煤层回采巷道位置的确定和支护技术研究

刘俊卿

（山西煤炭运销集团泰山隆安煤业有限公司，山西 忻州 036603）

引言

回采巷道的主要作用是形成采煤工作面以及在工作中提供一系列辅助功能，如开切眼、运输巷和回风巷等。如何确定回采巷道位置，如何对回采巷道进行支护是采煤过程中需要注意的关键问题。

1 煤层回采巷道位置的影响因素分析

1.1 应力传递角的影响分析

应力传递角主要从两个方面对回采巷道位置的确定产生影响。从一方面来说，应力传递角会受到煤柱宽度的影响。通过Flac3d的数据处理软件对相关数据进行初步处理，再使用Tecplot软件进行深度处理，可以得出垂直应力在不同煤柱条件下的应力等值曲线［1］。垂直应力等值线可以具体展示不同宽度煤柱条件下应力的传递趋势，此外还可以通过应力降低区域分界线对相关数据进行更加全面的处理，以便得出更加精确可靠的结果。如果还需获得应力传递角的精准规律，可以通过拟合应力降低区域分界线相关数据，计算出与之对应的线性回归方程。从另一方面来说，应力传递角还会受到应力集中系数的影响，会移动造成应力降低区域分界线，进而使该分界线到煤柱边缘的距离改变，导致回采巷道位置受影响。即使煤柱条件相同，不同应力集中系数对应力传递角的影响也是不一样的，因此需对其进行更加深入地研究分析。

1.2 应力梯度的影响分析

应力梯度与应力传递角相同也是从煤柱宽度和应力集中系数两个方面对巷道产生影响的。通常情况下，应力降低区域内，底板巷道的形变较小，但是在部分情况下并非如此，因此需要在实际中对应力降低区域之外的范围进行垂直应力的变化分析，得出相应的变化梯度。应力梯度大小的变化情况应该将围岩应力梯度增加量作为标准来进行评估，根据相应的梯度方程，可以得出煤柱边缘到煤柱外原岩应力梯度的距离，该距离就是确定回采巷道位置的最小距离。在煤柱相关条件不变时，煤柱和底板承受的压力会随应力集中系数的改变而改变，对应力梯度在一定范围内造成影响，进而使回采巷道位置的确定出现偏差。

1.3 小煤柱留巷产生的影响分析

留设小煤柱既要布置到应力降低区，还要保证弹性核心区能够处于稳定状态。在采煤工作面完成回采后，小煤柱受到的压力变大，如果缺少巷道支护设施，就会使小煤柱变成孤岛煤柱，经过高压作用，煤柱会在煤体崩坏后发生失稳。小煤柱不同于大煤柱，其垂直应力降低区分布存在一定自我特点，分界线处于煤柱下方，应力梯度明显相比大煤柱来说较小［2］。

2 煤层回采巷道的位置确认分析

这里以极近距离煤层作为实例，具体分析确定回采巷道位置的方法。一般来说，回采巷道能够确定基本层位，也可以确定下煤层与煤柱之间的距离，所以关键点在于煤柱与应力梯度边缘的距离。根据前文所述，煤柱边缘与应力降低区域分界线的水平距离xf以及煤柱边缘与应力梯度降低区的水平距离xt是界定煤柱位置的两个关键标准。从巷道维护和围岩稳定性的角度出发，回采巷道位置应该根据两者之间距离值较大的来确定。由此可以得出一个计算煤柱边缘到应力降低区距离的公式：

式中：xf为煤柱边缘到应力降低区域分界线的距离；hf为上煤层底板深度；a为煤层倾斜角；b为底板垂直应力传递角；xf0为煤柱边缘到应力降低区域的最小距离。值得注意的是，根据垂直应力梯度的相关要求，煤柱边缘距离回采巷道的最小距离要高于xt。因此，煤柱边缘到回采巷道的最低水平距离合理范围在xf到xt之间，以此确定回采巷道的位置分布［3］。

3 煤层回采巷道的支护理论分析

3.1 新奥法支护理论

支护理论的应用是巷道支护的重要环节，清楚巷道围岩形变规律、掌握破坏因素、理解围岩与支护体的深层联系、了解支护对象在支护方案中所占据的重要地位。新奥法支护理论传入我国的时间是在20世纪70年代末，主要运用于水电、铁路和煤炭等领域。在新奥法的运用过程中，根据我国实际情况，对新奥法进行了完善和发展，并形成了体系的支护原则，比如使用光面爆破；锚喷支护进行围岩加固，提高围岩自承能力并形成承载圈；通过混凝土对巷道及时实施封闭，进行密贴支护；还可以进行二次支护；实施动态设计以及动态施工。

3.2 联合支护理论

联合支护理论的基本论调是在深部软岩巷道中，如果单纯依赖提高支护体刚度，则对围岩形变无法形成有效控制。需要刚柔适度，协调合理稳定支护。在此理论基础下的支护方式主要有锚喷网加支架支护和锚梁网加支架支护等联合支护方式。联合支护理论主要在支护条件较为困难的环境中使用，但在不断实践的过程中，该理论的实用性受到了一定挑战，相应支护方式需进行多次维护和翻修。

3.3 松动圈支护理论

松动圈支护理论是较为实用的支护理论，其认为围岩带在受到超过围岩极限强度的应力时，会发生弧形破裂，也被称之为围岩松动圈。不同的地质条件和应力情况形成的围岩松动圈也不同，巷道支护需要根据实际情况选择相应的支护方式。松动圈支护理论直观简单，运用方便，但是却存在两个问题，一是在井下很难界定松动圈的范围，二是巷道支护是否会对松动圈造成负面影响还尚无具体研究。

4 煤层回采巷道支护方式分析

4.1 锚杆锚喷支护

锚喷支护方式主要是通过喷射混凝土对巷道实施封闭，进行密贴支护，将自然因素对围岩强度的影响降至最低。锚杆能够发挥主动加固作用，可以对围岩进行及时支护，提升围岩本身自承性能。锚杆锚喷支护能够对巷道起到有效的支护效果，是一种具有贴合深部软岩巷道特点的支护方式。但是，锚杆锚喷支护必须选择合理的形式与相关参数，才能取得预想中的效果，否则可能发生冒顶事故。

4.2 U型钢可缩性支架支护

就国内实际情况来说，在许多煤矿中都广泛运用了U型钢可缩性支架。U型钢拥有优良的几何参数和断面形状，在U型钢进行搭接后能够易于收缩。只要选择合理的支架设计，运用正确的方式进行组件连接，就能够使支架具有优良的力学性能，能够满足支护需求。我国主要有U25、U29和U36等几种材料来制造U型钢可缩性支架，可以分为封闭型和不封闭型两类。U型钢可缩性支架是一种被动的支护方式，制造成本费用较高，实际应用也比较困难。

4.3 灌浆加固

灌浆加固是通过钻孔灌充浆液，将围岩破碎的内部固结起来，重塑围岩内部结构，优化围岩内部力学性能，提高围岩自身的承载能力，起到支护作用。目前我国围岩灌浆加固的材料主要有两种，一是水玻璃和水泥混合材料，另一类是高分子材料，比如环氧树脂、不饱和聚酯和聚氨酯树脂等。

4.4 复合支护

复合支护是将多种支护方式进行交叉使用，对巷道形成联合支护。多种支护方式联合使用，可以弥补单一支护方式存在的缺陷，为回采巷道提供强力稳定的支护。复合支护的方式多种多样，有锚喷加灌浆加固、锚喷加U型钢支架、锚喷加灌浆加固加U型钢支架等。复合支护的使用范围及其宽广，支护效能也远超单一支护。但是复合支护也存在一定的缺点，其所需费用很高，实现难度很大，对于中小企业而言不是优先的选择。

5 结语

煤炭是我国重要的能源，在采煤过程中，如何准确界定回采巷道的位置，以及对其进行支护，这些问题都值得深入探讨。影响回采巷道位置的因素众多，对回采巷道的支护方式也很多，这就需要结合煤层实际情况，对回采巷道进行准确定位，并选取合理的支护方式。

［1］ 朱闰生.极近距离煤层回采巷道合理位置确定与支护技术［J］.煤炭科学技术，2012，40（4）：20－21.

［2］ 杨东辉.深部近距离中厚煤层群矿压显现规律及巷道支护技术研究［D］.河南：河南理工大学，2012：7；15.

［3］ 张川.软弱特厚煤层综放回采巷道支护技术研究及应用［D］.山东：山东科技大学，2011：17；22.