田王健
(山西煤炭运销集团科学技术研究有限公司，山西 太原 030006)
引 言近距离煤层或极近距离煤层多采用分层逐层方式开采，下组煤层工作面巷道布置多采用内错、外错和垂直布置3种[1-4]；另外，兼并重组矿井多具有井田面积小、资源储量少和采空区多的特点，该类矿井为了提高资源回收率，多采用外错布置。泰安煤业为典型的兼并重组矿井，且上组11号煤层厚度1.43 m～1.95 m，平均厚度1.57 m，只能布置5个工作面。本文以泰安煤业近距离煤层下组12号煤层12101和12102工作面巷道作为研究对象，对其工作面巷道支护技术进行研究。
1 12101工作面围岩地质条件泰安煤业11号煤层为主采煤层，厚度1.43 m～1.95 m，平均厚度1.57 m，直接顶为含钙泥岩，平均厚度3.1 m，基本顶为泥质粉砂岩，平均厚度4.3 m，直接底为泥岩，平均厚度3.57 m。现准备布置12号煤层工作面，11号煤层和12号煤层为近距离煤层，12101工作面埋深180 m～370 m，地表起伏较大。
在12101工作面上方的11101工作面和11102工作面两顺槽，向底板打孔探测11号与12号的层间距和12号煤层厚度，在11101工作面停采线至12101工作面切巷区域，层间距为3 m～13 m，12号煤层厚度为4.5 m～5.5 m。12号煤层为黑色块状亮煤，含0层～2层夹矸，厚度1.63 m～5.46 m，平均厚度2.97 m。之上以泥岩为主，有时夹细砂岩薄层，厚度2.32 m～7.84 m，平均厚度3.57 m；之上为11#煤层，黑色，块状，硬度一般为2～3，厚度1.43 m～1.95 m，平均厚度1.57 m；之上为泥岩、砂质泥岩或粉砂岩互层，厚度2.00 m～3.21 m，平均厚度3.1 m。
构造情况，根据地面三维地震勘探，以及8号煤层开掘的巷道揭露，顺槽巷道无大的地质构造；预计无岩浆侵入体、河流冲刷、陷落柱等构造，构造对掘进基本无影响。水文地质情况，本工作面水文地质条件较为简单，主要水源为11号煤层上覆砂岩裂隙水下渗。预计最大涌水量为50 m3/h，正常涌水量为5 m3/h～10 m3/h。
2 12101工作面地质力学测试与分析布置了3个地质力学测站，测点位置布置在11号和12号煤层中。其中，第一测点位于11102运输顺槽，距辅运巷联巷口75 m处；第二、第三测点分别布置在12号煤层一采区辅运巷900 m和950 m处。
2.1 围岩结构观察依据第二测点钻孔观测结果，结合收集到的相关地质资料综合分析可知，0 m～1.9 m为粉砂岩，呈深灰色，钙质胶结，该段岩层完整性较好；1.9 m～3.6 m为11号煤，为黑色亮煤，煤体完整；3.6 m～8.9 m为砂质泥岩，岩层呈灰黑色，泥质胶结，其中4.2 m处为泥岩夹层，5.0 m、6.2 m处有明显的横向裂隙，6.2 m～8.9 m岩层完整；8.9 m～9.2 m为10号煤层；9.2 m～13.4 m为泥岩，呈灰黑色，泥质胶结，完整性好；13.4 m～18.6 m为细砂岩，深灰色，钙质胶结，其中，14.1 m～14.8 m有明显裂隙发育，完整性差，14.9 m～18.6 m岩层完整；18.6 m～20.1 m为泥质砂岩，泥质胶结，岩层完整。通过探视可以看出，第二测点巷帮钻孔岩轴向0 m～0.1 m为喷层，0.1 m～10.2 m为12号煤，煤体整体完整性较好。
2.2 围岩强度测试采用自WQCZ-56型围岩强度测试装置，在顶板钻孔内进行了10 m范围煤岩层的强度测试，在帮孔测试了煤体强度。顶板以上0 m～1.9 m为粉砂岩，岩石强度平均值为66.00 MPa；1.9 m～3.6 m为11号煤，煤体强度平均值为18.33 MPa；3.6 m～8.9 m为砂质泥岩，岩石强度平均值为55.67 MPa；8.9 m～9.2 m为10号煤层，煤体强度平均值为22.79 MPa；9.2 m～10.0 m为泥岩，岩石强度平均值为34.54 MPa；12号煤体强度平均值为14.34 MPa。
2.3 地应力测试第一测站最大水平主应力为6.54 MPa，最小水平主应力为3.39 MPa，最大水平主应力方向为N38.6°W；第二测站最大水平主应力为7.23 MPa，最小水平主应力为3.92 MPa，垂直应力为6.12 MPa，最大水平主应力方向为N28.5°W；第三测站最大水平主应力为8.65 MPa，最小水平主应力为4.26 MPa，垂直应力为6.12 MPa，最大水平主应力方向为N29.7°W。
第一测站顶板为采空区垂直应力，基本可以忽略。根据相关判断标准，0 MPa～10 MPa为低应力区，10 MPa～18 MPa为中等应力区，18 MPa～30 MPa为高应力区，大于30 MPa为超高应力区。由此判断，该区域地应力场在量值上属于低应力值区域。第二、第三测点最大水平主应力均大于垂直应力，最小水平主应力为最小主应力。所测区域应力场类型为σH>σV>σh型应力场。
3 12101工作面巷道支护12101工作面巷道净煤柱20 m，12号煤层巷道内错11号煤层煤柱边缘10 m。12101工作面运输顺槽距11101工作面采空区边界35 m，布置在11101工作面采空区中，12101工作面回风顺槽与11101工作面回风顺槽重叠布置。12102工作面回风顺槽距11101工作面采空区边界10 m，布置在11101工作面采空区中，布置方式如图1所示。
图1 12101工作面布置方案
12101工作面运输顺槽为矩形断面，沿煤层顶板掘进，掘进宽度5 m，高度3.5 m，掘进断面积为17.5 m2。12101工作面运输顺槽根据12号和11号煤层层间距不同，分为4种支护方案。
当层间距2.5 m～3.5 m时，12101工作面运输顺槽支护方案如下：顶板支护，锚杆杆体为直径20 mm左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2 400 mm；加长锚固，2支树脂药卷，一支为CK2340，一支为Z2360；方形带拱托板150 mm×150 mm×8 mm，W钢带，厚度3 mm，宽280 mm，长度4 800 mm，孔间距900 mm，Φ6mm钢筋网；锚杆排距1 000 mm，间距900 mm，预紧扭矩不低于300 N·m；π梁长度4 800 mm，120 mm×120 mm，W42-200/100单体支柱，三三布置，间距1 650 mm、2 500 mm，排距1 000 mm。煤柱侧帮，加长锚固，一支树脂药卷，Z2360；锚杆排距1 000 mm，间距1 300 mm，预紧扭矩不低于300 N·m。工作面侧帮，玻璃钢锚杆，预紧力矩为40 N·m。
当层间距3.5 m～4.5 m时，12101工作面运输顺槽支护方案与上述支护方案的不同点主要为：顶板支护增加锚索，材料为Φ17.8mm，长度3 300 mm，3支树脂药卷，2支规格为Z2360，一支规格为CK2340；300 mm×300 mm×14 mm方形带拱锚索托板，二二布置，排距2 000 mm，间距2 000 mm，张拉力不低于200 kN；当层间距4.5 m～5.5 m时，12101工作面运输顺槽支护方案的不同点主要为顶板支护的锚索长度为4 300 mm；当层间距5.5 m以上时，12101工作面运输顺槽支护方案的不同点主要为顶板支护的锚索长度为5 300 mm。
12101工作面回风顺槽为矩形断面，沿煤层顶板掘进，掘进宽度4.5 m，高度3.5 m，掘进断面积为15.75 m2。支护方式同12101工作面运输顺槽。
4 12102工作面巷道现状及分析泰安煤业正在开采的11号和12号煤层，井下现布置有11103、12101两个综采工作面、12102进风顺槽、12102回风顺槽两个综掘工作面，12101工作面平均厚度4.3 m，12102工作面平均厚度3.2 m，具体工作布置情况如图2所示。
图2 工作面布置示意图
4.1 综采工作面间隔一个条带同时开采11号煤层现采工作面为11103综采工作面，目前正常组织生产作业，安全生产条件较好；12号煤层现采工作面为12101综采工作面，运输顺槽采用外错2 m布置，回风顺槽采用重叠布置。对其安全开采有直接影响的为其上方11号煤层11101工作面采空区，该工作面已于2017年11月回采结束。12101工作面自2018年8月份开始回采，与11101工作面回采结束时间间隔近1年，现已推进至500 m处，距进入11101工作面采空区还有40 m，尚未进入11号煤层采空区影响范围。
12101工作面运输顺槽与12102工作面回风顺槽间净煤柱为27 m，且该巷在150 m左右处进入到11101工作面采空区影响范围，由于受11101工作面和11102工作面采动应力叠加及12102工作面回风顺槽掘进引起的采动影响，150 m～300 m出现了底鼓和两帮变形，变形特点主要为煤柱侧帮脚整体鼓出、回采侧煤帮整体鼓出，顶部变化不大，帮锚杆受力明显。
11103工作面与12101工作面间隔一个条带同时开采，受11号煤层采动影响和煤柱应力集中影响，两个工作面同时回采是否可行、两巷超前动压显现规律及巷道加强支护方式的问题急需解决。
4.2 12102工作面巷道布置及支护现状分析12102工作面上部为11号煤层11102工作面采空区，该工作面自2017年12月初开始回采，于2018年6月回采结束。由于12102工作面运输顺槽侧11号、12号煤层层间距为1.5 m～2.5 m，采空区下无法施工锚索且顶板管理不善时易引发其他安全问题，结合12101工作面运输顺槽外错2 m布置的经验，最终布置方案为12102回风顺槽外错5 m布置，12102运输顺槽外错6 m布置。
12102工作面运输顺槽自2018年8月开始掘进，回风顺槽自2018年9月开始掘进，距11102工作面回采结束仅1个月。因此，两顺槽开口段11102采空区顶板运动造成的矿压影响尚未结束，巷道开掘后必定受到二次动压影响，支护难度显着增加。目前，12102工作面运输顺槽和回风顺槽已分别掘进720 m和420 m。开始掘进后，两巷均局部有片帮，自10月底开始，回风顺槽180 m至迎头，巷道变形较大，最窄处巷宽由5 m减小至4 m，底鼓普遍在500 mm～600 mm，起底后仍有少量底鼓，顶板仍然保持完整；运输顺槽巷宽保持在4.5 m～4.9 m，局部有底鼓，自350 m起，顶板出现构造，成型不佳，620 m～450 m段由于11103工作面采动影响，出现顶板破碎下沉。另一方面，12101工作面和12102工作面均没有建立标准的矿压监测体系，现有支护载荷变化规律、煤柱内应力变化情况等无法进行定量分析。
鉴于上述问题，需对11号和12号煤层工作面布置进行重新调整，停止12102工作面巷道的掘进，考虑11104和11105工作面巷道的掘进，回采11104工作面时再掘进翻修12102工作面巷道；11104和11105工作面巷道考虑沿空留巷，降低万吨掘进率，取消煤柱应力，为下组12号煤层工作面巷道支护提供保障。
5 结论本文基于兼并重组矿井的特点和近距离煤层工作面巷道的布置方式，以泰安煤业近距离煤层下组12号煤层作为研究对象，在对12101工作面围岩地质条件、地质力学参数进行测试的基础上，提出了12号煤层工作面巷道的支护方案，并对12102工作面巷道支护现状进行了分析。提出，对于泰安煤业11号和12号近距离煤层，两个综采工作面同时作业，需重新考虑11号和12号煤层工作面的布置及巷道布置，针对泰安煤业矿井的特点，11号煤层建议采用沿空留巷，解决采掘衔接紧张、煤柱应力集中的问题。该研究可以为泰安煤业11号和12号煤层工作面巷道的支护提供一定的技术参考。
