極近距離煤層巷道支護技術研究

張 翼

(大同煤礦集團有限責任公司云岡礦，山西省大同市，037017)

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極近距離煤層巷道支護技術研究

張 翼

(大同煤礦集團有限責任公司云岡礦，山西省大同市，037017)

以云岡礦51115巷道為研究對象，結合極近距離煤層圍巖穩定性的理論分析結果，對該條件下巷道支護技術進行了深入研究，以4種頂板類型為基礎對51115巷道分段制定不同的支護方案。實踐結果表明，優化支護方案后現場支護取得了良好效果，同時也取得了較好的經濟社會效益。

極近距離煤層 圍巖穩定性 分段支護 工程實踐

極近距離煤層下煤層工作面開采會受到上煤層遺留煤柱集中應力通過底板傳播規律的影響，故采用下行式開采時，下煤層工作面礦壓顯現規律以及支護方式也存在特殊性。因此傳統的單一煤層工作面礦壓控制理論和經驗已不能解決極近距離煤層工作面開采過程中遇到的頂板管理問題。本文以同煤集團云岡礦地質條件為背景，對極近距離11-1#、11-2#煤層破碎圍巖巷道的支護技術進行了研究，提出了11-2#煤層巷道的優化支護方案，不僅確保了工作面的生產安全，同時也取得了較高的經濟社會效益。

1 工程概況

云岡礦井田北部311盤區主采11-2#煤層開采深度220～290 m，與上部11-1#煤層為極近距離煤層，層間距和煤層厚度均極不穩定。11-2#層81115工作面設計走向長度925 m，傾向長度119 m，上覆11-1#層與該煤層的層間距為0.6～3.2 m，11-1#層煤柱寬度15 m，11-2#層煤柱寬度35 m。現81113工作面正在回采，受煤柱集中應力影響，81115回風巷道51115巷圍巖變形嚴重。

根據11-2#層81113工作面掘進期間層間距探測資料及與上覆11-1#層層間距等值線圖分析，81115工作面兩條平巷即21115巷和51115巷具體煤層層間距情況如表1所示。

11-2#煤層81115工作面及采掘巷道與上覆11-1#煤層采空區及煤柱的空間位置關系如圖1所示。

表1 81115工作面與上覆煤層層間距情況

注：表中H表示煤層的層間距，數字單位均為m。括號外數字代表距離盤區回風大巷的距離，括號中數字表示層間距為某值時的范圍大小，如378～925(547)表示層間距小于1 m的范圍為距離盤區回風大巷378～925 m，長度為547 m

圖1 極近距離煤層巷道空間位置示意圖

2 極近距離煤層巷道穩定性研究

極近距離煤層上煤層開采后，煤柱承擔上覆巖層的重量，其應力會通過煤柱向底板傳遞。由于下煤層與上煤層間距較小，故其應力傳遞對下煤層巷道的壓力顯現及圍巖穩定性的影響也存在特殊性。

極近距離煤層81115工作面整體力學分析如圖2所示，用土力學中的地基計算方法，并依據塑性理論及采場礦壓理論進行計算，得出此類型殘留煤柱底板的最大破壞深度為：

式中：hmax——殘留煤柱底板的最大破壞深度，m；

xa——煤壁塑性區寬度，m；

φf——底板巖層內摩擦角，°。

根據極限平衡理論計算xa：

(2)

式中：M——采高，m；

f——煤層與頂底板接觸面的摩擦系數，f=tanφ；

k——應力集中系數；

H——埋深，m；

γ——采場上覆巖層的平均容重，kN/m3；

C―煤體的內聚力，MPa；

φ——煤體的內摩擦角，(°)。

由圖2可知，上煤層留設的煤柱均為兩側采空類型。圖中C點為煤柱對底板破壞的最深點，代入云岡礦81115工作面地質參數計算可知，在311盤區地質條件下，破壞深度BC的范圍為2.03～2.75 m。由于51115巷道與上煤層間距范圍在0.2～9 m，故巷道多數處于上煤層開采煤柱底板應力集中區范圍內。

81115工作面在推進過程中，其頂板可分為4種類型：一是松散體頂板，當層間距H<0.6 m時，頂板破碎與上層采空區矸石混合壓實，此類頂板掘進巷道需利用圓木做假頂配合鋼梁架棚支護；二是破碎頂板，當層間距0.6 m3 m，由于受上煤層開采底板破壞影響較小，該范圍頂板基本穩定，此類型頂板下方支架初撐力可適當提高，掘進巷道在多數情況下，采用錨桿+錨索網支護即可。

圖2 極近距離煤層工作面力學結構分析

3 極近距離煤層巷道支護方案的確定

極近距離煤層采掘巷道的下部煤層巷道要解決的關鍵問題是如何在已有頂板厚度的條件下，采取措施發揮錨桿等支護構件的最大效能，將破碎頂板組合成為具有足夠承載能力的支護結構來有效抵抗水平壓力。由前述計算分析可知，11-1#層開采后地板的影響深度為2.03～2.75 m，因此需要對層間距為3 m上下的巷道采用不同的支護方案。由于11-2#煤層多數處在了11-1#煤層開采后煤柱的影響范圍內，因此本文將分段支護范圍定為：小于2 m的巷道、2～3 m的巷道、3～4 m的巷道與4 m以上的巷道，對這三種層間距的巷道分別分段進行支護。

3.1 層間距2 m以下的巷道支護方案

巷道斷面尺寸為4000 mm×2800 mm，支護以11#工字鋼棚為主，單體液壓支柱為輔。在煤柱幫頂部施加讓壓鳥窩錨索，排距1 m；鋼棚排距1m，每排兩架。工字鋼梁長3.8 m，棚腿2.75 m；頂梁與頂板之間用剎頂木剎緊背牢，剎頂木使用直徑為40 mm或60 mm木材，間距800 mm。當頂板破碎或壓力增大時，頂板鋪菱形網，并將網壓緊壓實。現有支護無法滿足時及時補強支護或在距鋼架兩側100 mm處支設液壓單體柱，支護示意圖如圖3所示。當層間距低于1 m時，頂板留有一定的頂煤，保證層間距在1 m以上。

3.2 層間距2～3 m巷道支護方案

巷道斷面尺寸為3600 mm×2600 mm，支護形式為高阻讓壓錨桿+讓壓鳥窩錨索梁+幫讓壓鳥窩錨索支護，支護示意圖如圖4所示。

圖3 層間距2 m以下巷道支護斷面示意圖

頂錨桿選用HB500型高強度蛇形桿體，長度為1.8 m，安裝載荷6 t，直徑18 mm。錨桿間排距為800 mm×800 mm，幫錨桿與垂直方向夾角為30°；樹脂藥卷選用1卷K2335和1卷Z2335；選用高強球型托盤，尺寸為150 mm×150 mm×8 mm，聯合W型鋼帶壓金屬網的方式進行支護；錨索梁排距1600 mm，11#工字鋼梁長度3.2 m，設置3個孔，中間孔用錨桿固定。幫錨索與水平方向夾角為30°，排距1600 mm。當頂板破碎或巷道壓力顯現明顯時，使用單體液壓支柱對工字鋼梁進行補強。

3.3 層間距3～4 m巷道支護方案

層間距3～4 m段錨桿排距為900 mm，頂板錨索規格為?17.8 mm×5000 mm，排距為1800 mm，其余參數與層間距2～3 m支護方案相同。

3.4 層間距4 m以上巷道支護方案

巷道斷面尺寸為3600 mm×2600 mm。支護形式為錨網索支護，支護示意圖如圖5所示。

圖4 層間距2～3 m巷道支護斷面示意圖

圖5 層間距4 m以上巷道支護斷面示意圖

錨桿間排距為1000 mm×1000 mm，其余參數與層間距2～3 m方案相同。錨索沿巷道中心線布置1根，排距為2000 mm，層間距為4～5 m時用4 m錨索，層間距為5～6 m時用5 m錨索，層間距為6 m以上時用6 m錨索。

3.5 特殊位置支護方案

當施工巷道受到圍巖破碎帶影響時，應及時調整支護方案及參數。縮短錨桿(索)間排距，利用單體液壓支柱或木垛進行輔助點柱、架棚的強化支護。

若遇巷道需穿層施工，應準確把握施工巷道上覆煤巖層的厚度，及時調整錨索長度，保證錨索錨固穩定巖層的長度大于1000 mm。

巷道壓力顯現較大區域需要加強對頂板變化的觀測。當存在頂板下沉，錨桿折斷以及托盤變形等問題時，應及時補強支護。

掘進過程中遇巖性變化區域，應根據所遇巖性的力學參數進行合理支護。若變化區域巖性較完整且強度較大，延續使用原有支護，若變化區域巖性完整性差，對巷道進行補強維護。

4 支護方案效果

4.1 現場支護效果

81115工作面51115巷道初期掘進過程中圍巖變形破壞嚴重，頂板冒漏較為嚴重。W鋼帶擠壓變形為V字形，工字鋼棚子被壓彎曲嚴重，中部下沉量較大，甚至出現工字鋼翻轉的情況，造成工字鋼棚與棚腿僅保證點接觸，穩定性極差。采用分段支護方案配以新型支護材料后，巷道整體穩定性得到維護，鋼棚支護效果較好，頂板基本保持完整。

圖6 錨桿、錨索受力情況

4.2 錨桿(索)受力監測結果

采用錨桿測力計對掘進和回采期間頂板錨桿、錨索受力情況進行監測，測點位置距回風巷200 m處，層間距在5 m左右，錨桿錨索受力情況如圖6所示。巷道掘進期間，頂板錨桿和錨索受力均不大，穩定時錨索的軸力為88 kN、錨桿軸力43 kN，錨索受力明顯大于錨桿，說明錨索是主要的受力體。

4.3 經濟社會效益

(1)經濟效益。經計算可知，相對于51113巷道，51115巷道節約成本為1493.5元/m，巷道總長度為925 m，共可節約支護成本138.15萬元，成本降低率達到49.5%。

(2)社會效益。一是降低了巷道冒頂以及二次修復的可能性，確保了礦井的安全高效生產；二是減輕了工人的勞動強度；三是為其他礦區類似條件下巷道支護技術提供借鑒和依據。

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(責任編輯 陶 賽)

Researchonroadwaysupporttechnologyofextremelyclosedistancecoalseams

Zhang Yi

(Yungang Mine， Datong Coal Mine Group Co., Ltd., Datong, Shanxi 037017, China)

Taking 51115 roadway in Yungang Mine as research object, combined with the theoretical analysis of surrounding rock stability of extremely close distance coal seams, the condition of roadway support technology were studied, and different support schemes for different sections of 51115 roadway were formulated based on the four types of roof. Practice results showed that the optimized support scheme had obtained favorable effect and achieved good economic and social benefits.

extremely close distance coal seams, stability of surrounding rock, segmented support, engineering practice

山西省自然基金面上項目(201601D102038)，山西省回國留學人員科研資助項目(2016-040)

張翼.極近距離煤層巷道支護技術研究 [J]. 中國煤炭，2017,43(8)：66-70. Zhang Yi. Research on roadway support technology of extremely close distance coal seams [J]. China Coal，2017,43(8)：66-70.

TD353

A

張翼(1964-)，男，山西大同人，高級工程師，碩士，主要從事煤炭開采技術管理工作。