西曲礦采空區下近距離煤層回采巷道支護實踐

侯拴貴

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦，山西 太原 030200）

近距離煤層一般是指井田開采范圍內相鄰煤層層間距低于10m的煤層，近距離煤層開采時很大程度會受到相鄰煤層礦山壓力影響，給下部工作面回采巷道支護帶來不利影響[1-4]。西曲礦設計生產能力300萬t，主采煤層為山西組3#、4#煤層和太原組8#和9#煤層，其中北二采區所采為9#煤層，距離上部8#煤層平均為7.4m，上部8#煤層已經于2005年全部采空，8#煤層采空區圍巖活動基本穩定，但開采過程中對9#煤層頂板形成的破壞不可恢復。為了解決9#煤層回采巷道支護難題，以北二采區29205工作面為例，對9#煤層回采巷道破壞機理進行分析，提出合理的支護方案。

1 工作面概況

29205工作面位于北二采區中部，南鄰29204工作面采空區，北部為實體煤，西部為083運輸大巷，東北部為遺留的小煤窯采空區。工作面所采煤層為太原組9#煤層，埋深為168～225m，傾角為3～7°，平均為3.5°，煤層厚2.0～2.4m，平均為2.2m，屬于穩定可采中厚煤層。工作面所采9#煤層與上部8#煤層間距為7.5～11.2m，平均為7.4m，巖性為砂質泥巖和細粒砂巖，均厚分別為4.3m和3.1m，上部8#煤層均厚4.1m，20205工作面上覆8#煤層28204和28205采空區，兩工作面間保護煤柱寬度為25m，該采空區已經形成約10年，采空區圍巖活動基本穩定。29205工作面底板為均厚5.3m的砂質泥巖-細粒砂巖，工作面布置兩條回采巷道，均沿9#煤層頂板掘進，巷道斷面為矩形，規格（寬×高）為3.6×2.2m。

2 采空區下近距離煤層回采巷道破壞機理

近距離上部煤層開采后，處于平衡狀態的三相圍巖應力遭到破壞，圍巖應力的重新分布對底板圍巖發生作用，當應力超過圍巖承受極限時便會造成圍巖出現壓剪和拉伸破壞。學者魏西克通過壓膜試驗提出了巖土出現塑性滑移時極限承載力計算公式，張金才等人對其進行了補充和完善，并得出了煤層底板破壞塑性區邊界，具體見圖1所示。由圖1可知，工作面開采后，底板出現塑性破壞區，塑性破壞區主要由主動極限區、過渡區和被動極限區組成，其中主動極限區為aab，過渡區為abc，被動極限區為acd，在工作面開采后，在采空區周圍底板巖層產生支承壓力，支承壓力如若超過巖體能夠承受的應力極限時便會產生塑性形變破壞，由于該區域巖體在垂直方向受到壓縮，水平方向勢必會出現膨脹現象，膨脹巖體會擠壓過渡區范圍的巖體，并將應力傳遞到該區域，過渡區巖體受到擠壓后會繼續向采空區方向移動，并擠壓被過渡區巖體，造成過渡區和被過渡區底板巖層發生塑性破壞。根據所得底板極限載荷計算可得底板破壞深度為6.2m，同時為了了解北二采區8#煤層底板破壞情況，從下方9#煤層向上打鉆孔進行窺視，顯示8#煤層底板5～6.4m范圍內裂隙發育，說明8#煤層底板破壞深度一般為5～6.4m。

圖1 煤層開采底板塑性破壞區

3 支護方式的確定

3.1 支護方式的選擇

西曲礦近距離煤層以往多采用架設U型鋼棚支護，U型鋼棚屬于被動式支護，支護強度大，能夠有效預防頂板冒漏現象，對于采空區下近距離回采巷道支護較為有利。但是，U型鋼棚支護效果易受巷道成型影響，在過煤柱遇到集中應力時容易造成U型鋼棚變形失穩，且在回采過程中需要對U型鋼進行回收，工作量很大。

結合礦井錨桿和錨索型號，決定當層間距低于8.5m時采用架設U型鋼支護；當層間距超過8.5m時采用注漿錨索配合錨桿、金屬網、W鋼帶進行支護。這樣可利用注漿錨索充分地將漿液填充到巖體裂隙中，起到加固破碎巖體的作用，提高了巖體的完整性和強度，為錨網索支護提供了堅固的錨固基礎。

3.2 支護實踐

（1）架棚支護。當層間距低于8.5m時采用36U型鋼架設拱形棚，中寬2.8m，下寬4.0m，高2.6m，U型鋼棚間距為0.8m，棚子間采用金屬連桿連接，頂板和兩幫用背板剎緊背實。

（2）錨網索鋼帶支護。當層間距超過8.5m時采用錨網索支護，斷面規格（寬×高）為3.6×2.2m，考慮到頂板的完整性受到8#煤層開采影響，頂錨索選用規格為Ф22×4000mm的注漿錨索，錨索間排距為1500×1500mm，要求預緊力不低于120kN。頂錨桿選用Ф20×2200mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為750×750mm，要求緊固力不低于75kN，其中頂角錨桿與水平呈25°夾角，金屬網的網孔規格為50×50mm，W鋼帶寬108mm，要求金屬網與鋼帶配合錨桿錨索聯合支護。幫錨桿選用規格Ф18×2200mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為700×700mm，要求錨固力不低于50kN，幫網規格與鋪設與頂板相同。支護參數具體見圖2所示。

圖2 29205工作面回風巷錨網索鋼帶支護示意圖

3.3 支護效果分析

為了確保29205工作面兩巷施工安全，檢驗巷道支護參數是否合理，掘進和回采過程中，在29205工作面回風巷分別布置4個十字交叉測點進行觀測巷道收斂變形。結果顯示，采用錨網索鋼帶支護時，掘進期間，巷道施工3個月后兩幫收斂累計平均為124mm，頂板下沉累計平均為45mm，約為設計尺寸的3.4%和2.1%；回采期間，動壓區影響范圍為煤墻前方95m左右，動壓區兩幫累計變形量平均為435mm，頂板下沉量平均為128mm，約為設計巷道尺寸的12.1%和5.8%。采用U型鋼棚子支護條件下，掘進施工3個月后兩幫變形僅32mm，頂板下沉13mm；回采期間，兩幫變形為123mm，頂板下沉47mm。

由此可知，根據煤層間距的不同選擇差異支護方式是合理的，在U型鋼和錨網索鋼帶支護條件下能夠有效地控制區域范圍內頂板下沉和兩幫收縮，支護方式較為合理。

4 結語

采空區下近距離煤層頂板受到上部煤層開采破壞影響，其強度和完整性大幅度降低，支護難度較大。在選擇采空區下近距離煤層回采巷道支護方式時，應了解和掌握頂板破壞特征，選擇合理的支護方式。29205工作面支護實踐表明，通過采用差異支護可有效控制采空區下近距離煤層回采巷道變形破壞，該支護應用為西曲礦采空區下近距離煤層回采巷道支護積累了實踐經驗。