近距離煤層采空區下綜掘巷道頂板支護技術

摘要：闡述了該礦區地質概況，介紹了近距離煤層采空區下巷道掘進過程中的動壓特征和高應力作用下的支護措施，并結合現場實際情況及時調整生產工藝和支護措施，總結出了近距離煤層采空區下掘進及圍巖控制的一些技術經驗。

關鍵詞：近距離煤層 頂板支護 技術經驗

1 概述

本礦3#煤資源已經枯竭，作為潞安集團最早的一個礦井，近年來致力于下組煤的開采，井田內下組煤可采煤層為15-1和15-3，煤層賦存穩定，平均厚度分別為1.12米和1.52m，為近距離薄煤層，層間距極不穩定，平均為4.83m。層間還有一層15-2煤層，平均厚度為0.43m，15-3煤層頂板為泥巖，層理、節理。裂隙發育，局部頂板為風化軟巖，穩定性差，掘進和回采時頂板不易維護，易發生頂板事故。

2 采區地質概況

井田位于沁水煤田的東部邊緣，井田內地質構造簡單，地層走向近南北，向西傾斜。總體以寬緩的向斜、背斜為主。地層傾角較平緩，一般3°～6°。

15-1煤層直接頂：為泥巖、砂質泥巖，灰黑色，薄層狀，厚度2.67～5.19m，平均厚3.70m。性脆，砂巖中波狀層理發育，普氏系數1.9，屬軟巖。老頂：一般為石灰巖，灰色，中厚層狀，厚度2.20～17.95m，質硬，垂直裂隙發育，局部有小溶洞，普氏系數6.3～8.2，屬堅硬巖石。直接底板：巖性為泥巖，深灰色～灰黑色，薄層狀，厚度0.46～8.44m，含植物化石，性脆，致密，有節理，屬半堅硬巖石。

15-3煤層直接頂板：巖性為泥巖、砂質泥巖，灰黑色，薄層狀，厚度0.53～5.71m，含植物化石，性脆，有節理，屬軟巖。直接底板：巖性為泥巖，巖相及厚度變化較大，深灰色～灰黑色，薄層狀，含植物化石，厚度0.00～5.90m，普氏系數2.0～2.3，屬軟巖石。老底：巖性為中粒砂巖，巖相及厚度變化較大，灰色，薄層狀，含植物化石，厚度0.80～9.50m，普氏系數3.7，屬半堅硬巖石。

該采區為低瓦斯，最大相對瓦斯涌出量為9.26 m3/t，最大絕對瓦斯涌出量為17.54m3/min；無瓦斯和二氧化碳突出傾向，煤塵具有爆炸性危險，具有自燃傾向。

3 采區巷道及工作面巷道布置

3.1 采區巷道

3.1.1 采區巷道布置

725水平北翼采區為三巷聯合布置，分別為725水平回風巷、725水平軌道巷、725水平膠帶巷，其中725回風巷2081m，725軌道巷1623m，725膠帶巷1375m。其中725膠帶巷斷面為4400mm×3000mm，軌道巷斷面為4900mm×3850mm，回風巷斷面為4200mm×3000mm。采區左翼設計3個工作面，采區右翼設計了2個工作面，其中一個為15-3煤層工作面，即15302工作面順槽走向長1710m，傾斜長180m，兩條順槽巷道為矩形斷面，斷面大小為4200mm×2400mm，切眼斷面為6000mm×2400mm。

3.1.2 采空區下巷道掘進及維護設計

15302工作面順槽巷道均沿15-3層頂板掘進，膠帶順槽在上層15102工作面采空區下掘進，，15302軌道順槽采用外錯式在煤柱中掘進，支護形式為錨桿、錨索聯合支護，工作面巷道非采面幫掛金屬網，采面幫掛尼龍網。

基本參數如下: 膠帶順槽采11#礦用工字鋼架棚支護，棚距為1000mm，兩幫背三根剎桿，間距為600mm，頂背八根剎桿，間距為500mm。

軌道順槽錨網支護：工作面非采面幫及頂板錨桿采用Ф20－M22－2000mm左旋無縱筋螺紋鋼筋錨桿；工作面采面幫錨桿為Ф20－M22－2000mm高強度玻璃鋼樹脂錨桿；間排距為900m×1200m，金屬菱形網規格1000mm×9600mm，10＃鐵絲編制，網孔規格（mm）：40×40。頂部上鋼筋托梁，采用Φ14鋼筋焊接而成，寬度70mm，長度3.8m。錨索采用Ф18.9－7300mm鋼絞線， 錨索托板為300mm×300mm×6mm高強度鋼板，錨索為單排布置，位于巷道頂板正中，間距為3600mm。

3.2 工作面順槽巷道掘進及礦壓分析

3.2.1 巷道掘進

由于15-3煤層與15-1煤層屬近距離煤層，平均間距為4.83米，且層間距極不穩定，膠帶順槽布置在采空區下，上層采空區已形成近兩年時間，采空區壓力已經穩定，掘進中壓力顯現不明顯，局部由于層間距較薄，出現頂板塌透，與采空區聯通，造成工鋼棚壓力顯現，為防止塌透點漏風，引起采空區煤層自燃，已采取噴漿措施。軌道順槽布置在煤柱內掘進，掘進時壓力顯現明顯，在15302軌道順槽采面幫部分玻璃鋼錨桿折斷，巷道片幫嚴重，玻璃鋼錨桿失效多，頂板壓力大，局部出現頂板下沉，最大下沉量搭300mm，巷道底板出現底鼓現象，底鼓量最大達300mm。

3.2.2 礦壓規律及支護形式分析

巷道頂板破壞的主要原因是:煤柱內圍巖應力集中程度高，在巷道開掘后，破壞了圍巖的穩定性，圍巖由原來的三向應力狀態變為雙向應力，巖層產生塑性壓縮變形破壞，垂直方向的變形與碎脹擴容引起巖層的彎曲下沉。軟弱夾層的存在造成頂板容易產生松動和破壞范圍的延伸，導致局部頂板下沉。

我礦近距離煤層采空區下巷道壓力顯現原因分析:

①15302軌道順槽采面幫失效支護多，巷道片幫嚴重，主要原因是玻璃鋼錨桿的錨固力小，僅為60KN，當巷道壓力增大時，不能有效滿足支護要求。

②15302軌道順槽在煤柱中掘進，由于上覆15-1煤層15102工作面已回采，15302軌道順槽巷道左幫處在煤柱集中高應力的作用下，巷道出現強烈來壓。圍巖的絕對位移量較大；在煤柱高支承壓力的作用下回采巷道一定深度的底板巖層受到拉應力的作用產生離層，抗彎剛度降低，由于兩幫煤體在支承壓力作用下向巷道內移動，同時產生水平應力，相對完整的底板被壓曲破壞，產生褶皺性底鼓，如果底板節理裂隙較發育則會產生沿裂隙面滑移，產生擠壓流動性底鼓。

③在15302軌道順槽掘進至材料寬斷面處，巷道出現明顯的壓力，導致巷道變形嚴重，巷道失效增多，巷道頂板開始出現離層現象，主要原因是由于寬斷面處斷面增大為4800mm×2400mm，巷道跨度增大，加之施工過程中質量控制不到位，造成了巷道出現明顯變形。

3.2.3 采取的安全技術措施

①為了提高巷道頂板的穩定性，在15302軌道順槽采取了復合支護形式，即錨索加工鋼棚聯合支護，頂板每兩米打設一排錨索，每排兩根，間距為2米，并架設工字鋼棚，棚距為0.6米。

②為了解決幫錨桿拉斷、失效，巷道片幫問題，將15302軌道順槽采面幫玻璃鋼錨桿更換為高強度螺紋鋼錨桿，錨固力達到130KN，使錨桿支護系統剛度大大增強，有效地控制了巷幫變形。

③通過以上支護工藝變更后，巷道維護雖得到了一定改善，但由于15-3煤層頂板層理、節理、裂隙發育，穩定性差。為此，在試驗的基礎上，在頂板支護采取錨索加強的基礎上又補打一排錨桿，間距為0.9米，排距為2米，形成錨桿、錨索交叉，主動與被動支護聯合的方式加強頂板管理。

④采用錨網梁索加工字鋼棚聯合支護形式，基本能保證有效地控制頂板下沉，控制了巷道里幫片幫變形，但高應力集中還是會通過巷道弱面向巷道空間內進行釋放， 在底板較完整段會出現輕微的兩幫移近，在底板較松軟時則會出現較為明顯的底鼓。

⑤在15302軌道順槽后續的掘進過程中，出現工鋼棚輕微變形處，及時沿巷內掘進皮帶打設一排點柱，出現失效支護及時更換、修復，并嚴格按錨網支護要求，及時安裝頂板離層指示儀，加強頂板離層監測，每班由跟班隊長負責對壓力顯現段進行離層儀觀測，有變化及時匯報，采取措施，以防頂板事故發生。

4 結束語

通過不斷的試驗探索，逐步總結出了一套適合我礦井下生產條件的支護方式，有效控制了頂板，保證了巷道掘進安全，同時提高了掘進效率，為15302軌道順槽安全掘進提供了有力的技術保障。