极近距离煤层巷道支护技术研究

张 翼

(大同煤矿集团有限责任公司云冈矿，山西省大同市，037017)

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极近距离煤层巷道支护技术研究

张 翼

(大同煤矿集团有限责任公司云冈矿，山西省大同市，037017)

以云冈矿51115巷道为研究对象，结合极近距离煤层围岩稳定性的理论分析结果，对该条件下巷道支护技术进行了深入研究，以4种顶板类型为基础对51115巷道分段制定不同的支护方案。实践结果表明，优化支护方案后现场支护取得了良好效果，同时也取得了较好的经济社会效益。

极近距离煤层 围岩稳定性 分段支护 工程实践

极近距离煤层下煤层工作面开采会受到上煤层遗留煤柱集中应力通过底板传播规律的影响，故采用下行式开采时，下煤层工作面矿压显现规律以及支护方式也存在特殊性。因此传统的单一煤层工作面矿压控制理论和经验已不能解决极近距离煤层工作面开采过程中遇到的顶板管理问题。本文以同煤集团云冈矿地质条件为背景，对极近距离11-1#、11-2#煤层破碎围岩巷道的支护技术进行了研究，提出了11-2#煤层巷道的优化支护方案，不仅确保了工作面的生产安全，同时也取得了较高的经济社会效益。

1 工程概况

云冈矿井田北部311盘区主采11-2#煤层开采深度220～290 m，与上部11-1#煤层为极近距离煤层，层间距和煤层厚度均极不稳定。11-2#层81115工作面设计走向长度925 m，倾向长度119 m，上覆11-1#层与该煤层的层间距为0.6～3.2 m，11-1#层煤柱宽度15 m，11-2#层煤柱宽度35 m。现81113工作面正在回采，受煤柱集中应力影响，81115回风巷道51115巷围岩变形严重。

根据11-2#层81113工作面掘进期间层间距探测资料及与上覆11-1#层层间距等值线图分析，81115工作面两条平巷即21115巷和51115巷具体煤层层间距情况如表1所示。

11-2#煤层81115工作面及采掘巷道与上覆11-1#煤层采空区及煤柱的空间位置关系如图1所示。

表1 81115工作面与上覆煤层层间距情况

注：表中H表示煤层的层间距，数字单位均为m。括号外数字代表距离盘区回风大巷的距离，括号中数字表示层间距为某值时的范围大小，如378～925(547)表示层间距小于1 m的范围为距离盘区回风大巷378～925 m，长度为547 m

图1 极近距离煤层巷道空间位置示意图

2 极近距离煤层巷道稳定性研究

极近距离煤层上煤层开采后，煤柱承担上覆岩层的重量，其应力会通过煤柱向底板传递。由于下煤层与上煤层间距较小，故其应力传递对下煤层巷道的压力显现及围岩稳定性的影响也存在特殊性。

极近距离煤层81115工作面整体力学分析如图2所示，用土力学中的地基计算方法，并依据塑性理论及采场矿压理论进行计算，得出此类型残留煤柱底板的最大破坏深度为：

式中：hmax——残留煤柱底板的最大破坏深度，m；

xa——煤壁塑性区宽度，m；

φf——底板岩层内摩擦角，°。

根据极限平衡理论计算xa：

(2)

式中：M——采高，m；

f——煤层与顶底板接触面的摩擦系数，f=tanφ；

k——应力集中系数；

H——埋深，m；

γ——采场上覆岩层的平均容重，kN/m3；

C―煤体的内聚力，MPa；

φ——煤体的内摩擦角，(°)。

由图2可知，上煤层留设的煤柱均为两侧采空类型。图中C点为煤柱对底板破坏的最深点，代入云冈矿81115工作面地质参数计算可知，在311盘区地质条件下，破坏深度BC的范围为2.03～2.75 m。由于51115巷道与上煤层间距范围在0.2～9 m，故巷道多数处于上煤层开采煤柱底板应力集中区范围内。

81115工作面在推进过程中，其顶板可分为4种类型：一是松散体顶板，当层间距H<0.6 m时，顶板破碎与上层采空区矸石混合压实，此类顶板掘进巷道需利用圆木做假顶配合钢梁架棚支护；二是破碎顶板，当层间距0.6 m3 m，由于受上煤层开采底板破坏影响较小，该范围顶板基本稳定，此类型顶板下方支架初撑力可适当提高，掘进巷道在多数情况下，采用锚杆+锚索网支护即可。

图2 极近距离煤层工作面力学结构分析

3 极近距离煤层巷道支护方案的确定

极近距离煤层采掘巷道的下部煤层巷道要解决的关键问题是如何在已有顶板厚度的条件下，采取措施发挥锚杆等支护构件的最大效能，将破碎顶板组合成为具有足够承载能力的支护结构来有效抵抗水平压力。由前述计算分析可知，11-1#层开采后地板的影响深度为2.03～2.75 m，因此需要对层间距为3 m上下的巷道采用不同的支护方案。由于11-2#煤层多数处在了11-1#煤层开采后煤柱的影响范围内，因此本文将分段支护范围定为：小于2 m的巷道、2～3 m的巷道、3～4 m的巷道与4 m以上的巷道，对这三种层间距的巷道分别分段进行支护。

3.1 层间距2 m以下的巷道支护方案

巷道断面尺寸为4000 mm×2800 mm，支护以11#工字钢棚为主，单体液压支柱为辅。在煤柱帮顶部施加让压鸟窝锚索，排距1 m；钢棚排距1m，每排两架。工字钢梁长3.8 m，棚腿2.75 m；顶梁与顶板之间用刹顶木剎紧背牢，刹顶木使用直径为40 mm或60 mm木材，间距800 mm。当顶板破碎或压力增大时，顶板铺菱形网，并将网压紧压实。现有支护无法满足时及时补强支护或在距钢架两侧100 mm处支设液压单体柱，支护示意图如图3所示。当层间距低于1 m时，顶板留有一定的顶煤，保证层间距在1 m以上。

3.2 层间距2～3 m巷道支护方案

巷道断面尺寸为3600 mm×2600 mm，支护形式为高阻让压锚杆+让压鸟窝锚索梁+帮让压鸟窝锚索支护，支护示意图如图4所示。

图3 层间距2 m以下巷道支护断面示意图

顶锚杆选用HB500型高强度蛇形杆体，长度为1.8 m，安装载荷6 t，直径18 mm。锚杆间排距为800 mm×800 mm，帮锚杆与垂直方向夹角为30°；树脂药卷选用1卷K2335和1卷Z2335；选用高强球型托盘，尺寸为150 mm×150 mm×8 mm，联合W型钢带压金属网的方式进行支护；锚索梁排距1600 mm，11#工字钢梁长度3.2 m，设置3个孔，中间孔用锚杆固定。帮锚索与水平方向夹角为30°，排距1600 mm。当顶板破碎或巷道压力显现明显时，使用单体液压支柱对工字钢梁进行补强。

3.3 层间距3～4 m巷道支护方案

层间距3～4 m段锚杆排距为900 mm，顶板锚索规格为ø17.8 mm×5000 mm，排距为1800 mm，其余参数与层间距2～3 m支护方案相同。

3.4 层间距4 m以上巷道支护方案

巷道断面尺寸为3600 mm×2600 mm。支护形式为锚网索支护，支护示意图如图5所示。

图4 层间距2～3 m巷道支护断面示意图

图5 层间距4 m以上巷道支护断面示意图

锚杆间排距为1000 mm×1000 mm，其余参数与层间距2～3 m方案相同。锚索沿巷道中心线布置1根，排距为2000 mm，层间距为4～5 m时用4 m锚索，层间距为5～6 m时用5 m锚索，层间距为6 m以上时用6 m锚索。

3.5 特殊位置支护方案

当施工巷道受到围岩破碎带影响时，应及时调整支护方案及参数。缩短锚杆(索)间排距，利用单体液压支柱或木垛进行辅助点柱、架棚的强化支护。

若遇巷道需穿层施工，应准确把握施工巷道上覆煤岩层的厚度，及时调整锚索长度，保证锚索锚固稳定岩层的长度大于1000 mm。

巷道压力显现较大区域需要加强对顶板变化的观测。当存在顶板下沉，锚杆折断以及托盘变形等问题时，应及时补强支护。

掘进过程中遇岩性变化区域，应根据所遇岩性的力学参数进行合理支护。若变化区域岩性较完整且强度较大，延续使用原有支护，若变化区域岩性完整性差，对巷道进行补强维护。

4 支护方案效果

4.1 现场支护效果

81115工作面51115巷道初期掘进过程中围岩变形破坏严重，顶板冒漏较为严重。W钢带挤压变形为V字形，工字钢棚子被压弯曲严重，中部下沉量较大，甚至出现工字钢翻转的情况，造成工字钢棚与棚腿仅保证点接触，稳定性极差。采用分段支护方案配以新型支护材料后，巷道整体稳定性得到维护，钢棚支护效果较好，顶板基本保持完整。

图6 锚杆、锚索受力情况

4.2 锚杆(索)受力监测结果

采用锚杆测力计对掘进和回采期间顶板锚杆、锚索受力情况进行监测，测点位置距回风巷200 m处，层间距在5 m左右，锚杆锚索受力情况如图6所示。巷道掘进期间，顶板锚杆和锚索受力均不大，稳定时锚索的轴力为88 kN、锚杆轴力43 kN，锚索受力明显大于锚杆，说明锚索是主要的受力体。

4.3 经济社会效益

(1)经济效益。经计算可知，相对于51113巷道，51115巷道节约成本为1493.5元/m，巷道总长度为925 m，共可节约支护成本138.15万元，成本降低率达到49.5%。

(2)社会效益。一是降低了巷道冒顶以及二次修复的可能性，确保了矿井的安全高效生产；二是减轻了工人的劳动强度；三是为其他矿区类似条件下巷道支护技术提供借鉴和依据。

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(责任编辑 陶 赛)

Researchonroadwaysupporttechnologyofextremelyclosedistancecoalseams

Zhang Yi

(Yungang Mine， Datong Coal Mine Group Co., Ltd., Datong, Shanxi 037017, China)

Taking 51115 roadway in Yungang Mine as research object, combined with the theoretical analysis of surrounding rock stability of extremely close distance coal seams, the condition of roadway support technology were studied, and different support schemes for different sections of 51115 roadway were formulated based on the four types of roof. Practice results showed that the optimized support scheme had obtained favorable effect and achieved good economic and social benefits.

extremely close distance coal seams, stability of surrounding rock, segmented support, engineering practice

山西省自然基金面上项目(201601D102038)，山西省回国留学人员科研资助项目(2016-040)

张翼.极近距离煤层巷道支护技术研究 [J]. 中国煤炭，2017,43(8)：66-70. Zhang Yi. Research on roadway support technology of extremely close distance coal seams [J]. China Coal，2017,43(8)：66-70.

TD353

A

张翼(1964-)，男，山西大同人，高级工程师，硕士，主要从事煤炭开采技术管理工作。