极近距离煤层群下行开采下部煤层巷道支护方式研究

任海峰 李树刚 邱继生 胡俊峰

(1. 西安科技大学，陕西省西安市，710054;2.韩城矿业公司，陕西省韩城市，715405)

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极近距离煤层群下行开采下部煤层巷道支护方式研究

任海峰1李树刚1邱继生1胡俊峰2

(1. 西安科技大学，陕西省西安市，710054;2.韩城矿业公司，陕西省韩城市，715405)

极近距离煤层群下行开采过程中下部煤层巷道围岩应力复杂，顶板破碎程度严重。分析了下部煤层巷道围岩应力情况及顶板破碎程度，针对巷道围岩应力情况，运用结构力学方法计算拱形支护和矩形支护方式的弯矩、剪力等力学性能，得出采用拱形支护体系时，巷道围岩应力状况将会得到明显改善。拱形锚网索支护方法应用于下峪口煤矿，监测结果表明，巷道采用拱形支护体系效果良好。

极近距离煤层群 支护方式 下行开采 围岩应力

极近距离煤层群下行开采过程中，采动影响范围大。由于煤层间距极近，下部煤层的顶板即为上部煤层的底板，下部煤层开采前顶板已受上部煤层采动的影响而破坏，从而使下部煤层巷道支护难度加大。研究极近距离煤层群采空区下巷道的支护方式，确定合理的支护方案，提高巷道支护质量，无论是对保障安全生产，还是对增加经济效益，都具有重要意义。

1 极近距离煤层群采空区下巷道围岩特点

极近距离煤层群下行开采过程中，下部煤层巷道顶板主要受上部煤层底板破坏带和煤柱产生的高应力影响，下部煤层顶板的完整性受到了一定程度的影响。

1.1 围岩应力不均匀性

上部煤层开采后，在煤柱附近的顶底板中会出现应力集中现象，采空区上覆岩层载荷通过煤柱传递到煤柱附件的底板，在底板产生应力集中现象。距离底板越近，应力集中程度越大，自底板从上往下，随着距离的增大，应力集中程度逐渐降低。煤柱应力变化如图1所示。

图1 煤柱应力示意图

由图1可知，煤柱附近底板的应力具有如下特征：

(1)水平应力升高。通常在煤柱下方两侧会出现较高的水平应力，主要是因为煤柱两侧采空区应力卸载，同时煤柱正下方支承压力增高，使煤柱下方底板的应力状态发生改变。煤柱正下方岩体受高应力的作用，发生侧向变形，造成其两侧岩体受水平挤压作用，水平应力升高。这一应力分布特征使得下部煤层巷道受侧压力影响较大。

(2)垂直应力分布不均匀。由于上部煤层煤柱的影响，在上部煤层底板(即下部煤层巷道顶板)的同一水平面，其垂直应力分布具有非均匀性特征，离煤柱边缘水平距离越近，垂直应力越大，离煤柱边缘水平距离越远，垂直应力越小。这一应力分布特征使得下部煤层巷道顶板受力不均匀。

1.2 顶板岩石破碎性严重

上部煤层回采过程中，底板受到工作面前方支承压力的影响，底板岩层先处于压缩状态，工作面推过后变为膨胀状态，随着采空区矸石冒落不断压实，又呈压缩状态，产生反向位移，底板岩层产生了层向裂隙。底板在压缩、膨胀、再压缩的位移过程中产生了竖向裂隙。下部煤层开采前其顶板已是裂隙纵横。

由于上下两层煤的距离极近，加之下部煤层巷道开挖也会造成其围岩塑性变形，巷道开挖产生的裂隙与上部煤层的采动裂隙相互贯通、交织，使得顶板岩层破碎现象严重。

2 支护方式选择

与单一煤层巷道相比，极近距离煤层群采空区下巷道围岩应力情况、破坏情况更加复杂多变。

2.1 非均匀载荷作用下支护方式选择

极近距离煤层群下部煤层巷道受斜上方煤柱应力的影响，使得巷道水平应力升高，同一水平面的垂直应力分布不均匀，这是下部煤层巷道顶板受到非均匀应力的主要影响因素。

2.1.1 非均匀垂直应力作用下矩形支护方式受力分析

在非均匀垂直应力作用下，若下部煤层巷道采用矩形支护，顶梁的非均匀垂直应力作用力学模型如图2所示。

图2 非均匀垂直应力作用下矩形支护力学模型

取λ>0，以A点为原点建立坐标系，则梁上的最大弯矩和最大剪力值为：

式中：Mmax——顶梁上的最大弯矩，N·m；

λ——顶梁载荷非均匀系数；

A——截面的面积，m2；

q——载荷集度，N/m；

l——支护体顶梁长度，m；

Fsmax——顶梁上的最大剪力，N。

2.1.2 侧压力与非均匀垂直应力作用下拱形结构支护方式受力分析

拱形结构支护方式的力学模型如图3所示。

图3 侧压力及非均匀载荷作用下拱形支护形式力学模型

根据结构力学方法求出拱形支护结构中任一截面的弯矩和剪力。

任一截面的弯矩为：

(3)

式中：M°——对应的相同荷载相同跨度矩形支护结构顶梁所对应的弯矩，N·m；

E——材料的弹性模量，N/m2；

I——截面的惯性矩，m4；

φ——拱轴线与水平线间的夹角，(°)。

任一截面的剪力为：

式中：F°s——相同荷载相同跨度下矩形支护结构顶梁所对应的剪力，N。

2.1.3 拱形支护方式与矩形支护方式比较

在实际工程中，矩形支护具有方便施工、断面利用率高等方面的优点。但是当巷道处于非均匀垂直应力作用下时，由式(1)、式(2)可知，在非均匀垂直应力作用下，顶板上的弯矩及剪力沿跨度分布不均匀，并且λ越大，不均匀性也越大。顶梁B点受力较A点大，容易出现局部过载，导致支护体系没有充分发挥支护作用。上部煤层煤柱支承压力在底板中具有非均匀性特征，导致下部煤层中的巷道顶板离煤柱较近的一侧水平应力、垂直应力较大，如果采用矩形支护，容易造成局部过载。采用矩形支护时，最大弯矩和最大应力可导致截面的支护材料不能充分发挥支护作用，不仅浪费材料甚至会产生支护体系失稳。

若采用拱形支护，根据式(1)、(2)、(3)和(4)可知，拱形支护结构中由于水平推力的存在可将矩形支护下受弯为主的结构变成受压为主的结构，内力和应力分布更加均匀合理，因此对于极近距离煤层群下行开采而言，巷道顶板受斜上方非均匀荷载作用明显时，不宜采用矩形支护形式，宜采用拱形支护形式。

2.2 破碎围岩支护方法选择

极近距离煤层群下行开采下部煤层巷道常用的支护方法有锚网索支护、注浆加固、金属支架支护等方法。锚网索支护的主要作用在于控制锚固区围岩的离层、滑动等现象，控制裂隙进一步扩散。拱形锚网索支护能够形成承载能力较强的承载结构，可达到提高围岩整体性和稳定性的目标。

在实际工程中，采用拱形锚网索支护时，锚杆产生的压应力使巷道破碎的围岩之间相互“楔紧”，在巷道周围形成拱效应，促使围岩形成压力拱。压力拱使得巷道斜上方的应力传递路线发生偏转，最大主应力沿拱形支护体系形成了环状压力拱，从而充分发挥围岩自我承载能力，使得作用于巷道径向压力减小，切向压力增大，对巷道起到支护作用。

如果单独采用锚网索支护难以达到预期支护效果，可采用注浆加固和锚网索支护相结合的办法，通过注浆将浆夜充填到裂隙内，将破碎的岩石固结起来，一方面提高围岩的整体强度，另一方面提高锚杆、锚索的锚固性能。

如果无法通过技术方法使锚杆形成拱形支护结构，也可采用可伸缩金属支架支护，断面选用拱形。

3 工程应用

3.1 地质概况

陕西韩城矿业公司下峪口煤矿井田主要含煤层分别为石炭系的太原组和二叠系的山西组组成。山西组含煤六层，煤层编号自上而下为：1号上、1号、2号上、2号、3号、3号下。3号煤为主采煤层，3号下为局部可采煤层。太原组含煤七层，分别为5号、6号、7号、8号、9号、11号、12号。3号下煤层距上部3号煤层8～14 m，平均间距10 m左右。煤岩石层综合柱状图如图4所示。

图4 煤岩层综合柱状图

3.2 支护方案设计

下峪口矿3号煤层和3号下煤层属于极近距离煤层，采用下行开采。23305下工作面回风平巷位于3号下煤层，受上部煤层煤柱的影响，巷道靠近煤柱一方的水平应力较高，垂直应力分布也不均匀，靠近煤柱一方的垂直应力较大。若采用矩形支护，则易造成支护体系失稳；若采用拱形支护，支护体系顶部的弯矩和剪力明显小于矩形支护体系。因此该巷道采用拱形支护。巷道顶板受到巷道开挖破坏和上部煤层采动破坏双重影响，顶板破碎严重。综上所述，巷道采用拱形锚网索支护方式。

设计过程首先根据组合拱理论进行支护参数设计，然后结合矿上的实际情况，采用工程类比法对支护参数做适当调整。

3.2.1 顶板锚杆参数

(1)顶板锚杆长度。根据松动圈厚度，计算得出顶板锚杆长度为3 m。

(2)锚杆直径。按杆体承载力、锚固力强度等参数，取锚杆直径22 mm。

(3)锚杆间排距参数。经计算锚杆最大荷载密度为125 kN/m2。间排距计算值为0.78 m，取0.7 m。

3.2.2 顶板锚索参数

(1)计算得锚索长度为8.7 m；由于在采空区下进行巷道掘进，顶板厚度在10 m左右，根据现场情况采用6 m长的锚索。

(2)锚索间排距计算得出为2.23 m，实际确定为2.2 m。根据锚杆间距，三排锚杆布置一排锚索。

3.2.3 帮部支护参数

经计算锚杆有效长度为1.9 m。根据松动圈厚度和现场实际情况，调整锚杆长度为2.5 m。锚杆间排距取0.7 m。锚杆直径计算值为20 mm。锚固长度确定，通过计算并根据现场测得的岩石力学特性，锚固长度取1 m。巷道断面支护示意图如图5所示。

3.3 支护效果分析

运用锚杆测力计监测了顶板的矿压变化，运用顶板离层仪监测了顶板位移量。经过为期50 d的观测，矿压观测结果表明，在监测装置安装后的8～18 d内，压力增加较明显，后期趋于稳定。顶板位移监测表明，顶板初期变形较快，后期趋于稳定，顶板位移量在在42～70 mm之间。监测结果表明该巷道采用拱形锚网索支护效果良好。

图5 巷道断面支护示意图

4 结论

(1)极近距离煤层群下行开采过程中，下部煤层巷道受上部煤层煤柱高应力影响，巷道受力具有非均匀性，采用拱形支护时，可使巷道最大主应力沿拱形支护体系形成环状压力拱，改善巷道受力环境。

(2)采用拱形锚网索支护可将破碎岩体通过挤压形成承压拱，充分调动围岩的自我承载能力。

(3)极近距离煤层群下部煤层巷道采用拱形锚网索支护方案能有效地控制巷道的变形，保证安全生产。拱形锚网索支护方式对于控制极近距离煤层群下部煤层巷道变形具有一定的合理性和科学性。该支护方法对于破碎顶板、非均匀载荷顶板等也有一定的推广价值。

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(责任编辑 陶 赛)

Researchonroadwaysupportmodeoflowercoalseamintheextra-closedistancecoalseamgroupwithdownwardmining

Ren Haifeng1， Li Shugang1， Qiu Jisheng1， Hu Junfeng2

(1. Xi'an University of Science and Technology， Xi'an， Shaanxi 710054， China;2. Hancheng Mining Industry Corporation， Hancheng， Shaanxi 715405， China)

The surrounding rock stress of roadway in the lower coal seam in extra-close distance coal seam group with downward mining was complicated， and the roof destructiveness was serious. The stress condition of surrounding rock in the lower coal seam and the fracture degree of roof were analyzed. Then aiming at the stress situation of roadway surrounding rock， using structural mechanics method， the arch and rectangular support bending moment， shearing force and other mechanical properties were calculated， and it was concluded that surrounding rock would be enhanced significantly when using the arch support system. The arched anchor net cable support method was successfully used in Xiayukou Mine. The monitoring results indicated that arch support system had a favorable effect at roadways.

extra-close distance coal seam group， support mode， downward mining， surrounding rock stress

国家自然科学基金(51404190)

任海峰，李树刚，邱继生等. 极近距离煤层群下行开采下部煤层巷道支护方式研究 [J]. 中国煤炭，2017，43(8)：52-55,104. Ren Haifeng， Li Shugang， Qiu Jisheng， et al. Research on roadway support mode of lower coal seam in the extra-close distance coal seam group with downward mining [J]. China Coal，2017，43(8)：52-55,104.

TD353

A

任海峰(1970-)，男，陕西蒲城人，博士研究生，高级工程师，主要从事煤矿安全方面的研究。