复合软岩顶板、松软煤层沿空掘巷理论探讨

摘要：在复合软岩顶板、松软煤层条件下，确定合理的沿空掘巷煤柱尺寸和改革巷道支护工艺，在复合软岩顶板条件下实现快速掘进，保证了巷道安全和工作面正常生产，实现了高产高效。
关键词：复合软岩 松软煤层 沿空掘巷 理论探讨
    岱庄煤矿位于山东济宁煤田（东区）北部，其主采煤层为3上煤层，平均厚度2.53m，其顶板岩性以粉沙岩为主，次为泥岩。矿井采用综合机械化一次采全高的采煤方法；在村庄非压煤区采用长壁工作面布置，在村庄压煤区采用短壁条采工作面布置。
1 矿井煤层赋存地质条件
    矿井现开采二迭统山西组的3上层煤。3上主煤层纯煤厚为0～4.99m，矿井平均厚度为2.03m，在可采范围内平均厚度达2.53m；倾角00～120，平均50；该煤层黑色，棕黑色条痕，沥青～弱玻璃光泽，细～中条带状构造，层状结构，内外生裂隙均较发育，结构简单，一般含一层夹石，最多含四层，夹矸岩性以泥岩为主。
2 岱庄矿巷道布置与围岩情况
    岱庄矿工作面顺槽沿煤层顶板布置。煤层顶板裂隙发育，节理多，为复合顶板。顶板以粉砂岩为主，次为泥岩、中砂岩和细砂岩，厚0.25m～30.59m，平均4.07m，局部见泥岩或粉砂岩尾顶一层，厚0.20一0.53m。抗压强度：粉砂岩33.1～64.5MPa，中砂岩60～114. 9MPa，平均79.6MPa；泥岩44.8～55.5MPa，平均50.2MPa，底板以粉砂岩为主，次为泥岩，厚0.54～15.46m，平均2.88m，偶见泥岩底，0.22～0.50m，抗压
强度44.8～55.5MPa。顶板围岩的抗压强度比较低，属于不稳定岩层。
3 1301上帮面矿压观测资料分析
    1301上帮面东侧与已回采结束的1301工作面相距10m,西侧与隔有庄头支断层的1305工作面相邻。
    工作面支护方式：锚网索联合支护。
    顶部支护：采用Φ18mm无纵筋全螺纹钢树脂锚杆，长2300mm，锚杆间排距800×800mm，每排锚杆为5根，每孔用药卷CK2350二块，金属网规格为3700 x 950mm，钢梯规格为3700 x 60mm。
    两帮支护：Φ18mm无纵筋全螺纹钢树脂锚杆，长1500mm，锚杆间排距1000×1200mm，每排锚杆为2根，每孔用药卷CK2350一块，金属网采用1500×130mm，钢梯采用1500×60mm。
    锚杆排列形式为矩形排列，金属网由Φ4mm的冷拔钢筋制作，网格为50×50mm，网片搭接长度为100mm，钢梯由Φ12mm圆钢焊接制作。
    锚索支护：锚索沿巷道掘进方向轴向单排布置，排距3.7m，锚索采用由Φ15.24mm的低松驰预应力钢绞线截制而成，长4.5m，每条锚索梁两条索，每孔装人树脂药卷CK2350三支。锚索梁用矿10＃槽钢加工制作而成，长2.0m，索孔间距1.4m。
    轨道顺槽在掘进400m后和回采过程中压力大，顶帮变形较大，给生产造成较大影响。
    2001年8～9月对1301上帮面进行了矿压观测，见表1。
 

3.1周期来压步距
    由表中可以看出：轨道巷和皮带巷矿压显现规律基本一致，但是，由于轨道外侧是1301工作面已采区，而皮带巷外侧是实体煤，所以皮带巷的矿压显现远没有轨道巷明显，其顶板最大下沉速度仅为轨道巷的1/3～1/2。且老顶断裂大多位于煤壁前方4～8m范围内，以4m范围为多，而轨道巷老顶初次断裂在8～12m,其余均在8m范围内。
3.2超前支撑力分布
    超前支承压力高峰区约在煤壁前方8～12m，超前巷道围岩破坏区约在自煤壁向前方8m左右，应当重视加强该段巷道的超前支护。
3.3巷道固定点收敛变形分析
    轨道巷收敛变形数据自9月3日至9月14日测定看出：轨道巷两帮累计移近量达到306mm，顶底移近量仅为35mm。说明煤层挤出现象严重，应该加强两帮煤层的支护。
    工作面回采过程中的超前影响约在70～80m范围内，顶板下沉速度显著增加的范围在工作面前方20～30m。
    皮带巷两帮累计移近量为19mm，与轨道巷相比大为减少，说明实体煤的支撑作用导致皮带巷收敛变形减弱。
3.4综合分析
（1）工作面初次来压步距21.5m，周期来压步距为8.3～10.6m，平均9.68m。
（2）超前影响范围在工作面前方70～80m，超前支承压力高峰区在煤壁前方8～12m范围内。
（3）皮带巷矿压显现及收敛由于实体煤的存在而减弱。
（4）轨道巷两帮移近量较大，达306mm，说明煤层挤出现象严重。
4 1312和2302工作面煤柱留设尺寸、支护方法及效益分析
4.1 1312工作面
    在确定1312工作面和1305工作面煤柱尺寸时，考虑到1301上帮面掘进、回采工程出现的巷道失稳，给生产造成了一定影响，决定1312工作面与1305工作面留设15m煤柱，其支护方式同1301上帮面。自2002年元月开始掘进顺槽，10月份回采结束，掘进、回采正常。
4.2 2302工作面
    确定2302工作面与2301工作面煤柱尺寸时，充分考虑到1301上帮面的煤柱留设及支护方式和1312工作面的煤柱留设及支护方式，决定留设10m煤柱，改革支护方式。
支护方式：锚网索联合支护。
    顶部支护与1301面相同。
    两帮支护：采空区侧用Φ18mm无纵筋全螺纹钢树脂锚杆，长1800mm，排距800×800mm，每排锚杆为3根，每孔用药卷CK2350二块，金属网2200×900mm，钢梯2200×60mm。回采侧用Φ18mm无纵筋全螺纹钢树脂锚杆，长1500mm，排距1000×1200mm，每排锚杆2根，每孔用药卷CK2350一块，金属网采用1500×130mm，钢梯采用1500×60mm。
    锚杆排列形式、材料、规格与1301面相同。
    锚索支护：锚索沿巷道掘进方向双排布置，排距3.7m,锚索采用Φ15.24mm的低松驰预应力钢纹线截制而成，长6.5～8.5m，每条锚索梁两条锚索锚固，每孔装人树脂药卷CK2350三支。锚索梁采用矿10＃槽钢制作，长2.0m，索孔间距1.4mm。每排锚索之间垂直巷道打设一组同巷道全宽的锚索梁与用三条锚索固定。
    在巷道人行道侧隔5～lOm打设一棵木柱辅助支护。
4.3效益分析（表2）

    通过改革支护方法，留设10m煤柱比15m煤柱效益是显著的，在工作面长度基本相同的情况下，2302工作面实现效益1338220元。
5 沿空掘巷合理煤柱尺寸确定方法
5.1理论分析方法
    根据1302工作面矿压观测结果，老顶初压步距45m左右，周期步距20m左右，老顶断裂线距煤壁的距离8～12m。根据压力分布情况，可能送巷的位置有4种：（1）在采空区边缘不留煤柱的沿空送巷；（2）在内应力电留小煤柱的沿空送巷；（3）在外应力场中的煤柱；（4）在原始应力区的大煤柱护巷。送巷的最佳位置是内应力场中的小煤柱送巷。
    锚杆要避免安设在破碎区域中，根据1301工作面顺槽两帮松动圈测试结果，松动圈范围在2.0m左右，考虑到锚杆的长度和松动系数，沿空掘巷的合理煤柱尺寸为5.0m以上。
5.2煤柱尺寸确定
    根据理论分析和已施工的三个工作面实际情况综合分析，在复合软岩顶板、松软煤层条件下加强巷道支护，合理的煤柱尺寸在10m左右，最大不大于15m。

作者：淄矿集团岱庄煤矿 张洪鹏 曹忠 江兆利