淺埋極近距離房柱采空區下大采高工作面切眼支護設計*

劉 昭，劉 東

(1.神府經濟開發區海灣煤礦有限公司三號井，陜西 榆林 719314；2.神木市孫家岔中心煤管所，陜西 榆林 719300)

0 引言

我國西部神府煤田埋藏淺，可采厚煤層多，大部分區域的首煤層開采完畢，逐步進入第二、三主采煤層開采，煤層群下部煤層開采時容易出現來壓強度大，來壓迅猛等劇烈的來壓現象[1]。錨桿支護作為主動支護，能安全高效地保障工作面巷道圍巖的穩定性，該區域大中型煤礦的煤巷錨桿支護率高達100%[2]。

神府礦區內大部分主采煤層開采高度較大(一般為4～7 m)，隨著采高的增大以及工作面開采機械設備尺寸的增大，導致工作面安裝時需要的切眼跨度增大，形成了大斷面切眼巷道。關于大跨度開切眼理論的研究較為成熟，很多學者進行了深入研究[3-5]。然而，針對海灣煤礦在淺埋極近距離、上覆房柱采空區、大采高工作面開采條件的大斷面切眼支護的研究較少。現階段的研究主要集中在淺埋極極近距離工作面的頂板結構、礦壓規律和工作面合理位置的確定等[6-7]。例如，黃慶享等[8]針對神東天隆公司霍洛灣煤礦2-2上煤層與2-2煤層的層間距為5～7 m極近距離條下，研究了下層煤開采的頂板垮落和來壓規律，建立了下層煤頂板結構模型，揭示了頂板來壓機理；薛吉勝等[9]基于霍洛灣煤礦22104工作面的賦存條件與開采條件分析，應用彈塑性理論得出上層煤開采后底板的最大破壞深度大于煤層間距，結合理論分析與數值模擬對于底板影響大小與區域的確定，給出了下層煤22104工作面的合理位置。張煒等[10]針對曹村礦10號與11號煤層間距9.3 m的極近距離煤層開采，確定了合理的工作面內錯式錯距為7.5 m。康官先等[11]對嘉樂泉9號煤層距上煤層8號煤間隔7.5 m的條件，確定了采空區下回采時巷道合理位置。龔紅鵬[12]針對東曲煤礦4號煤層距上層煤2號煤4.36～5.6 m的極近距離開采，研究得出直接頂的巖性、厚度等賦存條件和支架的工作狀態是影響頂板穩定性的主要因素。朱潤生[13]針對極近距離下煤層開采頂板為復合頂板，確定了不同層間距的極近距離下煤層回采巷道的支護方式和具體支護參數。陳善樂等[14]基于數值計算，研究了下煤層的采動對切眼圍巖的應力分布和支護方式等。趙興華[15]針對石圪臺煤礦近距離煤層的大斷面切眼支護難題，提出了“錨桿+鋼筋網片+錨索+鋼梁棚+單體支護”聯合支護方案。

上述學者成果為極近距離下煤層安全開采提供了研究基礎，但針對海灣煤礦類似條件下的淺埋極近距離大采高工作面大斷面切眼支護的研究較少。因此，開展海灣煤礦極近距離大采高工作面大斷面切眼支護研究十分有必要，一方面為海灣煤礦開切眼期間的安全生產提供技術保障，另一方面為陜北淺埋近距離煤層群工作面的開采提供一定借鑒。

1 工程概況

海灣煤礦三號井位于神木北部礦區海灣井田，開采2-2上、2-2和3-1煤層，2-2上煤層平均厚度為3.20 m，傾角0°～1°，埋深89～141 m，大部分采用長壁綜采一次采全高采煤工藝，在煤層邊角處采用房柱式采煤法，2-2上煤層已全部回采結束。目前開采2-2煤層，2-2煤層平均厚7.46 m，傾角0°～1°，埋深107～159 m，采用長壁綜采大采高一次采全高采煤工藝，采高7.0 m，距2-2上煤層3.63～10.02 m，平均6.0 m。

2205工作面位于2-2煤層南部邊界處，其上部為2-2上煤層房柱式采空區，屬大斷面巷道。切眼處平均埋深115 m，切眼長度130 m，斷面9.6 m×5.0 m(寬×高)，沿2-2煤層底板掘進施工，留設頂煤約2.5 m。切眼距2-2上煤層房柱式采空區約6 m，巖層巖性以粉砂巖為主。2-2上煤層房柱式采區采取“采6 m留6 m”的方式布置，2205工作面切眼的平剖面圖如圖1所示。

圖1 2205工作面平剖面

根據地表觀測，在上煤層的房柱式開采后，開采區域內的采空區并未發生塌陷。上覆采空區遺留房柱煤柱將導致切眼頂、幫應力集中、壓力顯現，為保證2205工作面備用及安裝期間巷道安全，采用“錨網索+鋼帶+垛式支架”聯合支護。

2 工作面切眼的施工工藝

2205工作面切眼采用EBZ-160型掘進機施工，單體錨桿機支護，分4次成巷。第1、2次掘進施工巷道上分層，第3、4次掘進施工巷道下分層。首次掘進巷道上分層靠工作面側，寬6.0 m，高3.0 m；第2次掘進巷道上分層靠煤柱側，寬3.6 m，高3.0 m；第3次掘進巷道下分層靠煤柱側，寬4.2 m，高2.0 m；第4次掘進巷道下分層靠工作面側，寬5.4 m，高2.0 m，如圖2所示，圖中距離單位為mm。

圖2 切眼掘進施工順序及垛架支護示意

3 切眼的支護設計方案

2205工作面安裝切眼寬9.6 m，高5.0 m；切眼頂板為煤巖復合頂板，頂煤厚約2～2.5 m，頂板厚約4 m，頂板上方為房柱式采空區；鑒于2205工作面安裝切眼特殊的地質條件，參照以往切眼支護經驗，2205工作面安裝切眼支護設計時，頂板采用“鋼筋網+螺紋鋼錨桿+鋼帶+錨索”聯合支護；二次掘進前，在一次成巷內采用垛式支架補強支護；4次掘進前，在3次成巷內采用垛式支架補強支護。靠煤柱幫采用“鋼筋焊接網片+螺紋鋼錨桿”聯合支護；靠工作面幫采用“塑料網片+玻璃鋼錨桿”支護。

3.1 頂板正常支護

3.1.1 整體布置

采用“6#鋼筋網+螺紋鋼錨桿+鋼帶+錨索”聯合支護。螺紋鋼錨桿規格為φ18 mm×3 000 mm，間排距1 200 mm×1 000 mm，呈矩形布置；錨索規格為φ17.8 mm×4 500 mm，錨索間排距1 700 mm×2 000 mm，呈矩形布置；錨索配合鋼帶使用，鋼帶選用厚度為4 mm、長4 m的W型鋼帶，沿斷面方向鋪設，2205工作面切眼支護展開如圖3所示。

圖3 2205工作面切眼支護的展開

3.1.2 頂錨桿

選用φ18 mm×3 000 mm，錨固劑CK2650(1支)，碟形托盤120 mm×120 mm×8 mm。錨桿預緊力120 N·m，錨桿錨固力60 kN。錨桿安裝與頂板夾角不小于75°。

3.1.3 錨索

采用φ17.8 mm×4 500 mm鋼絞線，帶配套鎖具，錨固劑CK2650(2支)。鐵方托盤300 mm×300 mm×10 mm，錨索預緊力150 kN，錨索錨固力320 kN。

3.1.4 網片規格

網片規格為φ6-1 100×3 100鋼筋焊接網；網格100 mm×100 mm，網片搭接不小于100 mm。采用16#鐵絲綁接，間隔300 mm，隔孔綁接。

3.1.5 補強支護

二次掘進前，在一次成巷內采用垛式支架補強支護；垛架順巷道掘進方向打設一排，距工作面幫1 500 mm，垛架間間距5 000 mm。4次掘進前，在3次成巷內采用垛式支架補強支護；垛架順巷道掘進方向打設一排，距煤柱幫1 275 mm，垛架間間距5 000 mm。垛式支架支護高度2 700～5 600 mm，支架頂梁寬1 650 mm、長5 500 mm，工作阻力18 000 kN，初撐力12 784 kN。

3.2 工作面幫支護

采用“塑料網片+玻璃錨桿”支護，玻璃錨桿規格為φ16 mm×1 500 mm，間排距為1 000 mm×1 000 mm，共打4排，網片采用塑料網。玻璃鋼幫錨桿φ16 mm×1 500 mm，錨固劑CK2650(1支)，錨桿預緊力40 N·m，錨桿錨固力60 kN，錨桿安裝角度：巷幫夾角不小于15°。塑料網片為100 mm×100 mm，16#鐵絲綁接，間隔300 mm，隔孔綁接。

3.3 煤柱幫支護

3.3.1 支護方式

煤柱幫采用“鋼筋網+螺紋鋼錨桿”聯合支護。螺紋鋼錨桿規格為φ18 mm×1 500 mm，間排距為1 000 mm×1 000 mm，共打4排，網片采用6#鋼筋網。

3.3.2 1.5 m螺紋鋼幫錨桿

采用φ18 mm×1 500 mm，錨固劑型CK2650(1支)，碟形托盤120 mm×120 mm×8 mm；錨桿預緊力100 N·m，檢測不得小于設計值的90%；錨桿錨固力為60 kN，檢測不得低于設計值的90%。錨桿間排距偏差范圍為±100 mm；錨桿露出螺母長度為10～50 mm；錨桿巷幫夾角不小于15°。

3.3.3 網片規格

φ6-1 100×3 100鋼筋焊接網，網格為100 mm×100 mm。網片搭接不小于100 mm，綁絲規格為16#鐵絲，間隔300 mm，隔孔綁接。

3.3.4 其他注意事項

若施工過程中頂幫壓力明顯以及遇地質構造頂板破碎易冒落等情況，必須縮小循環進度，改用短掘短支，即最大控頂距不得大于0.8 m。采取加密錨索、調整錨索長度和直徑等進行加強支護，確保錨索深入穩定巖層1.0 m以上，錨索支護距工作面不得大于6 m。掘進期間巷道開口及抹角處等跨度較大的位置以及局部頂板破碎處，應根據現場情況加密錨桿、錨索支護，保證施工安全。垛架補強支護，支架初撐力必須達到24 MPa，掘進過程中要定期巡查補液，防止支架泄壓；支設支架時要在支架頂梁上放置道木，防止支架破壞錨索鎖具。3次巷中支護的垛式支架一直保留，直至工作面安裝支架時，隨著支架的安裝，逐步退出。

4 結論

(1)海灣煤礦三號井2205大采高工作面的切眼位于淺埋極近距離房柱采空區下方，大斷面切眼的掘進期間分4次成巷，一、二次掘進施工巷道上分層，三、四次掘進施工巷道下分層。

(2)2205大采高工作面的切眼頂板采用“錨網索+鋼帶+垛式支架”聯合支護，兩幫采用錨網支護，有效的控制了巷道圍巖變形，保證了2205工作面安裝切眼掘進施工期間、工作面備用及安裝期間的巷道安全。