多煤層開采下伏巷道零內錯布置及支護設計研究

楊占國

（同煤集團 四臺礦，山西 大同 037016）

同煤集團四臺礦，由于侏羅系煤層“層數多、層厚薄、層間近”的特點，多年的內錯布置使煤柱寬度逐漸增大，已采完的12號煤層煤柱寬度已達18 m；若仍用內錯布置14號煤層的開采，則其煤柱寬度會更大、煤炭資源浪費更大。本文根據四臺礦14號煤層311盤區81105面與12號煤層（已采空）81105面的環境，分析計算采動中12號煤層51105巷底板（14號煤層51105巷頂板）的破壞和應力狀態，驗證了14號層81105面零內錯布置的可行性；并為確保多次采動影響下14號煤層51105巷頂板的穩定性，基于理論計算提出了“鋼帶錨桿”的支護工藝；工程實踐效果良好，取得了較大的經濟效益和社會效益。

1 工程概況

14號煤層311盤區81105面51105巷作為運料、回風巷，巷道為矩形（寬3.8 m、高2.7 m），設計長度889 m，東起14號煤層311盤區巷，西鄰14號煤層段家小村東梁礦同層采空區，南部為14號煤層81103面正在回采中，北部為21105巷已掘。

巷道沿14-2號煤層頂板布置，煤層東北高、西南低，整體呈一單斜構造，煤層厚度2.60～2.80 m、平均 2.70 m；傾角 1.2°～7.6°，平均 4.4°。

14號煤層51105巷頂板（12號煤層51105巷底板）與上覆12-1號煤層間距11.4～13.9 m、平均12.6 m，巖性為粉細砂頁巖互層，細砂巖為主，深灰色至黑色，性脆，中部含煤屑黃鐵礦結核，局部夾煤線，整體性較好，普式系數5.3～6.8；底板也多為粉細砂巖互層，灰色至灰白色，具水平層理，上部多細砂巖，下部粉砂巖夾煤屑及黃鐵礦結核，局部夾有煤線。

2 零內錯布置的可行性分析

采煤過程中，超前支承壓力[1-3]在引起頂板變形和移動的同時，也會導致底板破壞。根據極限平衡理論，其12號煤底板（14號煤層頂板上部）的破壞范圍可分為：I主動極限區、II過渡區、III被動極限區，見圖1。在巨大超前支承壓力的影響下，主動極限區內巖體發生塑性破壞，膨脹擠壓過渡區巖體，部分巖體發生破壞，進而推動被動極限區巖體向上發生變形，巷道中顯現出底臌現象。

圖1 底板屈服破壞范圍

根據極限平衡理論[4-5]，底板屈服破壞最大深度 hmax為：

式中：φf為底板巖層的內摩擦角，取34°；x0為根據極限平衡理論計算煤壁的塑性區寬度。

式中：m為煤層厚度，取12號煤層厚度平均值，2.86 m；φ為12號煤層煤體內摩擦角，根據實驗結果取28°；C為12號煤層煤體內聚力，取1.3 MPa；K為應力集中系數，取3.0；γ為巖層平均重度，取25 kN/m3；H為12號煤層埋藏深度，取350 m；P1為支護結構對煤幫的支護阻力，取1 MPa；根據計算可知，x0=1.5 m，hmax=2.74，底板巖體最大破壞深度距巷幫的水平距離

以12號煤層、14號煤層最近處計算，14號煤層頂板下部穩定區域厚度，占到總厚度的76%，可見12號煤層開采對14號煤層頂板的整體性影響程度較有限，后者的整體性表現良好。再者，底板巖體最大破壞深度距巷幫的水平距離1.85 m，根據應力分布特點，巖體的破壞必然引起應力向以外巖體傳遞，將14號煤層51105巷布置在其頂板上部、有限破壞段的下方，對頂板的穩定性控制有較強優勢。14號煤層51105巷道設計寬度3.8 m，約為的2.05倍；因此14號煤層81105面采用零內錯布置是合理可行的，見圖2。

圖2 14號煤層81105面平面布置圖

3 鋼帶錨桿支護設計

由于14號煤層51105巷頂板巖層分布均勻完整，頂板破壞時可簡化為簡支梁計算[7-9]，見圖3，頂板下表面受拉應力最大值σtmax為：

式中：b 為巷道的寬度，3.8 m；q=γh=8.75 MPa其余參數同上。

圖3 頂板力學計算示意圖

根據計算，由于超前支承壓力的作用，巷道頂板表面最大拉應力，遠大于巖體的抗拉強度，因此需要支護手段，金屬網是解決這一問題常用的支護材料，然而由于金屬網變形量較大，當頂板發生較大變形后才能起到支護作用，此時頂板巖體多因過大變形而產生大量的拉裂縫，巖體裂隙發育，整體性下降。為了迅速提高頂板表面的抗拉強度，可在14號煤層51105巷頂板的穩定性控制中引入鋼帶錨桿，在鋼帶上鉆取相應的錨桿鉆孔，通過錨桿及其托盤，將鋼帶緊密地與頂板密貼在一起，頂板稍有變形，鋼帶則迅速受力，分擔頂板表面的大部分拉應力；相反，錨桿通過鋼帶連接成一個整體，使彼此錨桿軸力分布更加均勻。

結合四臺礦多年工程經驗，14號煤層51105巷支護方案，見圖4。取鋼帶的抗拉強度235 MPa，則鋼帶為頂板表面提供的拉應力：235×220/1000=51.7 MPa＞σtmax，進一步驗證了巷道支護的可靠性。

圖4 14號煤層51105巷支護橫斷面圖

4 工程實踐結論

1）工程實踐：自2013年10月18日開工以來，累計完成了14號煤層51105巷300 m多的掘進量，掘進中巷道頂板沒有發現明顯變形，最大下沉量僅18.3 mm。

2）工程結論：①根據極限平衡理論，算得12號煤層開采對底板的最大破壞深度2.74 m，距巷幫水平距離1.85 m，使14號煤層51105巷頂板保留了足夠巖層，且釋放頂板上部分應力，保障了14號煤層81105面的零內錯布置的成功實施。②通過鋼帶錨桿的支護作用，14號層51105巷頂板表面最大拉應力承載能力達到51.7MPa，遠大于超前支承壓力時的拉應力承受值，進一步驗證了巷道支護的可靠性。③工程實踐表明，掘進中巷道頂板沒有發現明顯變形，最大下沉量僅18.3 mm。再者，由于采用零內錯布置，按回采800 m，煤體密度1 500 kg/m3，按內錯距離6 m（每條順槽各內錯3 m）計算，僅81105工作面就可多采原煤20 592 t，取得了較大的經濟效益和社會效益。

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