近距離、高應力條件下的煤層巷道支護技術

祁景成

（山西晉神能源有限公司沙坪煤礦，山西 河曲 036500）

近距離、高應力條件下的煤層巷道支護技術

祁景成

（山西晉神能源有限公司沙坪煤礦，山西 河曲 036500）

近距離煤層群開采時，下層煤的巷道往往受上層煤留設煤柱的影響，出現頂底板移近量加大、底鼓等現象，嚴重影響了工作面的安全生產。針對該類巷道變形問題，提出了采用高強度新型錨桿支護體系，有效保證了高應力下煤巷的穩定。

近距離煤層群；煤柱；高應力

1 概述

巷道支護技術是礦山工程地下施工的一項關鍵技術。進行煤層群開采時，通常上層煤巷留設的煤柱會給下層煤巷形成較高的應力。巷道在高應力作用下圍巖裂隙節理發育，給巷道支護帶來一系列問題，主要表現為[1]：（1）圍巖變形量大。巷道兩幫移近，頂板下沉和底鼓等現象嚴重。（2）初期變形速率大。原巖應力高，巷道開挖時卸荷快，圍巖來壓迅速，故高應力巷道初期開挖時變形速率大。（3）變形持續時間長。巷道形成后，圍巖在較高應力作用下還會持續變形，大約要數月甚至數年時間，才能進入穩定變形階段。

2 巷道圍巖條件

某煤礦現在主要開采3、4號煤層。4號煤層區段平巷由于受到3號層煤柱支承壓力影響，造成巷道強烈變形，兩幫移近量和底鼓量都很大，嚴重影響了巷道的安全。目前，該煤層區段順槽雖經多次修復，投入大量人力、物力，但巷道變形仍無法控制，巷道維護費用居高不下，嚴重制約了礦井的安全生產。現掘進4號煤層工作面巷道所采用的支護方式為：錨桿＋錨索＋鋼帶。掘進斷面形狀為矩形，掘進寬3.80 m，掘進高2.30 m，掘進斷面積8.36 m2，順槽全長為1 300 m。其煤層巷道圍巖穩定性力學參數，如表1所示。

根據圍巖穩定性分類方案，得出4號煤層巷道圍巖的穩定性類別為Ⅳ類。

表注：1、頂板巖石單向抗壓強度取巷道寬度2倍范圍內頂板巖石單向抗壓強度的加權平均值。2、底板巖石單向抗壓強度取巷道寬度1倍范圍內底板巖石單向抗壓強度的加權平均值。3、巷幫煤層單向抗壓強度為煤和夾矸的加權平均值3.63MPa。4、采動影響系數指因工作面回采引起的超前支承壓力的影響，N值等于0.30。5、圍巖完整性指數利用直接頂初步垮落步距代替，據該煤礦的現場資料，D＝12m。

表1 4號煤層圍巖穩定性分類基本參數

3 高應力區的分析

煤層群開采過程中，上煤層開采必定會引起回采空間圍巖應力的重新分布，不僅會對回采空間周圍的煤體產生應力集中，而且會向底板及深部巖層傳遞或重新分布，從而影響下部煤層巷道的布置與維護。

該煤礦4號煤層距3號煤層的平均距離9.64 m，3號煤層留設煤柱寬度23 m，兩側采空，設煤柱寬度2 B，根據集中載荷作用下半無限平面體內的應力公式，估算出典型煤柱載荷作用下的支承壓力呈馬鞍形分布，見圖1。

圖1 典型煤柱載荷作用下的應力分布

圖1中曲線d區、e區、f區表示在上層留設煤柱載荷作用下，底板巖層在不同深度水平截面上鉛直應力的等值線（曲線面表示底板巖層內鉛直應力與自重應力比值的等值線，等值線外部的鉛直應力與自重應力相等）。

從圖1知，底板巖層內任一點的應力大小，主要取決于上部煤柱的載荷、該點與煤柱的垂直距離、該點與煤柱邊緣或中心線的水平距離。底板巖層內同一水平面上鉛直應力在煤柱中心線處最小，而靠近煤柱邊緣出現峰值，影響的范圍約2.5倍的煤柱寬度，即57.5m。除了在煤柱下方底板巖層一定范圍內形成應力增高區外，位于煤柱附近的采空區下方底板巖層一定范圍內形成應力降低區。近距離煤層群開采時，如果煤層間距小于上層煤開采對該煤層底板的影響深度，則下層煤巷道將遭受上層煤煤柱的影響。

3號煤層埋深355 m，煤柱寬為23 m，根據該礦實際情況，利用數值分析對煤柱影響下底板的應力狀態進行研究，得出4號煤層頂板的應力分布曲線見圖2。

從圖2可看出，3號煤層煤柱對底板（4號煤層頂板）造成較大應力集中，4號煤層頂板應力分布呈馬鞍形分布，最大應力集中在離3號煤煤柱中心12 m的地方，最大應力值為17.31 MPa，應力集中系數為1.94。

圖2 4號煤頂板應力分布

4 基于高應力區的巷道支護

目前，錨桿支護中普遍存在著：錨桿（索）預緊力小，預應力擴散效果差，支護系統剛度低，致使錨桿主動支護作用不能充分發揮，不能有效控制圍巖離層與破壞的問題。錨桿（索）在安裝后施以預緊力，使不同巖層間摩擦作用力增大，同時將錨固范圍內的圍巖擠緊，形成梁或拱的承載結構，達到提高巷道圍巖穩定性的目的；而沒有預緊力或預緊力低的錨桿，只有在圍巖變形后才開始起加固作用。在錨桿（索）安裝后，立即施加足夠的預緊力，使圍巖由雙向應力轉為三向應力狀態，甚至可使圍巖中的拉應力區轉變為壓應力區；對于巖體受剪面，預應力產生的摩擦力，大大提高了加固體的抗剪性能，避免過早出現張開裂隙，減少圍巖的弱化過程，提高了圍巖的穩定性。

根據以上對巷道圍巖穩定性和所受高應力分析，確定此類巷道必須采用高阻力的支護形式。要求在掘進初期對錨桿（索）施加預緊力，有效地控制圍巖裂隙進一步發育,并在圍巖淺部形成具有較高承載能力的承載結構。為充分發揮錨桿的實際工作特性與巖層的自承特性，根據該礦的地質開采條件,采用高強度錨網支護,完全可以控制圍巖的變形,保證工作面正常安全開采。

5 結論

在近距離煤層群高應力的圍巖巷道中，采用高強度錨網支護能充分發揮錨桿的支護阻力和圍巖的自承能力，對控制巷道圍巖變形有顯著效果。

在安裝錨桿（索）時，應加強錨桿（索）的預緊力，在圍巖變形初期就能主動支護，迅速承載，有效抑制圍巖裂隙進一步發育，控制圍巖變形。

[1]任建偉.高應力作用下煤巷支護技術研究[D].太原：太原理工大學，2008.

[2]錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].北京:中國礦業大學出版社，2003.

[3]陸士良，湯雷，楊新安.錨桿錨固力與錨固技術[M].北京:煤炭工業出版社，1998.

[4]陳慶敏、郭頌、張農.煤巷錨桿支護新理論與設計方法[J]，礦山壓力與頂板管理.2002.

Abstract:When mining at near-neighbored coal seams,roadways of lower seams are often influenced by the protection pillars of upper seams,accompanied by some phenomena like roof-floor deformation and floor heave,etc.The safety production is impaired.The paper proposes using high-strength bold supporting system to solve the deformation,which actually ensures the roadway stability under the high stress.

Keywords:closed-distance coal seam group;coal pillar,high-stressed

編輯：劉新光

Supporting Technology of Coal Roadway under Closed-distance and High-stressed Condition

QI Jing-cheng
（1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024,China;2.Shaping Mine,Shanxi Jinshen Energy Co.,Hequ Shanxi 036500,China）

TD353

A

1672-5050（2010）06-0055-03

2010-03-25

祁景成（1962—），男，寧夏石嘴山人，大專，工程師，從事煤礦生產管理工作。