极近距离煤层下层煤巷道支护技术优化研究

平明亮

（长治三元中能煤业有限公司 山西长治 047500）

0 引言

我国煤炭资源分布广泛，各类地质条件的煤层均有所赋存，而在所有煤炭资源中，许多地区都有着近距离煤层的存在[1]。极近距离煤层是指层间距比较小，其互相的开采会产生明显影响的煤层[2]。由于两层煤之间的距离较小，当上层煤已开采完毕后，在开采下层煤的过程中，其上方多为采空区，受到采空区的影响，下层煤围岩的应力环境会发生巨大变化[3]。为保证下层煤回采巷道的安全、稳定，本文以山西某矿极近距离煤层地质条件为基础，对下层煤巷道围岩控制技术进行了研究，提出了巷道支护优化方案，研究结果对具有相似条件矿井，具有着一定的参考意义。

1 工程背景

山西某矿目前开采煤层为14-3#煤层，煤层厚度平均为4.4 m，煤层倾斜角度平均为4°，为近水平煤层。8301工作面为开采14-3#煤层303盘区的一个综采工作面，工作面的走向长度为1 015 m，倾斜长度为120 m，5305 巷是该工作面的运料巷，巷道断面形状为矩形，巷道的宽度为3.4 m，高度为2.6 m。

在8301工作面上方，存在着已经开采完毕的14-2#煤层8315 工作面采空区，8315 工作面在2017 年已开采完毕。上方14-2#煤煤层厚度平均为3.6 m，工作面采用一次采全高采煤法，采空区内主要为已经垮落的顶板，根据地质资料，两层煤的间距在1.3 m～8.7 m 范围内，属于极近距离煤层，工作面位置关系如图1 所示。目前根据5305巷的掘进勘察结果得出，在巷道掘进距离为240 m、410 m、460 m 处，巷道与上方采空区的距离分别为1.5 m、2.0 m、3.0 m，由于巷道顶板受到上方采空区的影响，岩层破碎程度大，巷道围岩稳定性差，巷道的维护工作极其困难。

图1 工作面巷道位置关系图

2 下层煤顶板稳定性分析

对于近距离煤层，上层煤开采过后，会引起煤层上方岩层的垮落从而充填采空区，因此下层煤顶板主要为上层煤的底板岩层和已经被充填满的采空区岩块。由于采空区岩块稳定性较差，下层煤顶板的稳定性主要取决于层间岩层的稳定性。一般条件下，层间岩层的厚度与岩性对整个岩层的稳定起到决定性作用。

由于层间岩层厚度与岩性的差异性，上层煤开采后对下层煤的影响程度也并不相同，对于极近距离煤层，由于层间距已经小到了一定的程度，层间岩层在上层煤的开采作用下受到了很大的破坏，原有对煤层顶板的分类方法已经不再适用，有必要对极近距离煤层顶板重新进行分类。极近距离煤层顶板依据通常根据层间岩层厚度以及其屈服比进行分类，可分为夹石顶板、碎裂顶板、块裂顶板三类，具体方法如下[4]：

表1 极近距离煤层顶板分类表

对于8301工作面煤层，层间岩层厚度大于1.5 m，岩层岩性为中砂岩与细砂岩互层，因此该工作面顶板多为块裂顶板，5305 巷采用锚杆支护方法，但现场实践表明，在仅采用锚杆+锚索支护方案下，巷道支护效果较差，围岩变形情况比较严重，顶板下沉量最大达到944 mm，并且对巷道维护比较困难，维护成本高，因此有必要对巷道支护方案进行优化改进。

3 巷道支护优化方案

根据上述顶板稳定性分析，仅采用锚杆+锚索的支护方案无法确保巷道的稳定，因此本文对5305巷的支护方案进行了优化，在层间距不同的区域采取不同的支护方案。

在层间距大于3 m的时候，巷道采取锚杆+锚索的支护方案，锚杆采用直径为18 mm、长度为2.0 m 的螺纹钢锚杆，锚杆间排距均为1.0 m；锚索采用直径为15.2 mm、长度4.0 m的钢绞线，锚索间排距均为2.0 m。

在层间距小于3 m 的时候，此时巷道不宜采用锚索支护，采用锚杆+工字钢棚+预应力梁的组合支护方案，此外在层间距小于2.0 m区域，采用马林散对顶板进行加固，具体组合支护方案见表2。

除上述对巷道的支护方案外，采用马林散对巷道顶板进行加固，注射马林散的钻孔布置在两架工字钢棚的中间，钻孔间距和排距均设计为1.0 m，每排布置三个注射钻孔，孔深为2.0 m，钻孔的直径为42 mm，其与巷道顶板的夹角为60°。注射设备选用复合气泵，注射压力不得小于5 MPa，注射过程中，当看到有马林散从顶板岩层中渗透而出时，表明马林散注射已达到饱和状态，此时可停止。

表2 优化支护方案表

4 巷道支护效果分析

巷道支护优化方案提出后，在5305 巷道460 m 处开始实施，在后续掘进的过程中，对巷道围岩的变形情况进行了监测分析，监测数据主要包括巷道顶底板、两帮的变形情况，监测距离为100 m，监测结果如图2 所示。整个巷道掘进结束后，在5305 巷道距离开切眼100 m位置处布置了监测点，对8301工作面回采100 m过程中巷道的围岩变形情况进行了观测，监测结果如图3所示。

图2 巷道掘进过程中围岩变形曲线图

图3 工作面回采过程中围岩变形曲线图

从图2中可以看出，在采用该优化方案后，巷道围岩变形量相比之前有了明显的降低，顶底板移进量最大达到428 mm，变形主要集中在掘进距离小于25 m范围内；两帮移进量最大达到207 mm，变形主要集中在掘进距离小于20 m 范围内。对比巷道顶底板与两帮的变形量可以发现，极近距离煤层巷道的围岩变形主要集中在顶板，而两帮变形相对较小。从图3 中可以看出，在工作面开采后，工作面对巷道的回采影响主要在与工作面距离在28 m范围内，在此范围内顶底板移进量最大为532 mm，两帮移进量最大为198 mm，巷道变形量处于合理范围内。综上可知，在采用优化后的支护方案后，巷道支护效果有了极大的改善，巷道稳定性有了明显的提升，该结果表明本文所采用的优化方案具有着较好的实践效果。

5 结论

本文以山西某矿5305巷地质条件为基础，对极近距离煤层巷道围岩支护优化方案进行了研究，通过对巷道顶板稳定性的分析，提出了巷道在不同顶板厚度下的支护方案，当顶板厚度大于3.0 m 时，采用锚杆+锚索的支护方案，当顶板厚度在小于3.0 m时，采用锚杆+工字钢棚+预应力梁的组合支护方案，并且在顶板厚度小于2.0 m 时，加入了马林散对顶板进行加固的方法。现场工程实施效果表明，本文研究结果具有着较好的实践效果，能够有效提高巷道的稳定性。