近距離煤層采空區下巷道分層間距支護設計研究

孟碧坤

（晉能控股煤業集團云岡礦，山西 大同 037000）

近距離煤層群的開采屬較為復雜的開采活動，采用下行開采方式時，上部煤層開采完后應力重新分布，下部煤層受到上覆采空區等影響，下部煤層巷道的合理布置、巷道的支護方式都尤為重要[1-4]。近年來，較多學者和技術人員在近距離煤層采空區下巷道位置確定、支護方式等方面做了許多研究[5-7]。本文針對云岡礦12#和12-2#近距離煤層，采用數值模擬手段合理確定采空區下方8403 工作面5403 運輸巷的布置位置，并對5403 巷進行了支護設計，保障礦井的采掘接續關系正常。

1 工程概況

8403 工作面主采12-2#煤層，工作面煤厚為0.2～5.0 m，平均為2.82 m。煤層為原生構造煤，結構簡單，煤層傾角4°～5°。8403 工作面煤層頂底板情況見表1。8403 工作面和8401 工作面之間采用沿空留巷布置方式，在8403 工作面回采過程中，采用切頂卸壓沿空留巷技術將5403 巷保留下來，作為8401 工作面5401 巷（回風巷）使用。采用沿空留巷技術后，工作面之間不留煤柱，兩工作面總長度283.7 m，5403 巷的布置對兩工作面的合理長度影響重大。

表1 8403 工作面煤層頂底板情況

5403 巷上方12#煤層8411 工作面和8413 工作面，平均煤厚3.18 m，區段煤柱寬度12.7 m。根據層間8403 工作面層間距等值線圖，5403 巷與12#煤層間距為2.57～8.45 m，平均層間距6.24 m。

2 5403 巷合理位置研究

2.1 12#層煤柱對12-2#層的影響

應用FLAC3D軟件建立一個走向長300 m、寬540 m、高38 m 的模型。模型中包括12#層、12-2#層與其頂底板巖層，其中12#層煤層布置三個工作面，相鄰工作面間保留12.7 m 區段煤柱，煤層邊界留設40 m 煤柱。數值模型圖如圖1。

圖1 數值模型圖

根據12#層工作面的開采狀態，模擬過程首先開采12#層的工作面，并用垮落法對采空區進行處理，如圖2。研究12#層開采對12-2#層頂底板的影響特征，對采空區及煤柱下方的應力分布進行分析。

圖2 12#煤層開采后采場圍巖垂直應力分布云圖

12#層工作面開采后，剩余煤柱處于兩面采空狀態，頂板巖重集中在工作面前方和采空區兩側的煤柱上，從而使煤柱及其兩側一定范圍內的應力集中程度更強，且同一水平面上Z 方向垂直應力以煤柱中心線處最大，達到33 MPa，在工作面頂板和底板出現應力降低情況，在采空區下方接近原巖應力，如圖3。

圖3 12#層煤柱頂底板應力分布

從模擬結果中可以得出以下結論：

（1）在采空區下方垂直應力為7.25 MPa，與原巖應力無明顯區別；

（2）12#層煤柱正下方12-2#層頂板受力最大，最大應力33 MPa，應力值高，應力集中系數5.65；

（3）12#層煤柱與采空區邊緣處，應力變化梯度大；

（4）12#層煤柱引起的應力增高區為煤柱正下方及煤柱兩側各7.5 m 范圍。

2.2 5403 巷合理位置

12#層煤柱引起的應力增高區為煤柱正下方及煤柱兩側各7.5 m 范圍，為了安全起見，在煤柱正下方和邊緣兩側各15 m 為煤柱影響區，5403 巷布置在該區域外。

（1）如果5403 巷布置在12#層8411 工作面的采空區之下，那么12-2#層8401 工作面的長度為187.2 m，而8403 工作面長度為106 m，兩者的長度相差太大。

（2）如果5403 巷布置在12#層8413 工作面的采空區之下，則12-2#層8401 工作面的長度為144.5 m，而8403 工作面的長度為148.7 m，兩者的長度相近。

基于上述分析，建議5403 巷布置在12#層8413 工作面采空區下方，與12#層煤柱距離15 m，5403 巷位置布置示意圖如圖4。

圖4 5403 巷布置位置示意圖（m）

3 5403 巷支護方案設計

3.1 支護方式及參數

根據8403 工作面布置情況，5403 巷總長度615.6 m。根據巷道上方12#煤層8413 工作面層間距情況，將巷道分為層間距大于7 m 時和層間距小于7 m 時兩種情況。巷道斷面選用矩形斷面，掘進斷面長為4.5 m，寬為3.0 m，沿12-2#煤層頂板掘進。

（1）5403 巷與12-2#煤層間距大于7 m 時，采用“錨網索+鋼帶”支護方式（圖5）

圖5 煤層間距大于7 m 的巷道支護圖（mm）

① 頂板支護

錨桿：采用Φ18 mm 的螺紋鋼錨桿，長度為1800 mm，間距為900 mm，排距為1000 mm，每排5 根，垂直頂板布置。錨索：設計采用Φ17.8 mm鋼絞線，長為6000 mm，間距為1800 mm，排距為3000 mm，每排2 根，垂直頂板布置。W 鋼帶：長×寬×高=4100 mm×280 mm×3 mm。

② 兩幫支護

錨桿：采用Φ18 mm 的螺紋鋼錨桿，錨桿長度為1800 mm，間距為1100 mm，排距為1500 mm，每排3 根，垂直幫部布置。W 鋼帶：長×寬×高=450 mm×280 mm×4.75 mm。

（2）5403 巷與12-2#煤層間距小于7 m 時，采用“錨網索+鋼帶+架棚”支護方式（圖6）

圖6 煤層間距小于7 m 的巷道支護圖（mm）

① 頂板支護

錨桿：采用Φ18 mm 的螺紋鋼錨桿，錨桿長度為1800 mm，間距為900 mm，排距為1000 mm，每排5 根，垂直頂板布置。W 鋼帶：長×寬×高=4100 mm×280 mm×3 mm。錨索：設計采用Φ17.8 mm 鋼絞線，長度根據層間距調整，層間距2.5～3.5 m 時，錨索長度為2 m；層間距3.5～4.5 m 時，錨索長度為3 m；層間距4.5～5.5 m 時，錨索長度為4 m；層間距5.5～6.5 m 時，錨索長度為5 m；層間距6.5～7 m 時，錨索長度6 m；間距1800 mm，排距2000 mm，每排2 根，垂直頂板布置。工鋼對棚：頂梁采用11#礦用工字鋼，長度為4150 mm；棚腿采用11#礦用工字鋼，長度為2950 mm；雙腿雙梁，中間用U 型卡固定，棚間距為1000 mm。

② 兩幫支護

錨桿：采用Φ18 mm 螺紋鋼錨桿，錨桿長度為1800 mm，間距為1100 mm，排距為1500 mm，每排3 根，垂直幫部布置。W 鋼帶：長×寬×高=450 mm×280 mm×4.75 mm。

3.2 效果檢驗

截至2021 年9 月30 日，5403 巷已完成掘進，通過現場觀測，采用分層間距聯合控制技術增加錨桿間排距，減少單位面積錨桿數，縮短了施工時間，提高了日進尺，加快了掘進進度。巷道支護效果好，能保證礦山生產、采掘的連續正常進行，5403 巷能夠滿足巷道通風、行人、運輸等回采要求。

4 結論

（1）5403 巷的合理布置位置為12#層8413 工作面采空區下方，與12#層煤柱距離15 m。

（2）提出了5403 巷采用分類聯合支護技術，層間距大于7 m 時采用“錨網索+鋼帶”支護方式，層間距小于7 m 時采用“錨網索+鋼帶+架棚”支護技術，現場監測驗證了5403巷圍巖控制效果較好，保障了礦井的正常采掘。