近距离煤层采空区下方巷道支护技术

赵瑞峰

（西山煤电西曲矿，山西 古交 030200）

近距离煤层在我国山西、贵州以及内蒙等地区有广泛分布，这些区域矿井在煤炭开采时面临近距离采空区下巷道掘进围岩控制问题[1-2]。相对于单一煤层，由于近距离煤层间层间距小，上部煤层开采会造成下部煤层顶板岩层裂隙发育，强度及稳定性降低[3-4]。潞阳公司下属昌泰矿在开采9 号煤层时，受上覆8 号煤层采空区及护巷煤柱影响，回采巷道围岩破碎，支护困难。

1 工程概况

9 号煤层埋深平均约400 m，倾角3°～5°。9 号煤层与上覆8 号煤层间距在3.5～9.5 m。8102 采面于2017年7月回采完毕，9102 回采工作面于2019年3月开始布置，9102 回采工作面与8 号煤层8102采面采空区位置关系见图1。

图1 采面与上覆采空区位置关系

2 理论分析

采空区下方巷道围岩变形与上覆煤柱边缘距离x及巷道距离上覆采空区距离z有密切关系，见图2。

图2 煤柱与工作面回采巷道间理论分析模型

上覆煤层采空区内煤柱承受载荷与煤柱埋深有关，同时还与煤柱周边煤层开采情况密切相关。根据相关研究成果[5]，得出采空区下伏回采巷道围岩变速度v与x、z关系见式（1）、式（2）。

式中：v为采空区下方巷道围岩变形速度，mm/d；H为埋深，m；A为巷道围岩稳定系数(无量纲)；C为煤柱周边开采影响参数(无量纲)。

根据昌泰矿实际情况和类似工程经验，H取值400 m；A取值6.7；C取值5。将上述参数带入到公式（1）即可得到回采巷道围岩变形速度v与层间距间关系，见图3。

图3 回采巷道围岩变形速度v与层间距z关系

从图中可以看出，围岩变形速度随着层间距增加逐渐降低，其中层间距达到5 m后围岩变形速度降低幅度不明显。因此，可以将层间距5 m作为划分围岩控制方案的界限。

将层间距z=5 m带入到公式（2）中即可得出，巷道围岩变速度与距离煤柱边缘距离x间变化关系，见图4。

图4 回采巷道围岩变形速度v 与距离煤柱边缘距离x 变化关系

从图4可以看出，随着x 距离的增加，v速度显著降低。由于9102 回风巷正好处于8 号煤层保护煤柱下方，因此可以断定，回风巷在支护初期会发生较为显著的围岩变形。

3 采空区下方回采巷道支护设计

3.1 支护设计原则

（1）维护顶板稳定

9102 回风巷正处于上覆8 号煤层护巷煤柱下方，在护巷煤柱影响下回风巷周边岩层处于应力增高区，在垂向应力作用下岩层较为破碎。巷道开挖后在围岩作用下巷帮收敛、顶板下沉明显，容易发生冒顶事故，因此在施工时应强化顶板支护。

（2）避免巷道肩角变形破坏

由于巷道顶板岩层在围岩应力作用下出现显著的弯曲下沉，巷道两帮应力不对称分布[6]。开挖后回采巷道易在巷道肩角发生剪切破坏，从而出现顶板整体切落风险[7]。

（3）确保巷道两帮整体稳定

受到上覆采空区内护巷煤柱影响，9 号煤层回采巷道周边应力分布不均衡，巷帮特别是靠近上覆护巷煤柱侧巷帮更容易破坏、失稳，出现较大变形。因此，在具体支护时应充分采用金属网以及梯子梁对巷帮表层岩层进行控制，确保巷帮整体稳定[8]。

3.2 支护设计

顶板采用螺纹钢锚杆+菱形金属网+钢筋梯子梁支护，配合锚索补强。采用锚杆规格为Φ20 mm×2.40 m，间、排距为0.75 m、0.80 m。补强锚索为Φ17.8 mm×4 500 mm，间、排距1.40 m、2.40 m。

巷帮用菱形金属网、梯子梁护帮，用螺纹钢锚杆固定梯子梁及金属网。锚杆规格与顶板一致，间、排距为0.70 m、0.80 m。回采巷道支护设计见图5。

图5 回采巷道支护设计

3.3 与上覆采空区间距在5 m以内时的补强措施

（1）在层间距较小区域内采用单体支柱强化顶板支护。并将单体布置在巷道中线位置，顶板压力通过单体将压力传递给底板，从而减轻巷道肩角处的压力，减少顶板，底板位移量，确保巷道围岩稳定。

（2）适当缩短顶板锚索长度。正常情况下采用的锚索长度为4.5 m，但是当巷道与上覆采空区间距在5.0 m以内时，容易造成巷道上部锚固段进入到上覆采空区内，弱化锚索补强支护效果。因此，将锚索长度缩短至4.0 m，保证锚索支护效果。

（3）强化靠近上覆采空区遗留煤柱侧的巷帮支护。靠近上覆采空区煤柱侧巷帮在应力作用下较为破碎，影响巷道围岩控制，因此，需要进行补强支护。

具体在原两排锚杆之间再增加布置两根锚杆配合形成五花眼方式，其他的支护参数保持不变，补强支护措施见图6。

图6 补强支护设计

4 支护效果分析

为了检验巷道支护效果，在9102 回风巷距离采煤工作面110 m位置布置测站并定期对巷道表面位移进行监测，具体得到的巷道位移变形数据见图7。从图中可以看出，在9102 工作面回采期间，回风巷顶底板及巷帮最大变形量分别为246 mm、475 mm。工作面开采超前影响范围为35～55 m，在这个范围内采取超前支护措施后，巷道围岩变形量处于低位，可以有效确保后续采面行人、运输等需要。

图7 巷道位移变形监测结果

5 结语

1）采用理论分析方法对采空区下方巷道围岩变形与距离上覆采空区层间距、距离上覆采空区内煤柱水平间距之间的关系进行分析，发现层间距在5 m以内时围岩变形速率较快，层间距在5 m以上时围岩变形速率显著降低。

2）针对回采巷道与上覆采空区岩层间距≧5 m、＜5 m两种情况提出了相对应的围岩控制措施，并进行了详细阐述。

3）现场应用实践表明，采取的围岩控制措施可以确保9102 回采巷道围岩控制，确保回采工作可以安排、平稳推进。