山西庞庞塔煤矿跨采工作面顺槽位置选择及支护方案设计

李　勇

(山西焦煤霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿)

1　工程概况

-550 m水平为庞庞塔煤矿扩大延深水平，扩大区内主要开采11#、13#煤层。采区东西走向长约920 m，南北倾斜宽约860 m，面积约0.79 km2。采区内11#煤层厚度最大为1.65 m，最小为1.28 m，平均为1.53 m。中间含有夹矸1～2层，厚度为0.13～0.25 m，结构简单，埋藏稳定。11#煤层下距13#煤层平均为38 m。11#煤层顶板为粉砂岩，局部为粉细砂岩互层，厚度为9.95～23.5 m，平均16.5 m，厚度稳定。该煤层层理、节理发育，易冒落并填满采空区，易于管理，抗压强度平均为49.88 MPa，目前采用冒落法管理顶板。该煤层底板为粉砂岩、砂岩，一般发育一层1.1～0.3 m厚的黏土岩伪底，遇水发生膨胀，但厚度小，影响不大。采区内13#煤层平均厚度为1.32 m，中间含1～3层不规则的碳质岩和石灰岩结核，厚度为0.1～0.55 m，煤层有益厚度为1.03 m，结构较复杂，埋藏较稳定，距离11#煤层平均为35.4 m。该煤层顶板为第四层石灰岩，平均厚6.41 m，抗压强度平均为86.87 MPa，与老顶泥岩可构成坚硬稳定的顶板，坚硬、稳固，属难冒落顶板，目前采用缓慢下沉法管理顶板；底板为砂质黏土岩或黏土质砂岩，厚度为1.1～3.2 m，团块状，无层理，吸水膨胀性小，一般不会引起巷道底鼓[1-3]。

-550 m水平大巷净断面面积为14.0 m2，是庞庞塔煤矿扩大延深水平的“咽喉”，主要承担后续采区进风、运料、行人、排矸等重要任务。-550 m水平大巷断面如图1所示。

图1　-550 m水平大巷断面示意(单位：mm)

1410工作面的主采煤层为11#煤层，该煤层厚度最大为1.65 m，最小为1.28 m，平均为1.53 m。该煤层中间含有1～2层夹矸，厚度为0.13～0.25 m，结构简单，埋藏稳定。1410工作面推采方向与-550 m 水平大巷大致平行。该工作面与各跨采巷道的层位关系如图2所示。

图2　1410工作面与水平大巷位置关系

2　跨采对-550 m水平大巷的采动效应分析

2.1　模型构建

庞庞塔煤矿1410工作面跨采巷道主要为-550 m 水平大巷。-550 m水平大巷与跨采工作面推进方向一致。本研究依据巷道层位起伏变化特征以及围岩性质构建了不同的数值模型，模拟开采对巷道的影响。-550 m水平大巷在水平面内与顺槽有一定的夹角，煤层与水平方向也有一定的夹角，为降低模型复杂程度，近似分析煤层开采对巷道底板的影响程度，设计-550 m水平大巷与顺槽严格垂直，煤层严格呈水平分布。-550 m水平大巷与11#煤层的层位关系如图3所示。在-550 m水平大巷与采煤工作面的垂直距离为28 m的条件下，当采场边界跨过-550 m水平大巷6，16，26 m时，本研究就跨采对-550 m水平大巷的采动效应进行数值模拟分析。

图3　-550 m水平大巷与11#煤层层位关系

2.2　-550 m水平大巷围岩塑性区及应力分析

跨采工作面回采期间，-550 m水平大巷围岩应力状态不断发生变化，采场边界跨过-550 m水平大巷的不同水平距离所对应的巷道围岩塑性区的变化特征如图4所示。

在数值模拟分析跨采工作面回采-550 m水平大巷期间，在-550 m水平大巷顶板和两帮设置了观测点，顶板的垂直应力变化以及两帮的水平应力变化特征如图5所示。

图4　不同水平距离对应的巷道围岩塑性区变化特征

由图4、图5可知：当水平距离为6 m时，塑性区最大，巷道两帮和顶底板破坏较明显，最大破坏深度位于距离顶板2 m处；随着水平距离增加，塑性区尺寸线性缩小，当水平距离大于16 m时，最大塑性区深度小于1.7 m；当距离增大至26 m时，最大塑性区深度减少至1m。因此，在水平距离大于26m 的范围内进行巷道开挖所受到的采动影响较小。

图5　巷道围岩应力变化特征

3　跨采前巷道支护方案

3.1　支护方案

本研究设计巷道顶板采用锚杆支护，两帮采用锚网喷支护[4-8]。锚杆为全螺纹钢等强锚杆，规格为φ18 mm×2 200 mm，顶板间排距为1 000 mm×1 200 mm，两帮间排距为1 000 mm×1 000 mm。按悬吊理论计算锚杆参数，本研究选用φ18 mm×2 200 mm 等强度螺纹钢锚杆，锚杆间排距为1 000 mm×1 200 mm满足设计要求。巷道开门口三岔门东西各10 m处采用锚杆支护，锚杆为全螺纹钢等强锚杆，锚杆规格为φ18 mm×2 200 mm，间排距为800 mm×1 000 mm。顶板破碎或过断层采用临时支护时，在煤层段，永久支护至迎头距离不宜大于1.2 m，放炮前最小空顶距不宜超过1.2 m，放炮后最大空顶距为3 m；在岩石段，永久支护至迎头距离不宜大于1 m，放炮前最小空顶距不宜超过1 m，放炮后最大空顶距为2.5 m，放炮后前探梁应及时探至迎头，在前探梁的掩护下进行锚杆支护。掘进中顶板破碎锚杆难以支护时，可增加锚带支护，并缩小锚杆间排距，锚杆规格为φ18 mm×2 200 mm。临时支护采用超前探梁或前探锚杆，探梁采用2根(或3根)长4.5 m的轻轨或2根(或3根)2.5寸圆铁管制作，探梁前端面距迎头不宜大于0.3 m，上方用方木或木板接顶。顶板破碎或过断层时，采用初喷配合超前探梁支护[9-12]。

3.2　支护参数及支护施工工艺

每班施工人员进入迎头时，边敲帮问顶边检查顶帮围岩稳定情况，检查锚杆是否符合设计要求，探梁吊挂是否牢固，通风是否良好，锚杆距迎头是否符合规定，迎头10 m以内的锚杆是否有松动现象，在上述内容检查合格后，方可打眼放炮[13-15]。放炮后待炮烟散净视线清楚后，必须由爆破工和班组长(随身携带便携式瓦斯报警仪)首先巡视爆破地点，检查通风、瓦斯、煤尘、拒爆、残爆情况，并由外至内检查顶板、锚杆等，拧紧锚杆后方可在前探支架掩护下敲帮问顶，用长柄工具清除迎头顶帮悬矸危岩，严格按照要求吊挂风筒，施工人员站立于永久支护区内洒水灭尘，此外，施工人员站立于永久支护区内将前探梁移至迎头固定牢固。

采用锚网喷支护时，锚网为8#铁丝制作的经纬网，规格为6 000 mm×1 200 mm(长×宽)，网格尺寸为80 mm×80 mm(长×宽)，相邻两块网之间用8#铁丝连接，连接点应均匀布置(间距为100 mm)，外加铁托盘压网。锚固剂型号为MSCK2860，每根锚杆用1块树脂锚固剂固定，锚固长度不少于600 mm。树脂锚固剂直径为28 mm，每块长度为600 mm。混凝土必须使用标号不低于425#普硅酸盐水泥，沙为河沙，含泥量不大于3%，石屑粒径不大于15 mm，石子过筛，并用水冲洗干净，配比为水泥∶沙子∶石子=1∶2∶(1～1.5)。速凝剂型号为JB5，掺入量一般为水泥质量的2%～4%。喷淋水区时，可酌情加大速凝剂掺入量，速凝剂必须直接在喷浆机上料口均匀加入。

岩石锚杆的锚固力不宜小于70 kN，煤层锚杆锚固力不宜小于50 kN，锚杆螺母须使用专用工具拧紧，岩石层拧紧力矩不宜小于300 N·m，煤层拧紧力矩不宜小于180 N·m。锚网喷支护时，喷浆厚度不宜小于100 mm，采用分次喷浆时，复喷时间间隔不宜超过2 h，洒水养护时间不宜少于28 d。喷射混凝土必须使用标号不低于425#普硅酸盐水泥，配比为水泥∶沙子∶石子=1∶2∶(1～1.5)，潮料喷浆，搅拌均匀。

锚杆外露长度为30～50 mm，允许误差为10 mm 或-5 mm。铁托盘压网时必须与岩壁压接密实，紧贴岩壁，金属网应拉紧，喷射混凝土厚度不宜小于100 mm。每隔5 m在巷道拱顶及两帮各打1组检测眼，1组5个，检测喷体厚度是否达到规程要求。喷射混凝土质量检测采用钻取法取样，用钻取机在已喷后且经28 d养护的喷体上直接钻取直径50 mm、长度大于50 mm的芯样，用切割机加工成两端平行的圆柱体试块进行试验，芯样每组5块，巷道每30～50 m距离取样不少于1组。

4　结　语

以庞庞塔煤矿为例，结合FLAC3D软件，数值模拟分析了在-550 m水平大巷与采煤工作面的垂直距离为28 m的条件下，采场边界跨过-550 m水平大巷6，16，26 m时-550 m水平大巷底板稳定性，认为在水平距离大于26 m的范围内进行巷道开挖，所受到的采动影响较小。在此基础上，设计了跨采前巷道支护方案，即巷道顶板采用锚杆支护，两帮采用锚网喷支护，对于确保该水平大巷安全开采以及类似矿山巷道开采及支护设计有一定的参考价值。

[1]李积星.碎裂厚煤顶桁架锚索主动支护技术及其现场应用[J].煤炭技术，2013，32(2)：63-65.

[2]李盼.厚煤层综放工作面顶煤运移及矿压显现规律研究[D].徐州：中国矿业大学，2015.

[3]臧思茂，曲建光，韩红强，等.大断面厚层破碎煤顶综放切巷桁架锚索支护技术[J].中国煤炭，2009(10)：47-49.

[4]李学华，杨宗敏，郑西贵，等.下部煤层跨采大巷围岩动态控制技术研究[J].采矿与安全工程学报，2006，23(4)：393-397.

[5]潘伟国.大采深底板巷道群跨采技术研究[D].青岛：山东科技大学，2009.

[6]康建东，谢文兵，颜炳杰.近距离煤层跨采巷道围岩支护技术研究[J].矿业安全与环保，2006，33(6)：47-48.

[7]谭云亮.矿山压力与岩层控制[M].北京：煤炭工业出版社，2007.

[8]陆士良，孙永联.底板岩巷和邻近煤层巷道位置及跨采矿压显现规律[J].煤炭科学技术，1994，22(6)：27-31.

[9]李仕明，翟新献，刘中云，等.跨采时底板巷道围岩变形预测[J].采矿与安全工程学报，2005，22(4)：56-57.

[10]郑百生，谢文兵，陈晓祥，等.跨采对影响底板岩巷稳定性的数值分析[J].采矿与安全工程学报，2004，21(1)：34-36.

[11]王怀德.近距离煤层跨采巷道支护技术[J].山东煤炭科技，2002(2)：16-17.

[12]肖峰.软弱围岩巷道U型钢可缩性支架联合支护机理研究[D].成都：西南交通大学，2007.

[13]李学华，姚强岭，张农，等.高水平应力跨采巷道围岩稳定性模拟研究[J].采矿与安全工程学报，2008，25(4)：420-425.

[14]郑百生，谢文兵，陈晓祥.柴里煤矿跨采巷道围岩加固机理分析[J].煤炭科学技术，2004，32(5)：40-42.

[15]吴海滨.复杂条件下软岩煤层大断面巷道穿层施工支护工艺[J].现代矿业，2017(6)：225-226.