山西龐龐塔煤礦跨采工作面順槽位置選擇及支護方案設計

李　勇

(山西焦煤霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦)

1　工程概況

-550 m水平為龐龐塔煤礦擴大延深水平，擴大區內主要開采11#、13#煤層。采區東西走向長約920 m，南北傾斜寬約860 m，面積約0.79 km2。采區內11#煤層厚度最大為1.65 m，最小為1.28 m，平均為1.53 m。中間含有夾矸1～2層，厚度為0.13～0.25 m，結構簡單，埋藏穩定。11#煤層下距13#煤層平均為38 m。11#煤層頂板為粉砂巖，局部為粉細砂巖互層，厚度為9.95～23.5 m，平均16.5 m，厚度穩定。該煤層層理、節理發育，易冒落并填滿采空區，易于管理，抗壓強度平均為49.88 MPa，目前采用冒落法管理頂板。該煤層底板為粉砂巖、砂巖，一般發育一層1.1～0.3 m厚的黏土巖偽底，遇水發生膨脹，但厚度小，影響不大。采區內13#煤層平均厚度為1.32 m，中間含1～3層不規則的碳質巖和石灰巖結核，厚度為0.1～0.55 m，煤層有益厚度為1.03 m，結構較復雜，埋藏較穩定，距離11#煤層平均為35.4 m。該煤層頂板為第四層石灰巖，平均厚6.41 m，抗壓強度平均為86.87 MPa，與老頂泥巖可構成堅硬穩定的頂板，堅硬、穩固，屬難冒落頂板，目前采用緩慢下沉法管理頂板；底板為砂質黏土巖或黏土質砂巖，厚度為1.1～3.2 m，團塊狀，無層理，吸水膨脹性小，一般不會引起巷道底鼓[1-3]。

-550 m水平大巷凈斷面面積為14.0 m2，是龐龐塔煤礦擴大延深水平的“咽喉”，主要承擔后續采區進風、運料、行人、排矸等重要任務。-550 m水平大巷斷面如圖1所示。

圖1　-550 m水平大巷斷面示意(單位：mm)

1410工作面的主采煤層為11#煤層，該煤層厚度最大為1.65 m，最小為1.28 m，平均為1.53 m。該煤層中間含有1～2層夾矸，厚度為0.13～0.25 m，結構簡單，埋藏穩定。1410工作面推采方向與-550 m 水平大巷大致平行。該工作面與各跨采巷道的層位關系如圖2所示。

圖2　1410工作面與水平大巷位置關系

2　跨采對-550 m水平大巷的采動效應分析

2.1　模型構建

龐龐塔煤礦1410工作面跨采巷道主要為-550 m 水平大巷。-550 m水平大巷與跨采工作面推進方向一致。本研究依據巷道層位起伏變化特征以及圍巖性質構建了不同的數值模型，模擬開采對巷道的影響。-550 m水平大巷在水平面內與順槽有一定的夾角，煤層與水平方向也有一定的夾角，為降低模型復雜程度，近似分析煤層開采對巷道底板的影響程度，設計-550 m水平大巷與順槽嚴格垂直，煤層嚴格呈水平分布。-550 m水平大巷與11#煤層的層位關系如圖3所示。在-550 m水平大巷與采煤工作面的垂直距離為28 m的條件下，當采場邊界跨過-550 m水平大巷6，16，26 m時，本研究就跨采對-550 m水平大巷的采動效應進行數值模擬分析。

圖3　-550 m水平大巷與11#煤層層位關系

2.2　-550 m水平大巷圍巖塑性區及應力分析

跨采工作面回采期間，-550 m水平大巷圍巖應力狀態不斷發生變化，采場邊界跨過-550 m水平大巷的不同水平距離所對應的巷道圍巖塑性區的變化特征如圖4所示。

在數值模擬分析跨采工作面回采-550 m水平大巷期間，在-550 m水平大巷頂板和兩幫設置了觀測點，頂板的垂直應力變化以及兩幫的水平應力變化特征如圖5所示。

圖4　不同水平距離對應的巷道圍巖塑性區變化特征

由圖4、圖5可知：當水平距離為6 m時，塑性區最大，巷道兩幫和頂底板破壞較明顯，最大破壞深度位于距離頂板2 m處；隨著水平距離增加，塑性區尺寸線性縮小，當水平距離大于16 m時，最大塑性區深度小于1.7 m；當距離增大至26 m時，最大塑性區深度減少至1m。因此，在水平距離大于26m 的范圍內進行巷道開挖所受到的采動影響較小。

圖5　巷道圍巖應力變化特征

3　跨采前巷道支護方案

3.1　支護方案

本研究設計巷道頂板采用錨桿支護，兩幫采用錨網噴支護[4-8]。錨桿為全螺紋鋼等強錨桿，規格為φ18 mm×2 200 mm，頂板間排距為1 000 mm×1 200 mm，兩幫間排距為1 000 mm×1 000 mm。按懸吊理論計算錨桿參數，本研究選用φ18 mm×2 200 mm 等強度螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為1 000 mm×1 200 mm滿足設計要求。巷道開門口三岔門東西各10 m處采用錨桿支護，錨桿為全螺紋鋼等強錨桿，錨桿規格為φ18 mm×2 200 mm，間排距為800 mm×1 000 mm。頂板破碎或過斷層采用臨時支護時，在煤層段，永久支護至迎頭距離不宜大于1.2 m，放炮前最小空頂距不宜超過1.2 m，放炮后最大空頂距為3 m；在巖石段，永久支護至迎頭距離不宜大于1 m，放炮前最小空頂距不宜超過1 m，放炮后最大空頂距為2.5 m，放炮后前探梁應及時探至迎頭，在前探梁的掩護下進行錨桿支護。掘進中頂板破碎錨桿難以支護時，可增加錨帶支護，并縮小錨桿間排距，錨桿規格為φ18 mm×2 200 mm。臨時支護采用超前探梁或前探錨桿，探梁采用2根(或3根)長4.5 m的輕軌或2根(或3根)2.5寸圓鐵管制作，探梁前端面距迎頭不宜大于0.3 m，上方用方木或木板接頂。頂板破碎或過斷層時，采用初噴配合超前探梁支護[9-12]。

3.2　支護參數及支護施工工藝

每班施工人員進入迎頭時，邊敲幫問頂邊檢查頂幫圍巖穩定情況，檢查錨桿是否符合設計要求，探梁吊掛是否牢固，通風是否良好，錨桿距迎頭是否符合規定，迎頭10 m以內的錨桿是否有松動現象，在上述內容檢查合格后，方可打眼放炮[13-15]。放炮后待炮煙散凈視線清楚后，必須由爆破工和班組長(隨身攜帶便攜式瓦斯報警儀)首先巡視爆破地點，檢查通風、瓦斯、煤塵、拒爆、殘爆情況，并由外至內檢查頂板、錨桿等，擰緊錨桿后方可在前探支架掩護下敲幫問頂，用長柄工具清除迎頭頂幫懸矸危巖，嚴格按照要求吊掛風筒，施工人員站立于永久支護區內灑水滅塵，此外，施工人員站立于永久支護區內將前探梁移至迎頭固定牢固。

采用錨網噴支護時，錨網為8#鐵絲制作的經緯網，規格為6 000 mm×1 200 mm(長×寬)，網格尺寸為80 mm×80 mm(長×寬)，相鄰兩塊網之間用8#鐵絲連接，連接點應均勻布置(間距為100 mm)，外加鐵托盤壓網。錨固劑型號為MSCK2860，每根錨桿用1塊樹脂錨固劑固定，錨固長度不少于600 mm。樹脂錨固劑直徑為28 mm，每塊長度為600 mm。混凝土必須使用標號不低于425#普硅酸鹽水泥，沙為河沙，含泥量不大于3%，石屑粒徑不大于15 mm，石子過篩，并用水沖洗干凈，配比為水泥∶沙子∶石子=1∶2∶(1～1.5)。速凝劑型號為JB5，摻入量一般為水泥質量的2%～4%。噴淋水區時，可酌情加大速凝劑摻入量，速凝劑必須直接在噴漿機上料口均勻加入。

巖石錨桿的錨固力不宜小于70 kN，煤層錨桿錨固力不宜小于50 kN，錨桿螺母須使用專用工具擰緊，巖石層擰緊力矩不宜小于300 N·m，煤層擰緊力矩不宜小于180 N·m。錨網噴支護時，噴漿厚度不宜小于100 mm，采用分次噴漿時，復噴時間間隔不宜超過2 h，灑水養護時間不宜少于28 d。噴射混凝土必須使用標號不低于425#普硅酸鹽水泥，配比為水泥∶沙子∶石子=1∶2∶(1～1.5)，潮料噴漿，攪拌均勻。

錨桿外露長度為30～50 mm，允許誤差為10 mm 或-5 mm。鐵托盤壓網時必須與巖壁壓接密實，緊貼巖壁，金屬網應拉緊，噴射混凝土厚度不宜小于100 mm。每隔5 m在巷道拱頂及兩幫各打1組檢測眼，1組5個，檢測噴體厚度是否達到規程要求。噴射混凝土質量檢測采用鉆取法取樣，用鉆取機在已噴后且經28 d養護的噴體上直接鉆取直徑50 mm、長度大于50 mm的芯樣，用切割機加工成兩端平行的圓柱體試塊進行試驗，芯樣每組5塊，巷道每30～50 m距離取樣不少于1組。

4　結　語

以龐龐塔煤礦為例，結合FLAC3D軟件，數值模擬分析了在-550 m水平大巷與采煤工作面的垂直距離為28 m的條件下，采場邊界跨過-550 m水平大巷6，16，26 m時-550 m水平大巷底板穩定性，認為在水平距離大于26 m的范圍內進行巷道開挖，所受到的采動影響較小。在此基礎上，設計了跨采前巷道支護方案，即巷道頂板采用錨桿支護，兩幫采用錨網噴支護，對于確保該水平大巷安全開采以及類似礦山巷道開采及支護設計有一定的參考價值。

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