厚煤层分岔区变厚度夹矸下回采巷道支护技术

吴绍民，秦广鹏，张明光，代 进(．山东能源新汶矿业集团有限责任公司秦华煤矿，新疆 库尔勒 84000；．山东科技大学资源与土木工程系，山东 泰安 709；.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东 青岛 66590)

厚煤层分岔区变厚度夹矸下回采巷道支护技术

吴绍民1，秦广鹏2，张明光3，代 进2
(1．山东能源新汶矿业集团有限责任公司秦华煤矿，新疆 库尔勒 841000；2．山东科技大学资源与土木工程系，山东 泰安 271019；3.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590)

厚煤层发生分岔现象较为普遍，上下分层间夹矸层厚度通常变化较大。当夹矸层厚度较小时，受上部煤层采动影响，夹矸层与下部煤层将会发生不同程度破坏，给下部回采巷道支护带来较大困难。以某矿9采区为工程背景，通过现场实测与采用理论分析，建立了巷道薄夹矸顶板刚化理论，分析了夹矸顶板刚化可行性和刚化后岩层的稳定性，形成了采空区薄夹矸下回采巷道的顶板夹矸稳定性分类分案。将巷道顶板分为夹矸层厚大于5 m、3～5 m和小于3 m三类，提出了三类薄夹矸回采巷道的支护方案。

煤层分岔；采空区；薄夹矸；顶板刚化

分岔是厚煤层赋存中一种较为常见的现象，分岔区内上下煤层间夹矸厚度通常变化较大，当夹矸厚度较小，下部煤层内布置的回采巷道受上部煤层开采影响，其夹矸顶板岩层通常较为破碎，给巷道的掘进与维护带来了较大困难。部分学者针对近距离采空区下回采巷道变形机理[1]、矿压显现特征[2-4]、巷道支护结构受载特征[5-6]、下层煤采场顶板结构及其控制[7-9]等进行了较为深入的研究，这些研究成果，极大地丰富了近距离煤层群与厚煤层分岔区下部煤层开采的理论与实践，但是对层间距或夹矸层厚度小于7 m条件下，下层煤回采巷道顶板岩层的细化分类与对应的支护技术，尚未开展针对性的研究与分析。

1 工程背景

兖州矿区主采3煤层在南屯煤矿、鲍店煤矿等多个矿井出现分岔区域，煤层被分为3上及3下煤层，层间夹矸厚度在1～13 m，主要为泥质胶结粉砂岩，裂隙发育。3下煤层回采巷道顶板为分岔区夹矸，由于夹矸层已经承受了3上煤层采动的影响，夹矸整体稳定性差，巷道的掘进及支护均存在较大困难。以南屯煤矿9采区为工程地质背景，对3煤层分岔区夹矸下回采巷道顶板分类及支护技术开展相关研究。

南屯煤矿9采区位于矿井-350 m开采水平，3下煤层平均厚度3.51 m；煤层倾角3～10°，平均6°；煤层赋存稳定，结构简单；煤层普氏硬度为f=2～3；CH4相对涌出量0.01 m3/t，CH4绝对涌出量0.05 m3/min，CO2相对涌出量0.22 m3/t，CO2绝对涌出量0.06 m3/min；煤层自然发火期3～6个月；煤尘爆炸指数44.62%。

2 夹矸组分、微观结构及采动破坏特征

2.1 夹矸层组分与微观结构特征

3下煤层顶板(即3煤层分岔区夹矸)的矿物成分组成及其相对含量为决定岩层物理力学特性的重要因素。在93下12工作面运输平巷内对3下煤层顶板采样，利用D/Max-3B型X射线衍射仪对岩样成分进行物相分析，获取岩样的基本物理成分及其组成，见表1。3下煤层顶板薄夹矸内含有大量的高岭石和伊利石颗粒，易使矿物在宏观上产生膨胀，因而对巷道开挖后的支护体系提出了较高的要求。

表1 夹矸层衍射矿物定性分析结果

岩样微观结构电子显微镜扫描结果如图1所示。由图1可以看出，3下煤层薄夹矸顶板岩层裂隙发育，纵横贯通，围岩颗粒呈块裂状等不连续状态。围岩颗粒中含有大量微孔隙和微裂隙(试验样品中最大孔隙尺寸为10 μm×20 μm)，当围岩遇水时，水分在毛细作用下经过这些微小空隙通道被吸入岩体，给岩体的毛细膨胀提供了条件。与此同时，微孔隙和微裂隙也为岩体的裂隙膨胀创造了条件。

图1 夹矸岩样扫描电镜分析

2.2 3上煤层开采对夹矸的破坏及采空区矸石再生顶板状况

为了解3上煤层开采后对底板夹矸岩层的破坏情况及采空区内顶板岩层的胶结情况，采用钻孔成像仪观测钻孔内孔壁的裂隙发育程度以及采空区顶板的胶结情况，顶板钻孔摄像地点选择在93下12工作面回采巷道夹矸厚度约6 m、4 m和3 m处，钻孔摄像结果如图2所示。

图2 不同夹矸厚度钻孔摄像图

图2(a)中，钻孔深度小于1 m时岩层损伤破碎较为严重，该范围临近3下煤层巷道表面，受3下巷道掘巷作用及3上煤层开采支承压力影响发生破坏；钻孔深度为1～4.5 m时钻孔孔形完好，没有节理和裂隙出现，说明岩层未遭受严重破坏；钻孔深度大于4.5 m时，钻孔孔壁出现倾斜节理。根据该处6 m的夹矸厚度，可以推测3上煤开采造成的底板影响深度约为1.5 m。

图2(b)中，受3下煤层掘巷及3上支承压力影响，巷道顶板上方1.1 m厚度的顶煤及孔深1.2～1.8 m的煤层顶板段损伤破碎较为严重，裂隙较发育。孔深2.0～3.4 m区域没有节理和裂隙出现，孔形完好，岩层未遭受严重破坏；孔深3.6～4.2 m时钻孔孔壁出现倾斜节理；孔深大于4.4 m时进入上覆采空区浮煤，破碎且钻孔内残留水较多，说明采空区内未胶结形成新的顶板。推测夹矸厚度4 m区域3上煤开采底板破坏深度约为1.4 m，显著影响深度在0.8 m。

图2(c)中，巷道顶板上方赋存1.0 m左右厚度的顶煤，孔深小于2.0 m区域裂隙比较发育，孔深小于2.8 m区域孔形完好，无节理和裂隙出现，岩层未受严重破坏；孔深大于2.8 m时，钻孔裂隙发育、破坏严重；孔深大于3.4 m时，钻孔内壁破碎且钻孔内残留水较多，进入上覆采空区。推测夹矸厚度2 m区域，3上煤层开采造成的底板破坏深度约为0.8 m。

综上所述，巷道顶板如有1 m左右顶煤，顶煤中裂隙很发育，是巷道支护结构必须支护的载荷体。受掘巷时围岩支承压力作用影响，顶煤上方1 m左右的岩层裂隙较为发育，损伤严重，不能作为巷道顶板的承载结构。

3 不同夹矸厚度巷道顶板稳定性分析

3.1 不同夹矸厚度巷道顶板载荷与受力分析

3.1.1 3下煤层回采巷道夹矸顶板承受载荷分析

3上煤层开采之后，采空区内充填了大量垮冒矸石，松散堆积不胶结，除相互挤压外，没有其它力学联系。3下煤层内掘进回采巷道后，层间夹矸发生沉降变形时，矸石堆积层同步下沉，本身不会形成自稳力学结构，也不传递上覆裂隙带岩层产生的载荷。矸石堆积层和夹矸本身自重可被视为3下煤层回采巷道顶板夹矸承受荷载，不同夹矸厚度顶板顶板承受载荷见表2。

3.1.2 3下煤层回采巷道夹矸顶板最大剪应力

上述承受载荷将在3下煤层回采巷道顶板肩窝处产生最大剪切力(表2)，当夹矸厚度小于3 m时，夹矸层厚度变化对最大剪应力的影响较大；当夹矸厚度大于3 m时，厚度的变化最大剪应力的影响较逐渐变小；3上、3下夹矸为泥质粉砂岩或泥岩，抗剪强度较低，但一般大于6.8 MPa，在夹矸完整稳定、未受损伤的情况下，夹矸厚度为3 m时的最大剪应力为0.367 MPa。

3.1.3 3下煤层回采巷道夹矸顶板承受最大弯矩

3上、3下层间夹矸所承受载荷在3下煤层巷道顶板产生弯矩和拉应力[10](表2)。3上、3下夹矸为泥质粉砂岩或泥岩，抗拉强度较低，但一般大于3 MPa，在夹矸完整稳定、未受损伤的情况下，能承受载荷引起的弯曲拉应力。但厚度小于1.5 m时夹矸将不能承受上部载荷弯曲拉应力。对于受3上煤层开采产生损伤的夹矸来说，采动裂隙的影响应引足够的重视，考虑到一定的安全系数，可将厚度大于3 m的夹矸层视为有承载能力的夹矸梁，而小于3 m的夹矸层视为需要进行底部承托的夹矸梁。

表2 不同厚度夹矸承受载荷计算

3.2 巷道支护原则

3下煤层回采巷道沿分岔区夹矸层掘进，夹矸便成为3下煤层巷道的梁(板)结构，承托采空区矸石所施加载荷。自然状态下岩梁承载能力受多种因素影响，在受到不同程度损伤后刚性降低，柔性增大，降低了抗弯曲能力，若夹矸层中再存在层理等弱面将夹矸分层，则会进一步降低岩梁刚度，影响岩梁承载能力。在3上工作面采动支承压力的影响下，3下煤层巷道顶板便成为柔化的岩梁，受3上采空区矸石和岩梁自重影响，若岩梁挠度过大，将使岩梁下部拉应力超限，致使岩梁分层、开裂，最终垮落。为了防止这种破坏形式的发生，降低岩梁底部岩层的拉应力，需使用锚杆、锚索等使岩梁刚化。

由上述分析及表2计算结果，对于3下回采巷道夹矸顶板来说，厚度小于3 m时，巷道顶板的载荷、最大剪应力和最大弯矩随厚度的变大迅速减小；当厚度大于3 m时，这种变化趋势变得比较平缓。当夹矸厚度大于3 m时，夹矸刚化加固的可能性比较大，成本也较低，刚化加固后可以作为3上采空区矸石的承载结构，并具有一定的稳定性和可靠性，如果能够配合桁架锚索支护，可靠程度更高。相反，当夹矸厚度小于3 m时，夹矸刚化加固的可能性比较小，且刚化成本较高。为此，将夹矸厚度3 m和5 m作为3下煤层回采巷道顶板夹矸刚化承载分类依据，当夹矸厚度大于5 m时，夹矸稳定，可以使用锚索进一步加固，当夹矸厚度为3～5 m时，夹矸弱稳定，可以留一定厚度的顶煤或者使用桁架锚索对夹矸顶板加以保护，当夹矸厚度小于3 m时，夹矸不稳定，需要巷道布设支架进行托顶支护。

4 变厚度夹矸下回采巷道支护方案

4.1 支护方案

针对现场工程实际，在进行支护方案设计时，根据前述顶板稳定性分类方案，对夹矸厚度1～3 m、4～5 m、大于5 m时，分别应用不同的支护方案。

1)夹矸厚度小于3 m时为不稳定顶板，采用锚棚或无腿棚支护。当回采巷道位于夹矸厚度小于3 m地段时，夹矸厚度小，受3上煤层采动影响强烈，顶板夹矸比较破碎。锚杆锚固段已深入到夹矸上部的破碎带甚至3上煤层采空区矸石松散层，无法维持锚杆的正常锚固作用，更无法打设锚索，在这种情况下只能采用架棚支护来维护巷道顶板夹矸稳定性，支护形式及参数如图3所示。

2)夹矸厚度3～5 m为弱稳定顶板，可锚网刚化或锚索桁架支护。当夹矸为厚度3～5 m时，3下煤层回采巷道应布置于三上煤层采空区，巷道上部为采空区冒落矸石，3上煤层工作面回采对夹矸的破坏厚度在1.5 m左右，其下2.5 m粉砂岩的整体性虽然受到了一定削弱，但裂隙发育不明显，整体性较好。选择合理的锚杆支护参数，工程质量能够得以保证，形成承压良好、性能可靠的组合梁或者挤压拱结构，支护方案及参数如图4所示。

3)夹矸厚度5 m以上为稳定顶板，锚杆-锚索耦合支护。夹矸厚度大于5 m，超过锚杆的锚固范围，粉砂岩夹矸层整体性较强，与煤层相比强度高，稳定性较好，可利用锚杆-锚索支护(夹矸厚度小的地方可以施工4.5 m短锚索)的预紧力形成范围大、强度高、稳定性好的组合梁和挤压拱，支护方案及参数如图5所示。

在上述各支护方案中，锚杆选用左旋无纵筋螺纹钢树脂锚杆，顶锚杆锚固力不低于50 kN，帮锚杆锚固力不低于100 kN；顶部和帮部均选用7芯钢绞线锚索，锚固力不小于300 kN。

4.2 现场应用效果

上述支护方案在南屯煤矿93下12运输巷(实体煤巷道)和93下12轨道巷(沿空巷道)进行了应用，巷道掘进及回采期间巷道最大变形量如表3所示。

图3 夹矸厚度小于3 m区域回采巷道支护方案及参数(单位：mm)

表3 不同夹矸厚度及支护方案巷道最大变形量(单位：mm)

图4 夹矸厚度为3～5 m区域回采巷道支护方案及参数(单位：mm)

图5 夹矸厚度大于5 m区域回采巷道支护方案及参数(单位：mm)

由表3可知，巷道围岩变形量随着顶板夹矸层厚度减小而增大，但是上述巷道并未发生不可控的大变形与破坏，确保了工作面的正常生产，上述支护方案科学有效。

5 结 论

1)通过室内与现场测试、理论分析等，形成了兖州矿区3上煤层和3下煤层间夹矸稳定性分类与支护技术分案。

2)兖州矿区地质条件下，依据夹矸顶板抗屈曲能力、刚化可行性和锚索的使用条件，按照夹矸厚度，可将分岔区下部回采巷道划分为夹矸层厚大于5 m的稳定顶板、夹矸层厚3～5 m的较稳定顶板和夹矸层厚小于3 m的不稳定顶板三类。

3)厚度3 m以下薄夹矸下回采巷道宜采用采用锚棚或无腿棚支护，厚度3～5 m夹矸下回采巷道宜采用锚网刚化或锚索桁架支护，厚度大于5 m夹矸下回采巷道宜采用锚杆-锚索耦合支护。

[1] 于洋，神文龙，高杰．极近距离煤层下位巷道变形机理及控制[J]．采矿与安全工程学报，2016，33(1)：49-55．

[2] 王孝义，宋选民，陈春慧．极近距煤层矿压显现强度的间距影响规律研究[J]．采矿与安全工程学报，2016，33(1)：116-121．

[3] 杨科，孔祥勇，陆伟，等．近距离采空区下大倾角厚煤层开采矿压显现规律研究[J]．岩石力学与工程学报，2015，34(S2)：4278-4285．

[4] 解兴智．浅埋煤层房柱式采空区下长壁开采矿压显现特征[J]．煤炭学报，2012，37(6)：898-902．

[5] 姚宝珠．采空区下回采巷道围岩破坏机理与控制技术[D]．北京：中国矿业大学(北京)，2014．

[6] 方勇，姚志刚，符亚鹏，等．上覆水平煤层采空区衬砌受荷模型试验研究[J]．岩土工程学报，2016，38(8)：1513-1521．

[7] 朱涛，张百胜，冯国瑞，等．极近距离煤层下层煤采场顶板结构与控制[J]．煤炭学报，2010，35(2)：190-193．

[8] 刘长友，杨敬轩，于斌，等．多采空区下坚硬厚层破断顶板群结构的失稳规律[J]．煤炭学报，2014，39(3)：395-403．

[9] 郑仰发，张剑，林健，等．极近距离煤层变厚度顶板下部回采巷道综合控制技术[J]．中国矿业，2016，25(11)：107-111．

[10] 钱鸣高，石平五，许家林．矿山压力与岩层控制[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2003．

Support technology of mining-roadway under variable thickness band in thick coal seam bifurcation area

WU Shaomin1，QIN Guangpeng2，ZHANG Mingguang3，DAI Jin2

(1．Qinhua Colliery，Shandong Energy Xinwen Mining Group Co.，Ltd.，Kuerle 841000，China；2．Department of Resource and Civil Engineering，Shandong University of Science and Technology，Taian 271019，China；3.College of Mining and Safety Engineering，Shandong University of Sciences and Technology，Qingdao 266590，China)

Bifurcation often occurs in thick coal seams，the thickness of the band between the upper and lower layers usually varies greatly.When the band thickness is small，the band and the lower coal seam are affected by the mining of the upper coal seam and will be damaged，which brings great difficulties to the support of the lower mining roadway.Taking the No.9 mining area of one coal mine as engineering background，with site measurement and theory analysis，rigidification theory of roof slab with thin band was established.The feasibility of rigidification and the stability of strata after rigidity were analyzed，and the classification of the stability of the top-bed refuse in the mining roadway with thin section of goaf under goaf was formed.Three types of roadway roof were divided into three categories：band layer thickness greater than 5 m，3～5 m and less than 3 m，and three types of support schemes were proposed.

coal seam bifurcation；goaf；thin band；roof stiffening

2017-01-17 责任编辑：赵奎涛

国家自然科学基金项目资助(编号：51504145；51574155)；山东科技大学人才引进基金项目资助(编号：2014RCJJ035)

吴绍民(1968-)，男，山东泰安人，工程师，从事矿山压力与顶板管理、采煤方法与采煤工艺等方面的技术与管理工作。

秦广鹏(1980-)，男，博士，讲师，黑龙江嫩江人，从事矿山压力与岩层控制、矿山工程力学方面的研究，E-mail：friendqgp@163.com。

TD353

A

1004-4051(2017)06-0102-05