柳林礦區近距離煤層回采巷道支護技術研究

文/李根威賀全智

柳林礦區近距離煤層回采巷道支護技術研究

文/李根威賀全智

近距離煤層群下行開采時上組煤的底板變為下組煤的頂板，受上組煤采動影響，下組煤圍巖節理裂隙擴張，整體承載能力下降。下組煤巷道普遍存在支護困難，后期維護工作量大，成本高，安全效益差的問題。國內針對下層煤開采時巷道變形規律，從合理布置巷道和支護方面綜合優化設計，取得良好的支護效果。柳林礦區上組煤在資源整合之前多數為鄉鎮小礦，刀柱式開采、以掘代采等非正常順序開采上層煤，導致采空區和煤柱布置不規范。下組煤巷道布置很難避開采空和煤柱應力的影響，回采巷道在4#煤采空區和煤柱下方穿梭，先期采用錨網索支護，回采過程中斷面收縮嚴重，擴巷工程量巨大，影響正常回采工作。后期不斷總結經驗，各礦互相借鑒，總結出一套可靠的支護方法。

一、地質概況

柳林礦區位于屬鄂爾多斯聚煤盆地東緣的河東煤田中段，礦區主要含煤地層為石炭系上統太原組和二疊系下統山西組，二疊系下統山西組是一套由砂巖、泥巖、砂質泥巖和煤層組成的陸相含煤建造，4、5號煤層為穩定可采煤層，4#煤厚4.16～4.85m，5#煤厚2.97～4.19m，層間距2.85～3.93m，頂板以泥巖為主，局部賦存砂巖，煤層柱狀示意圖如下所示。

煤層柱狀圖

二、巷道支護技術

1.初期支護方案和實際支護效果

（1）5#煤回采巷道支護方案。柳林礦區26座礦井在初步設計時巷道支護基本采用直徑為20mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，長度為2.2～2.5m，間距800mm；兩幫錨桿直徑18～22mm，長度為1.8～2m，間距為800～900mm，錨桿排距為800～900mm。每隔三排錨桿即2.7m安裝兩套直徑17.8mm，間距為2000mm，長度不超過層間距的小孔徑預應力（160KN)錨索加強支護，頂板及兩幫配套相應尺寸的鋼筋梯子梁和鋼筋網片，防止局部冒落，提高巷道整體支護剛度。

（2）5#煤回采巷道實際支護效果及分析。依據對所選3座煤礦回采巷道變形情況的長期觀察，巷道的變形量主要集中在兩個階段。

第一階段為巷道開挖40～60天期間，變形主要發生在采空區下方巷道，兩幫下側開始凸出，之后底鼓顯現，頂板偏向一側下沉，巷道兩幫平均移進量260mm，頂底板平均移近量340mm；布置在殘留煤柱下方的巷道，本階段變形不明顯。

第二階段發生在回采期間，超前工作面70m范圍內巷道變形嚴重，出現錨桿尾部斷裂，托盤壓突的現象，兩幫由局部鼓出發展到整個煤幫，兩幫平均移近量約1.5m，頂底平均移近量1.4m；煤柱下方巷道礦壓顯現劇烈，超前支護段單體柱頂梁折損嚴重，插底深度超過0.6m。相鄰工作面巷道（30m保護煤柱）受側向支撐壓力影響也出現相同的變形規律。

結合礦山壓力理論，認為巷道開挖后，薄板在初期受錨桿支護的約束，能形成穩定的承載結構；后期兩幫煤體擴容外凸，頂部泥巖裂隙擴展，薄板完整性遭到破壞，承載方式由兩端固支變成簡支，巷道中部極易受拉破壞；殘留煤柱下方頂板裂隙貫穿整個泥巖薄板，在掘進當時就出現嚴重冒落，故第一階段顯現不明顯。第二階段，受超前支承應力影響，巷道出現二次變形，煤體由于強度較低，鼓出嚴重；煤柱殘留區下方巷道受超前支承應力和煤柱應力疊加影響，兩幫煤體塑性區向圍巖深部發展，一旦達到峰值應力，極易裂成塊狀，殘余支承能力顯著下降，兩幫大面積擠出，頂板下沉顯著。

2.架棚二次支護

柳林礦區采用大U型通風系統，巷道掘進采用雙巷掘進，巷道掘成后服務時間在8個月以上，單一的錨網索支護只能在短期內確保巷道圍巖穩定，為確保巷道在整個服務期間安全可靠，采用錨網索+架棚復合支護技術。一次性完成錨網索和架棚支護是許多煤礦在先期的主要做法，后期發現巷道變形問題仍不能從根本上得到解決，不論是采用矩形巷道還是拱形巷道，棚架的變形和損壞都相當嚴重，往往需要二次刷巷支護。總結礦區架棚支護失敗經驗，發現棚架支護阻力有限，關鍵是要提高圍巖自身承載能力，適時架棚給予破碎巖體充足的圍壓，發揮圍巖殘余支撐能力。

（1）兩幫補打錨索。在錨（索）網支護基礎上，兩幫加錨索固幫，減少兩幫施加給棚架的橫向推力，錨索錨固端以進入兩幫煤體彈性段為宜。利用鉆孔窺視儀觀察兩幫鉆孔裂隙和變形情況，發現距離煤幫3.5m后鉆孔變形和裂隙變化不明顯（回采前），根據現有的施工技術，兩幫采用長度5.8m，直徑17.8mm錨索，錨固長度大于1.8m，預緊力不得低于160KN。

（2）薄板泥巖結構尚未破壞區域，第一階段巷道圍巖變形穩定后架棚支護。架棚過早，第一階段圍巖變形容易壓彎棚架，扭曲的棚架支護阻力顯著下降，失去對圍巖的抵抗能力，架棚過晚，頂板泥巖破壞后冒落范圍擴大，架棚背板工程量增加，棚架與圍巖之間受力不均。

（3）薄板泥巖結構破壞區域，掘進期間頂板容易冒落，錨（索）網支護后，要及時架棚支護，背板嚴實。架棚支護的關鍵在于保證棚架結構恒定的支護阻力和良好的變形讓壓性能，既要求棚架能發揮最大的支撐作用，也要求在壓力較大的情況下棚架能夠讓壓，防止折損，保持對破碎圍巖恒定的抵抗力。

（4）拱形巷道采用U型鋼可升縮支架，棚腿打孔插入錨桿緊固，架間鋼筋連鎖，提高整體剛度。U型鋼排距以與錨桿排距相同為宜，棚架型號不得低于29#，卡纜緊固有力，阻力不得低于140KN。矩形巷道采用單體柱+一字鉸接頂梁支護，單體柱直徑不得低于100mm，壓力較大時，需及時補打點柱，防止頂梁損壞。

（5）相鄰巷道受側向支承壓力的影響，容易壓彎棚架，回采期間距離回采工作后方120m范圍內應加強支護。

（6）拱形斷面在掘進時需要切割一定厚度的頂板泥巖，在頂板較薄的前提下，再次切割容易降低頂板承載能力；拱肩兩處的煤體自穩能力差，容易片落，不利于錨桿支護，架棚時背板工作量大；回采期間拱形巷道超前支護困難，坑木損耗較大，建議使用矩形巷道，錨（索）網一次支護，單體柱抬棚二次支護，具有成型良好、后期拆除快捷、勞動消耗小、重復利用高的優點。

三、結論

柳林礦區特殊的薄板泥巖結構，在經受4#煤采動應力以及殘留煤柱集中應力影響下，下組5#煤巷道穩定性較差，巷道變形的階段性決定巷道支護宜采用復合分段支護，錨網索為基礎支護，煤幫補打錨索加強支護，架棚二次支護，棚架結構可靠的支撐阻力和讓壓性是確保巷道二次變形時穩定的關鍵。現場實踐證明，采用分段支護后，礦區內回采巷道大面積破壞的現象基本消失，分段式雙重支護既經濟又安全，值得推廣。

（作者單位：呂梁學院礦業工程系)

（責任編輯：周瓊）