煤層回采巷道位置的確定和支護技術研究

劉俊卿

（山西煤炭運銷集團泰山隆安煤業有限公司，山西 忻州 036603）

引言

回采巷道的主要作用是形成采煤工作面以及在工作中提供一系列輔助功能，如開切眼、運輸巷和回風巷等。如何確定回采巷道位置，如何對回采巷道進行支護是采煤過程中需要注意的關鍵問題。

1 煤層回采巷道位置的影響因素分析

1.1 應力傳遞角的影響分析

應力傳遞角主要從兩個方面對回采巷道位置的確定產生影響。從一方面來說，應力傳遞角會受到煤柱寬度的影響。通過Flac3d的數據處理軟件對相關數據進行初步處理，再使用Tecplot軟件進行深度處理，可以得出垂直應力在不同煤柱條件下的應力等值曲線［1］。垂直應力等值線可以具體展示不同寬度煤柱條件下應力的傳遞趨勢，此外還可以通過應力降低區域分界線對相關數據進行更加全面的處理，以便得出更加精確可靠的結果。如果還需獲得應力傳遞角的精準規律，可以通過擬合應力降低區域分界線相關數據，計算出與之對應的線性回歸方程。從另一方面來說，應力傳遞角還會受到應力集中系數的影響，會移動造成應力降低區域分界線，進而使該分界線到煤柱邊緣的距離改變，導致回采巷道位置受影響。即使煤柱條件相同，不同應力集中系數對應力傳遞角的影響也是不一樣的，因此需對其進行更加深入地研究分析。

1.2 應力梯度的影響分析

應力梯度與應力傳遞角相同也是從煤柱寬度和應力集中系數兩個方面對巷道產生影響的。通常情況下，應力降低區域內，底板巷道的形變較小，但是在部分情況下并非如此，因此需要在實際中對應力降低區域之外的范圍進行垂直應力的變化分析，得出相應的變化梯度。應力梯度大小的變化情況應該將圍巖應力梯度增加量作為標準來進行評估，根據相應的梯度方程，可以得出煤柱邊緣到煤柱外原巖應力梯度的距離，該距離就是確定回采巷道位置的最小距離。在煤柱相關條件不變時，煤柱和底板承受的壓力會隨應力集中系數的改變而改變，對應力梯度在一定范圍內造成影響，進而使回采巷道位置的確定出現偏差。

1.3 小煤柱留巷產生的影響分析

留設小煤柱既要布置到應力降低區，還要保證彈性核心區能夠處于穩定狀態。在采煤工作面完成回采后，小煤柱受到的壓力變大，如果缺少巷道支護設施，就會使小煤柱變成孤島煤柱，經過高壓作用，煤柱會在煤體崩壞后發生失穩。小煤柱不同于大煤柱，其垂直應力降低區分布存在一定自我特點，分界線處于煤柱下方，應力梯度明顯相比大煤柱來說較小［2］。

2 煤層回采巷道的位置確認分析

這里以極近距離煤層作為實例，具體分析確定回采巷道位置的方法。一般來說，回采巷道能夠確定基本層位，也可以確定下煤層與煤柱之間的距離，所以關鍵點在于煤柱與應力梯度邊緣的距離。根據前文所述，煤柱邊緣與應力降低區域分界線的水平距離xf以及煤柱邊緣與應力梯度降低區的水平距離xt是界定煤柱位置的兩個關鍵標準。從巷道維護和圍巖穩定性的角度出發，回采巷道位置應該根據兩者之間距離值較大的來確定。由此可以得出一個計算煤柱邊緣到應力降低區距離的公式：

式中：xf為煤柱邊緣到應力降低區域分界線的距離；hf為上煤層底板深度；a為煤層傾斜角；b為底板垂直應力傳遞角；xf0為煤柱邊緣到應力降低區域的最小距離。值得注意的是，根據垂直應力梯度的相關要求，煤柱邊緣距離回采巷道的最小距離要高于xt。因此，煤柱邊緣到回采巷道的最低水平距離合理范圍在xf到xt之間，以此確定回采巷道的位置分布［3］。

3 煤層回采巷道的支護理論分析

3.1 新奧法支護理論

支護理論的應用是巷道支護的重要環節，清楚巷道圍巖形變規律、掌握破壞因素、理解圍巖與支護體的深層聯系、了解支護對象在支護方案中所占據的重要地位。新奧法支護理論傳入我國的時間是在20世紀70年代末，主要運用于水電、鐵路和煤炭等領域。在新奧法的運用過程中，根據我國實際情況，對新奧法進行了完善和發展，并形成了體系的支護原則，比如使用光面爆破；錨噴支護進行圍巖加固，提高圍巖自承能力并形成承載圈；通過混凝土對巷道及時實施封閉，進行密貼支護；還可以進行二次支護；實施動態設計以及動態施工。

3.2 聯合支護理論

聯合支護理論的基本論調是在深部軟巖巷道中，如果單純依賴提高支護體剛度，則對圍巖形變無法形成有效控制。需要剛柔適度，協調合理穩定支護。在此理論基礎下的支護方式主要有錨噴網加支架支護和錨梁網加支架支護等聯合支護方式。聯合支護理論主要在支護條件較為困難的環境中使用，但在不斷實踐的過程中，該理論的實用性受到了一定挑戰，相應支護方式需進行多次維護和翻修。

3.3 松動圈支護理論

松動圈支護理論是較為實用的支護理論，其認為圍巖帶在受到超過圍巖極限強度的應力時，會發生弧形破裂，也被稱之為圍巖松動圈。不同的地質條件和應力情況形成的圍巖松動圈也不同，巷道支護需要根據實際情況選擇相應的支護方式。松動圈支護理論直觀簡單，運用方便，但是卻存在兩個問題，一是在井下很難界定松動圈的范圍，二是巷道支護是否會對松動圈造成負面影響還尚無具體研究。

4 煤層回采巷道支護方式分析

4.1 錨桿錨噴支護

錨噴支護方式主要是通過噴射混凝土對巷道實施封閉，進行密貼支護，將自然因素對圍巖強度的影響降至最低。錨桿能夠發揮主動加固作用，可以對圍巖進行及時支護，提升圍巖本身自承性能。錨桿錨噴支護能夠對巷道起到有效的支護效果，是一種具有貼合深部軟巖巷道特點的支護方式。但是，錨桿錨噴支護必須選擇合理的形式與相關參數，才能取得預想中的效果，否則可能發生冒頂事故。

4.2 U型鋼可縮性支架支護

就國內實際情況來說，在許多煤礦中都廣泛運用了U型鋼可縮性支架。U型鋼擁有優良的幾何參數和斷面形狀，在U型鋼進行搭接后能夠易于收縮。只要選擇合理的支架設計，運用正確的方式進行組件連接，就能夠使支架具有優良的力學性能，能夠滿足支護需求。我國主要有U25、U29和U36等幾種材料來制造U型鋼可縮性支架，可以分為封閉型和不封閉型兩類。U型鋼可縮性支架是一種被動的支護方式，制造成本費用較高，實際應用也比較困難。

4.3 灌漿加固

灌漿加固是通過鉆孔灌充漿液，將圍巖破碎的內部固結起來，重塑圍巖內部結構，優化圍巖內部力學性能，提高圍巖自身的承載能力，起到支護作用。目前我國圍巖灌漿加固的材料主要有兩種，一是水玻璃和水泥混合材料，另一類是高分子材料，比如環氧樹脂、不飽和聚酯和聚氨酯樹脂等。

4.4 復合支護

復合支護是將多種支護方式進行交叉使用，對巷道形成聯合支護。多種支護方式聯合使用，可以彌補單一支護方式存在的缺陷，為回采巷道提供強力穩定的支護。復合支護的方式多種多樣，有錨噴加灌漿加固、錨噴加U型鋼支架、錨噴加灌漿加固加U型鋼支架等。復合支護的使用范圍及其寬廣，支護效能也遠超單一支護。但是復合支護也存在一定的缺點，其所需費用很高，實現難度很大，對于中小企業而言不是優先的選擇。

5 結語

煤炭是我國重要的能源，在采煤過程中，如何準確界定回采巷道的位置，以及對其進行支護，這些問題都值得深入探討。影響回采巷道位置的因素眾多，對回采巷道的支護方式也很多，這就需要結合煤層實際情況，對回采巷道進行準確定位，并選取合理的支護方式。

［1］ 朱閏生.極近距離煤層回采巷道合理位置確定與支護技術［J］.煤炭科學技術，2012，40（4）：20－21.

［2］ 楊東輝.深部近距離中厚煤層群礦壓顯現規律及巷道支護技術研究［D］.河南：河南理工大學，2012：7；15.

［3］ 張川.軟弱特厚煤層綜放回采巷道支護技術研究及應用［D］.山東：山東科技大學，2011：17；22.