木瓜煤礦極近距離下位煤層切眼布置及支護技術研究

楊 陶

(霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司 木瓜煤礦，山西 方山 033100)

1 工程概況

木瓜煤礦開采的10號煤層為復雜結構煤層，煤層厚度2.3～3.4 m，平均2.95 m，傾角4～8°，平均6°，煤層中部夾三層炭質泥巖(0.3～0.7 m)，煤巖類型為半亮型焦煤。目前，10-102工作面正處于準備階段，蓋山厚度227～424 m，地面標高1 225～1 335 m，工作面標高927～988 m。煤層頂底板巖性見表1。10-102工作面位于一采區準備巷道左翼，上部為9-104、9-106采空區。該工作面以東為實體煤；以南為南區實體煤，緊鄰一采區邊界；以西緊鄰10-106采空區。10-102工作面與上部9號煤層采空區間距為1～8 m，平均4.5 m。近距離煤層下行開采時，下位煤層巷道掘進過程中礦壓顯現劇烈、圍巖變形量大，巷道支護起來更加困難，并且工作面切眼斷面較大，掘進和支護過程中均面臨更大的困難，給工作面的正常采掘造成極大影響，本文以木瓜煤礦10-102工作面開切眼為工程背景，展開相關研究。

表1 10號煤頂底板巖性特征

2 10-102工作面開切眼合理位置確定

近距離煤層下行開采時，下位煤層回采時上層煤已采空，下位煤層的回采巷道圍巖受上位煤層開采的影響，完整性和自穩能力大大降低，下位煤層工作面回采巷道上部為上層煤的采空區或者遺留煤柱，根據以往的研究表明[1-2]，巷道位于煤柱下方時，常常由于劇烈的礦壓顯現導致巷道支護困難；當巷道位于采空區下方時，由于層間巖層厚度太小，導致傳統的錨桿錨索支護效果極差，仍然存在支護的難題。近距離條件下巷道的合理位置對于巷道的圍巖穩定性非常關鍵，為確定10-102工作面切眼與9號煤層采空區遺留煤柱的合理錯距，采用FLAC3D數值模擬軟件，根據木瓜煤礦10號煤層詳細的地質條件1∶1建立數值模型，模型尺寸為：高×寬×長=60 m×125 m×1 m，模型采用摩爾-庫倫彈塑性單元，工作面埋深取350 m，模型上部設置均布向下荷載為8.75 MPa，數值模型及邊界條件如圖1所示。分別模擬9號煤層回采后10-102切眼布置在煤柱下及與煤柱錯距分別為0 m、4 m、8 m時，切眼圍巖的塑性破壞及位移情況，模擬結果如圖2和表2所示。

圖1 三維數值模型示意

圖2 圍巖塑性區分布

表2 不同錯距條件下圍巖變形量

根據圖2及表2可知，工作面切眼位于煤柱正下方時，兩幫圍巖塑性破壞范圍與采空區下煤巖體聯通，頂底板和兩幫的位移量為最大；切眼與煤柱錯距為0 m時，底板塑性破壞深度與切眼處于煤柱下方相比明顯減小，右幫塑性破壞范圍與切眼位于煤柱下方相比也相對減小，圍巖的位移同樣明顯減?。婚_切眼離煤柱邊緣4 m時，塑性區范圍相對較小，并且圍巖的位移達到最小，說明此時的開切眼受煤柱的影響較?。婚_切眼距離煤柱邊緣為8 m時，巷道底板塑性破壞范圍明顯增大，并且圍巖的變形量也開始增加，說明越靠近采空區中部切眼圍巖破碎越嚴重。綜合上述分析，選擇將開切眼布置在錯開煤柱4 m的采空區下方。

3 10-102工作面開切眼成巷方式模擬研究

10-102工作面切眼斷面為：寬×高=7.0 m×3.0 m，由于斷面尺寸較大，并且圍巖破碎嚴重，采用一次成巷的方式導致頂板支護困難，工作效率較低，因此設計采用二次成巷的方式[3]，通過數值模擬分析以下四種掘巷方式的優劣：方案一，先掘寬×高=3.5 m×3.0 m，后擴刷3.5 m形成切眼；方案二，先掘寬×高=4.5 m×3.0 m，后擴刷2.5 m形成切眼；方案三，先掘寬×高=5.5 m×3.0 m，后擴刷1.5 m形成切眼；方案四，掘巷斷面寬×高=7.0 m×3.0 m,一次形成切眼。統計不同成巷方式條件下，切眼頂板的下沉量，整理后得到如圖3所示結果。

圖3 切眼不同成巷方式頂板下沉量

由圖3可知，開切眼一次成巷時，頂板下沉量最大；開切眼時掘進寬度為3.5 m時，雖然掘巷時頂板下沉量較小，但是擴刷時對頂板擾動程度較大，最終引起的頂板下沉量也較大；掘進寬度為5.5 m時，掘巷時引起頂板下沉量較大；先掘4.5 m后擴刷2.5 m時，擴刷對切眼頂板的擾動破壞較小，成巷后頂板的下沉量最小。因此根據數值模擬結果，開切眼應該采用先掘4.5 m再擴刷成巷的方式。

4 10-102工作面切眼圍巖控制技術

根據以上數值模擬結果， 10-102工作面切眼與9號煤層遺留煤柱錯距為4 m，切眼斷面經過兩次施工后形成，一次掘巷斷面為寬×高=4.5 m×3.0 m，后擴刷2.5 m形成切眼。由于切眼頂板厚度較小，頂板支護選用水力膨脹錨桿[4]。

4.1 一次掘進時支護方案

一次掘進時導硐斷面寬為4.5 m，頂板支護采用D28 mm×2 400 mm的水力膨脹錨桿，間排距均為700 mm，錨桿通過D14 mm鋼筋梯子梁聯結，錨桿距離兩幫150 mm，最邊緣的錨桿向外側傾斜20°安裝。在錨桿之間布設一個工字鋼，通過兩個單體柱進行支撐。不刷幫側采用D22 mm×2 400 mm的高強螺紋鋼錨桿支護，間排距均為700 mm，配合鋼筋梯子梁及菱形網護幫，錨固劑采用CK2335和K2360各一支，靠近頂板的錨桿仰角20°安裝，其余垂直煤壁施工。擴刷幫采用D20 mm×2 000 mm的玻璃鋼錨桿進行支護，間排距為700 mm×800 mm，通過雙抗塑料網進行護幫，靠近頂板的錨桿仰角20°安裝，其余垂直煤壁安裝。一次掘巷支護示意如圖4所示。

圖4 一次掘進時巷道支護(mm)

4.2 二次擴刷后支護方案

二次擴刷的斷面寬度為2.5 m，頂板采用D28 mm×2 400 mm的水力膨脹錨桿，間排距為700 mm×700 mm，錨桿通過D14 mm鋼筋梯子梁聯結，菱形金屬網采用網孔為50 mm×50 mm護頂，錨桿距離煤幫200 mm，靠近切眼煤壁的錨桿向外側傾斜20°安裝。每排錨桿間設置一個單體液壓支柱進行支撐，支柱距離煤壁2 000 mm。擴刷后的煤壁采用D22 mm×2 400 mm的高強螺紋鋼錨桿支護，間排距為700 mm×700 mm，配合鋼筋梯子梁及菱形網護幫，錨固劑采用CK2335和K2360各一支，靠近頂板的錨桿仰角20°安裝，其余垂直煤壁施工。擴刷后最終形成的切眼支護方案如圖5所示。

圖5 切眼最終支護方案示意(mm)

5 現場應用效果

為考察10-102工作面切眼布置位置、成巷方式及支護方式的應用效果，切眼斷面形成后布置三個測站，測站間距離為50 m，監測切眼頂底板和兩幫的相對移近量，整理后得到如圖6所示的結果。由圖可知，對切眼圍巖位移監測的30 d內，頂底板相對移近量最大值平均約為89 mm，兩幫相對移近量最大值平均約為95 mm，圍巖的變形速率逐漸減小，成巷30 d后變形速度基本為零。由此可見切眼布置位置及支護技術有效地控制了切眼頂底板及兩幫的變形，取得了良好的應用效果。

圖6 10-102工作面切眼圍巖位移規律

6 結 語

根據木瓜煤礦10-102工作面具體的地質條件，通過數值模擬確定了工作面切眼與9號煤層遺留煤柱的合理錯距為4.0 m，掘巷方式為二次成巷：導硐斷面寬×高=4.5 m×3.0 m，后擴刷2.5 m形成切眼，并設計采用水力膨脹錨桿對切眼頂板進行支護，現場應用及監測結果表明，對切眼圍巖位移監測的30 d內，頂底板相對移近量最大值平均約為89 mm，兩幫相對移近量最大值平均約為95 mm，切眼圍巖變形有效控制在合理的范圍內，取得很好的支護效果。