近距離煤層采空區下巷道支護技術研究

張弘弦

（大同煤礦集團有限責任公司晉華宮礦，山西 大同 037000）

近距離煤層在我國各個煤炭產區廣泛存在。由于上覆煤層在采動過程中對底板圍巖造成采動破壞，而且上下煤層之間層距較小，上覆采空區遺留的煤柱應力對下覆煤層頂板圍巖集中顯現，造成下覆煤層巷道圍巖移近變形，使巷道支護難度大幅增加，不僅制約下煤層工作面的生產效率，還帶來安全隱患［1-3］。基于此，云岡煤礦為解決下覆煤層51116 巷道在掘進期間受上煤層采空區影響造成的支護難題，結合現場實際條件，對巷道頂板圍巖的破壞程度進行研究分析，根據不同層距制定針對性地支護方案。

1 工程概況

云岡煤礦51116 巷道位于81116 工作面，布置在11-2#煤層內，上覆為11-1#煤層采空區。81116 工作面走向長度為1 260 m，傾向長度為120 m。11-2#煤層平均厚度為3.4 m，煤層平均傾角為4°，工作面直接頂巖性主要為細砂巖與粉砂巖，均厚2.6 m；老頂巖性為中砂巖，均厚31.7 m；直接底巖性主要為細砂巖與粉砂巖，均厚3.5 m。上覆11-1#煤層均厚2.8 m，采煤工藝為走向長壁綜合機械化采煤法。上、下煤層層間距為1.8～6.0 m，屬于近距離煤層。受上覆采空區遺留煤柱垂直應力影響，51116 巷道圍巖變形量大，在掘進過程中支護難度大幅增加。81116 工作面位置斷面見圖1。

圖1 81116 工作面位置斷面

2 上覆煤層采空影響分析

上覆煤層在采動期間會對煤層底板圍巖造成破壞，導致圍巖破碎移近。由于上、下煤層間距較小，下煤層工作面圍巖穩定性遭到破壞，上覆煤層采空區遺留煤柱垂直應力顯現，導致下煤層巷道變形［4-5］。可根據滑移線場理論為基礎對上覆煤層采動時對底板造成的最大破壞深度進行計算：

式中：hσ為上覆煤層底板最大破壞深度，m；M為上覆煤層的采高，實際值為3.4 m；γ 為巖石容重，地質資料顯示為25 kN/m3；k為上覆煤層采空區遺留煤柱應力系數，取1.1；H為煤層埋深，取值200 m；Φ為煤體內摩擦角，取30°；C為內聚力，取值1.13 MPa；f為煤層與頂底板間的接觸摩擦系數，f=tanΦ；ξ 為三軸應力系數，；Φf為底板巖層內摩擦角，取30°。

根據公式（1）計算可得，上覆煤層采動期間對煤層底板破壞最大深度為4.07 m。

3 支護方案設計

根據上覆煤層開采對底板的破壞深度計算數值，為保證51116 巷的支護效果，需要對不同層間距采用不同的支護方案。層間距越大，上覆采空區遺留煤柱應力對下煤層圍巖穩定性影響越小，煤層底板的破壞性無法影響到下煤層頂板；層間距越小，下煤層圍巖穩定性受影響越大，下煤層頂板也會受到上覆煤層采動影響，造成頂板破碎，裂隙廣泛發育［6-8］。

云岡煤礦11-1#煤層與11-2#煤層之間的層間距為1.8～6.0 m，經計算，上覆煤層采動造成的底板最大破壞深度為4.07 m，因此采用4 m 為界，對層間距大于或小于4 m 的區域，分別選擇支護方案。

3.1 上、下煤層4 m以下層間距支護方案

51116 巷上、下煤層層間距4 m 以下時，上覆煤層采動對底板破壞造成巷道頂板圍巖破碎變形，支護難度較高。采用錨桿、錨索、工字鋼棚、單體液壓支柱對巷道進行聯合支護，見圖2。巷道斷面為3.6 m×2.6 m，錨桿采用規格為Φ18 mm，長2.2 m 的高強度螺紋鋼，錨索采用規格為Φ17.8 mm，長6.2 m，工字鋼棚采用11 號鋼梁加工而成，梁長3.4 m。錨桿打設間排距為800 mm，距巷幫200 mm 處打設；錨索打設間排距同樣為800 mm，距巷幫1.4 m 處打設；工字鋼梁兩端由錨桿固定，緊貼頂板，下方使用單體液壓柱支撐，破碎頂板處鋪設金屬網，防止掉渣，見圖2。

圖2 4 m 以下層間距支護方案斷面

3.2 上、下煤層4 m以上層間距支護方案

51116 巷上、下煤層層間距4m 以上時，巷道圍巖受上覆煤層采動影響相對較小，巷道圍巖較為穩定，頂板完整度較高。采用錨桿、錨索對巷道進行支護，見圖3。錨桿和錨索規格同前文，錨桿打設間排距為1.0 m，距巷幫300 mm 處打設，打設時向巷幫側傾斜30°，錨索打設在巷道正中位置，間距1.0 m。

圖3 4 m 以上層間距支護方案斷面

4 應用效果分析

為進一步驗證支護方案的可靠性，在51116巷施工過程中對支護錨桿和錨索的受力情況以及巷道圍巖的移近量進行監測。

4.1 巷道圍巖移近量監測

在支護區域采用十字交叉監測法進布點測點，對巷道圍巖的移近量數據進行監測收集。巷道在施工過程中，巷道圍巖的移近量隨掘進進度逐漸增大，當巷道掘進70 m 以后趨于穩定。巷道圍巖移近量變化曲線見圖4，巷道頂底板圍巖最大移近量為84 mm，巷道兩幫圍巖最大移近量為92 mm，均在100 mm 以內，說明以上支護方案支護效果明顯，巷道圍巖變形量較小，能夠滿足巷道的使用需求。

圖4 巷道圍巖移近量變化曲線

4.2 錨桿和錨索受力情況監測

使用錨桿應力計采集錨桿和錨索的受力數據，監測周期為40 天；在監測的前10 天內，每2天采集一次軸力數據，10 天后，每5 天采集一次軸力數據；錨桿和錨索軸力變化曲線見圖5。在巷道施工期間，錨桿和錨索的受力情況較為穩定，在前10 天有小幅度增加，10 天后趨于穩定，軸力不再增加，錨桿最大軸力為33 kN、錨索最大軸力為57 kN。監測數據表明，錨索軸力明顯大于錨桿，說明錨索受力更大。

圖5 錨桿和錨索軸力變化曲線

5 結語

云岡煤礦針對51116 巷實際情況對11-1#煤層開采時對煤層底板造成的最大破壞深度進行科學合理的計算，得出最大破壞影響深度為4.07 m的結論。并以此為依據，對51116 巷道進行支護方案設計，對上、下煤層層間距4 m 以下的巷道采用錨桿、錨索、工字鋼棚和單體液壓支柱進行聯合支護；而對上、下煤層層間距4 m 以上的巷道采用錨桿和錨索進行支護。通過現場實踐及數據監測，得知支護后巷道頂底板圍巖最大移近量為84 mm，巷道兩幫圍巖最大移近量為92 mm，錨桿軸力為34 kN，錨索軸力為57 kN，巷道圍巖的穩定性得到有效控制。