101工作面采空區中，布置方式如圖1所示。

圖1 12101工作面布置方案

12101工作面運輸順槽為矩形斷面，沿煤層頂板掘進，掘進寬度5 m，高度3.5 m，掘進斷面積為17.5 m2。12101工作面運輸順槽根據12號和11號煤層層間距不同，分為4種支護方案。

當層間距2.5 m～3.5 m時，12101工作面運輸順槽支護方案如下：頂板支護，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；錨桿排距1 000 mm，間距900 mm，預緊扭矩不低于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，預緊扭矩不低于300 N·m。工作面側幫，玻璃鋼錨桿，預緊力矩為40 N·m。

當層間距3.5 m～4.5 m時，12101工作面運輸順槽支護方案與上述支護方案的不同點主要為：頂板支護增加錨索，材料為Φ17.8mm，長度3 300 mm，3支樹脂藥卷，2支規格為Z2360，一支規格為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；當層間距4.5 m～5.5 m時，12101工作面運輸順槽支護方案的不同點主要為頂板支護的錨索長度為4 300 mm；當層間距5.5 m以上時，12101工作面運輸順槽支護方案的不同點主要為頂板支護的錨索長度為5 300 mm。

12101工作面回風順槽為矩形斷面，沿煤層頂板掘進，掘進寬度4.5 m，高度3.5 m，掘進斷面積為15.75 m2。支護方式同12101工作面運輸順槽。

4 12102工作面巷道現狀及分析

泰安煤業正在開采的11號和12號煤層，井下現布置有11103、12101兩個綜采工作面、12102進風順槽、12102回風順槽兩個綜掘工作面，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條帶同時開采

11號煤層現采工作面為11103綜采工作面，目前正常組織生產作業，安全生產條件較好；12號煤層現采工作面為12101綜采工作面，運輸順槽采用外錯2 m布置，回風順槽采用重疊布置。對其安全開采有直接影響的為其上方11號煤層11101工作面采空區，該工作面已于2017年11月回采結束。12101工作面自2018年8月份開始回采，與11101工作面回采結束時間間隔近1年，現已推進至500 m處，距進入11101工作面采空區還有40 m，尚未進入11號煤層采空區影響范圍。

12101工作面運輸順槽與12102工作面回風順槽間凈煤柱為27 m，且該巷在150 m左右處進入到11101工作面采空區影響范圍，由于受11101工作面和11102工作面采動應力疊加及12102工作面回風順槽掘進引起的采動影響，150 m～300 m出現了底鼓和兩幫變形，變形特點主要為煤柱側幫腳整體鼓出、回采側煤幫整體鼓出，頂部變化不大，幫錨桿受力明顯。

11103工作面與12101工作面間隔一個條帶同時開采，受11號煤層采動影響和煤柱應力集中影響，兩個工作面同時回采是否可行、兩巷超前動壓顯現規律及巷道加強支護方式的問題急需解決。

4.2 12102工作面巷道布置及支護現狀分析

12102工作面上部為11號煤層11102工作面采空區，該工作面自2017年12月初開始回采，于2018年6月回采結束。由于12102工作面運輸順槽側11號、12號煤層層間距為1.5 m～2.5 m，采空區下無法施工錨索且頂板管理不善時易引發其他安全問題，結合12101工作面運輸順槽外錯2 m布置的經驗，最終布置方案為12102回風順槽外錯5 m布置，12102運輸順槽外錯6 m布置。

12102工作面運輸順槽自2018年8月開始掘進，回風順槽自2018年9月開始掘進，距11102工作面回采結束僅1個月。因此，兩順槽開口段11102采空區頂板運動造成的礦壓影響尚未結束，巷道開掘后必定受到二次動壓影響，支護難度顯著增加。目前，12102工作面運輸順槽和回風順槽已分別掘進720 m和420 m。開始掘進后，兩巷均局部有片幫，自10月底開始，回風順槽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，頂板出現構造，成型不佳，620 m～450 m段由于11103工作面采動影響，出現頂板破碎下沉。另一方面，12101工作面和12102工作面均沒有建立標準的礦壓監測體系，現有支護載荷變化規律、煤柱內應力變化情況等無法進行定量分析。

鑒于上述問題，需對11號和12號煤層工作面布置進行重新調整，停止12102工作面巷道的掘進，考慮11104和11105工作面巷道的掘進，回采11104工作面時再掘進翻修12102工作面巷道；11104和11105工作面巷道考慮沿空留巷，降低萬噸掘進率，取消煤柱應力，為下組12號煤層工作面巷道支護提供保障。

5 結論

本文基于兼并重組礦井的特點和近距離煤層工作面巷道的布置方式，以泰安煤業近距離煤層下組12號煤層作為研究對象，在對12101工作面圍巖地質條件、地質力學參數進行測試的基礎上，提出了12號煤層工作面巷道的支護方案，并對12102工作面巷道支護現狀進行了分析。提出，對于泰安煤業11號和12號近距離煤層，兩個綜采工作面同時作業，需重新考慮11號和12號煤層工作面的布置及巷道布置，針對泰安煤業礦井的特點，11號煤層建議采用沿空留巷，解決采掘銜接緊張、煤柱應力集中的問題。該研究可以為泰安煤業11號和12號煤層工作面巷道的支護提供一定的技術參考。