近距离下煤层回采巷道顶板支护研究

蔡迎超

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山木瓜煤矿，山西 方山 033000）

近距离煤层资源在我国较为常见，在正常开采过程中，先行开采煤层会严重影响后续煤层的开采，下煤层顶板受到上煤层开采影响出现不同程度的损伤，造成顶板岩石特性下降，出现顶板下沉甚至坍塌的事故[1-2]，所以对近距离下煤层巷道的围岩变形及下煤层巷道支护十分重要[3-4]。本文以木瓜煤矿为研究背景，对不同内错距离下巷道围岩变形情况进行分析，给出了巷道的支护方案，并通过工业化试验验证了支护方案的可行性，为木瓜煤矿近距离煤层开采做出贡献。

1 概况

木瓜煤矿位于山西省方山县大武镇木瓜村南，目前主采煤层为8#、9#煤层，两层煤平均厚度分别为3.1 m 和2.7 m，煤层的平均间距为4.34 m。其中29204 工作面回采巷道布设8#煤层底板中，由于8#煤层的开采造成该回采巷道顶板破碎，控制难度较大。9#煤层顶底板岩层分布表见表1。

表1 9#煤层顶底板岩层分布表

2 数值模拟

为了更好地掌握上下煤层巷道相对位置关系下的围岩变形情况，进行模拟研究。首先进行模型的建立，根据地质情况利用FLAC3D数值模拟软件建立110 m×45 m×5 m的模型，对模型进行网格划分。为提升计算速度，对模型进行适当粗划分，对模型岩层的物理参数进行设定，选用摩尔-库伦模型为本构模型，完成模型建立。确定3 种模拟方案，分别为上下煤层巷道内错距离10 m、20 m、30 m，进行模拟计算，模拟结果云图如图1。

由图1 分析可知，当下层煤的巷道与上煤层回采巷道内错距离为10 m 时，下煤层回采巷道整体处于应力降低区范围内，掘巷后巷道的顶底板及两帮的垂直应力向着巷道两侧深处煤岩转移，此时巷道围岩的整体应力处于较低水平，垂直应力最大值不超过2.0 MPa。当下煤层巷道布置与上煤层回采巷道内错距离为20 m 时，下煤层回采巷道围岩应力处于应力降低区与应力恢复区交界位置，此时受到掘巷的应力扰动，在巷道靠着原岩应力恢复区的煤帮受力大于应力降低区煤帮，在应力恢复区位置最大垂直应力为8.92 MPa，而在应力降低区附近垂直应力不超过2.0 MPa。当内错距离为30 m 时，下煤层回采巷道处于采空区矸石支承影响区范围内，此时掘巷前的围岩应力大于原岩应力，掘巷后的两帮煤体应力升高较为明显，最大应力为4.67 MPa，在巷道两帮侧的底板应力增加涨幅较小。综上所述，当下煤层回采巷道与上回采巷道的内错距离设定为10 m 时，下煤层回采巷道处于应力降低区，巷道稳定性较佳，对于后期支护较为有利。

图1 不同内错距离下巷道应力云图

3 支护设计及工业化试验

3.1 支护设计

进行巷道围岩支护设计时，考虑到煤层的平均间距为4.35 m，由于上煤层开采使得下煤层巷道围岩破碎严重，所以在进行支护方案设计时需要考虑如下因素：（1）由于下煤层顶板变形严重，下煤层顶板难形成稳定结构，所以采用锚杆锚索主动支护，发挥顶板残余强度，降低顶板片帮现象；（2）增加巷道前期支护强度，避免掘巷过程中出现顶板事故。

根据支护原则设计支护方案，整体巷道支护方案为锚杆锚索联合支护。锚杆选用Ф22 mm×1800 mm 的高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，顶部锚杆间排距为800 mm×800 mm，帮锚杆间排距为750 mm×800 mm，顶板锚杆预紧力矩为240 N.m，帮锚杆的预紧力矩为200 N.m；锚索选用型号Ф21.6 mm×3500 mm 的高强度钢绞线，锚索间排距为1200 mm×1500 mm。同时，在巷道顶板采用Ф6 mm 的金属网进行护表，网格尺寸为100 mm×100 mm，每两个网孔间选用16#铁丝进行绑扎，在金属网铺设完成后选用W 钢带对巷道的顶板进行固定，钢带型号为BHW-280-3.0-5.7，钢带宽度为280 mm，厚度为3 mm，长度为5.7 m。锚杆锚索托盘分别为150 mm×150 mm×8 mm 和300 mm×300 mm×20 mm 托盘。锚杆采用MSZ23/60及MSK23/60 树脂药卷进行锚固，每根锚杆各用两种树脂药卷一只，每根锚索用3 支MSZ23/60 和1支MSK23/60树脂药卷。具体巷道支护断面图如图2。

图2 巷道支护断面图（mm）

3.2 工业化试验

为验证29204 工作面回采巷道支护效果，对巷道的表面位移进行监测，选定轨道顺槽150 m 的范围为试验巷，将试验巷分为三段，分别为首段、中段、末段，分别在三段的中间布设测站，检测巷道的表面位移。测站布置示意图如图3。

图3 测站布置示意图

测站断面顶面中点设置监测点，固定时间间隔监测，总共监测30 d。巷道顶板在不同测站顶板下沉量曲线如图4。

图4 不同测站下顶板下沉曲线

由图4 可知，试验巷的三段变形曲线中顶板的下沉量随着时间的增长，巷道顶板下沉量呈现逐步增长的趋势。在巷道掘进初期巷道顶板下沉变形量快速增大，随着掘进的不断推进，变化速率逐步减缓，变形量逐步趋于稳定。在巷道掘进10 d 前，巷道顶板下沉量快速增大，此时巷道顶板下沉量达到最终稳定下沉量的70%以上。在巷道掘进15 d 时，顶板下沉量趋于稳定，三段试验巷的顶板下沉量区别不大，均为106 mm。巷道整体变形量较小，围岩控制较好。

4 结论

（1）通过数值模拟发现当下煤层回采巷道与上煤层回采巷道的内错距离设定为10 m 时，下煤层回采巷道处于应力降低区，便于巷道控制。

（2）通过模拟结合实际地质情况，给出了锚杆+锚索+金属网+W 钢带联合支护方案。

（3）顶板下沉量随着时间的增加呈现逐步增大，在15 d 达到稳定时，顶板下沉量为106 mm，控制效果较佳。