極近距離煤層群下行開采下部煤層巷道支護方式研究

任海峰 李樹剛 邱繼生 胡俊峰

(1. 西安科技大學，陜西省西安市，710054;2.韓城礦業公司，陜西省韓城市，715405)

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極近距離煤層群下行開采下部煤層巷道支護方式研究

任海峰1李樹剛1邱繼生1胡俊峰2

(1. 西安科技大學，陜西省西安市，710054;2.韓城礦業公司，陜西省韓城市，715405)

極近距離煤層群下行開采過程中下部煤層巷道圍巖應力復雜，頂板破碎程度嚴重。分析了下部煤層巷道圍巖應力情況及頂板破碎程度，針對巷道圍巖應力情況，運用結構力學方法計算拱形支護和矩形支護方式的彎矩、剪力等力學性能，得出采用拱形支護體系時，巷道圍巖應力狀況將會得到明顯改善。拱形錨網索支護方法應用于下峪口煤礦，監測結果表明，巷道采用拱形支護體系效果良好。

極近距離煤層群 支護方式 下行開采 圍巖應力

極近距離煤層群下行開采過程中，采動影響范圍大。由于煤層間距極近，下部煤層的頂板即為上部煤層的底板，下部煤層開采前頂板已受上部煤層采動的影響而破壞，從而使下部煤層巷道支護難度加大。研究極近距離煤層群采空區下巷道的支護方式，確定合理的支護方案，提高巷道支護質量，無論是對保障安全生產，還是對增加經濟效益，都具有重要意義。

1 極近距離煤層群采空區下巷道圍巖特點

極近距離煤層群下行開采過程中，下部煤層巷道頂板主要受上部煤層底板破壞帶和煤柱產生的高應力影響，下部煤層頂板的完整性受到了一定程度的影響。

1.1 圍巖應力不均勻性

上部煤層開采后，在煤柱附近的頂底板中會出現應力集中現象，采空區上覆巖層載荷通過煤柱傳遞到煤柱附件的底板，在底板產生應力集中現象。距離底板越近，應力集中程度越大，自底板從上往下，隨著距離的增大，應力集中程度逐漸降低。煤柱應力變化如圖1所示。

圖1 煤柱應力示意圖

由圖1可知，煤柱附近底板的應力具有如下特征：

(1)水平應力升高。通常在煤柱下方兩側會出現較高的水平應力，主要是因為煤柱兩側采空區應力卸載，同時煤柱正下方支承壓力增高，使煤柱下方底板的應力狀態發生改變。煤柱正下方巖體受高應力的作用，發生側向變形，造成其兩側巖體受水平擠壓作用，水平應力升高。這一應力分布特征使得下部煤層巷道受側壓力影響較大。

(2)垂直應力分布不均勻。由于上部煤層煤柱的影響，在上部煤層底板(即下部煤層巷道頂板)的同一水平面，其垂直應力分布具有非均勻性特征，離煤柱邊緣水平距離越近，垂直應力越大，離煤柱邊緣水平距離越遠，垂直應力越小。這一應力分布特征使得下部煤層巷道頂板受力不均勻。

1.2 頂板巖石破碎性嚴重

上部煤層回采過程中，底板受到工作面前方支承壓力的影響，底板巖層先處于壓縮狀態，工作面推過后變為膨脹狀態，隨著采空區矸石冒落不斷壓實，又呈壓縮狀態，產生反向位移，底板巖層產生了層向裂隙。底板在壓縮、膨脹、再壓縮的位移過程中產生了豎向裂隙。下部煤層開采前其頂板已是裂隙縱橫。

由于上下兩層煤的距離極近，加之下部煤層巷道開挖也會造成其圍巖塑性變形，巷道開挖產生的裂隙與上部煤層的采動裂隙相互貫通、交織，使得頂板巖層破碎現象嚴重。

2 支護方式選擇

與單一煤層巷道相比，極近距離煤層群采空區下巷道圍巖應力情況、破壞情況更加復雜多變。

2.1 非均勻載荷作用下支護方式選擇

極近距離煤層群下部煤層巷道受斜上方煤柱應力的影響，使得巷道水平應力升高，同一水平面的垂直應力分布不均勻，這是下部煤層巷道頂板受到非均勻應力的主要影響因素。

2.1.1 非均勻垂直應力作用下矩形支護方式受力分析

在非均勻垂直應力作用下，若下部煤層巷道采用矩形支護，頂梁的非均勻垂直應力作用力學模型如圖2所示。

圖2 非均勻垂直應力作用下矩形支護力學模型

取λ>0，以A點為原點建立坐標系，則梁上的最大彎矩和最大剪力值為：

式中：Mmax——頂梁上的最大彎矩，N·m；

λ——頂梁載荷非均勻系數；

A——截面的面積，m2；

q——載荷集度，N/m；

l——支護體頂梁長度，m；

Fsmax——頂梁上的最大剪力，N。

2.1.2 側壓力與非均勻垂直應力作用下拱形結構支護方式受力分析

拱形結構支護方式的力學模型如圖3所示。

圖3 側壓力及非均勻載荷作用下拱形支護形式力學模型

根據結構力學方法求出拱形支護結構中任一截面的彎矩和剪力。

任一截面的彎矩為：

(3)

式中：M°——對應的相同荷載相同跨度矩形支護結構頂梁所對應的彎矩，N·m；

E——材料的彈性模量，N/m2；

I——截面的慣性矩，m4；

φ——拱軸線與水平線間的夾角，(°)。

任一截面的剪力為：

式中：F°s——相同荷載相同跨度下矩形支護結構頂梁所對應的剪力，N。

2.1.3 拱形支護方式與矩形支護方式比較

在實際工程中，矩形支護具有方便施工、斷面利用率高等方面的優點。但是當巷道處于非均勻垂直應力作用下時，由式(1)、式(2)可知，在非均勻垂直應力作用下，頂板上的彎矩及剪力沿跨度分布不均勻，并且λ越大，不均勻性也越大。頂梁B點受力較A點大，容易出現局部過載，導致支護體系沒有充分發揮支護作用。上部煤層煤柱支承壓力在底板中具有非均勻性特征，導致下部煤層中的巷道頂板離煤柱較近的一側水平應力、垂直應力較大，如果采用矩形支護，容易造成局部過載。采用矩形支護時，最大彎矩和最大應力可導致截面的支護材料不能充分發揮支護作用，不僅浪費材料甚至會產生支護體系失穩。

若采用拱形支護，根據式(1)、(2)、(3)和(4)可知，拱形支護結構中由于水平推力的存在可將矩形支護下受彎為主的結構變成受壓為主的結構，內力和應力分布更加均勻合理，因此對于極近距離煤層群下行開采而言，巷道頂板受斜上方非均勻荷載作用明顯時，不宜采用矩形支護形式，宜采用拱形支護形式。

2.2 破碎圍巖支護方法選擇

極近距離煤層群下行開采下部煤層巷道常用的支護方法有錨網索支護、注漿加固、金屬支架支護等方法。錨網索支護的主要作用在于控制錨固區圍巖的離層、滑動等現象，控制裂隙進一步擴散。拱形錨網索支護能夠形成承載能力較強的承載結構，可達到提高圍巖整體性和穩定性的目標。

在實際工程中，采用拱形錨網索支護時，錨桿產生的壓應力使巷道破碎的圍巖之間相互“楔緊”，在巷道周圍形成拱效應，促使圍巖形成壓力拱。壓力拱使得巷道斜上方的應力傳遞路線發生偏轉，最大主應力沿拱形支護體系形成了環狀壓力拱，從而充分發揮圍巖自我承載能力，使得作用于巷道徑向壓力減小，切向壓力增大，對巷道起到支護作用。

如果單獨采用錨網索支護難以達到預期支護效果，可采用注漿加固和錨網索支護相結合的辦法，通過注漿將漿夜充填到裂隙內，將破碎的巖石固結起來，一方面提高圍巖的整體強度，另一方面提高錨桿、錨索的錨固性能。

如果無法通過技術方法使錨桿形成拱形支護結構，也可采用可伸縮金屬支架支護，斷面選用拱形。

3 工程應用

3.1 地質概況

陜西韓城礦業公司下峪口煤礦井田主要含煤層分別為石炭系的太原組和二疊系的山西組組成。山西組含煤六層，煤層編號自上而下為：1號上、1號、2號上、2號、3號、3號下。3號煤為主采煤層，3號下為局部可采煤層。太原組含煤七層，分別為5號、6號、7號、8號、9號、11號、12號。3號下煤層距上部3號煤層8～14 m，平均間距10 m左右。煤巖石層綜合柱狀圖如圖4所示。

圖4 煤巖層綜合柱狀圖

3.2 支護方案設計

下峪口礦3號煤層和3號下煤層屬于極近距離煤層，采用下行開采。23305下工作面回風平巷位于3號下煤層，受上部煤層煤柱的影響，巷道靠近煤柱一方的水平應力較高，垂直應力分布也不均勻，靠近煤柱一方的垂直應力較大。若采用矩形支護，則易造成支護體系失穩；若采用拱形支護，支護體系頂部的彎矩和剪力明顯小于矩形支護體系。因此該巷道采用拱形支護。巷道頂板受到巷道開挖破壞和上部煤層采動破壞雙重影響，頂板破碎嚴重。綜上所述，巷道采用拱形錨網索支護方式。

設計過程首先根據組合拱理論進行支護參數設計，然后結合礦上的實際情況，采用工程類比法對支護參數做適當調整。

3.2.1 頂板錨桿參數

(1)頂板錨桿長度。根據松動圈厚度，計算得出頂板錨桿長度為3 m。

(2)錨桿直徑。按桿體承載力、錨固力強度等參數，取錨桿直徑22 mm。

(3)錨桿間排距參數。經計算錨桿最大荷載密度為125 kN/m2。間排距計算值為0.78 m，取0.7 m。

3.2.2 頂板錨索參數

(1)計算得錨索長度為8.7 m；由于在采空區下進行巷道掘進，頂板厚度在10 m左右，根據現場情況采用6 m長的錨索。

(2)錨索間排距計算得出為2.23 m，實際確定為2.2 m。根據錨桿間距，三排錨桿布置一排錨索。

3.2.3 幫部支護參數

經計算錨桿有效長度為1.9 m。根據松動圈厚度和現場實際情況，調整錨桿長度為2.5 m。錨桿間排距取0.7 m。錨桿直徑計算值為20 mm。錨固長度確定，通過計算并根據現場測得的巖石力學特性，錨固長度取1 m。巷道斷面支護示意圖如圖5所示。

3.3 支護效果分析

運用錨桿測力計監測了頂板的礦壓變化，運用頂板離層儀監測了頂板位移量。經過為期50 d的觀測，礦壓觀測結果表明，在監測裝置安裝后的8～18 d內，壓力增加較明顯，后期趨于穩定。頂板位移監測表明，頂板初期變形較快，后期趨于穩定，頂板位移量在在42～70 mm之間。監測結果表明該巷道采用拱形錨網索支護效果良好。

圖5 巷道斷面支護示意圖

4 結論

(1)極近距離煤層群下行開采過程中，下部煤層巷道受上部煤層煤柱高應力影響，巷道受力具有非均勻性，采用拱形支護時，可使巷道最大主應力沿拱形支護體系形成環狀壓力拱，改善巷道受力環境。

(2)采用拱形錨網索支護可將破碎巖體通過擠壓形成承壓拱，充分調動圍巖的自我承載能力。

(3)極近距離煤層群下部煤層巷道采用拱形錨網索支護方案能有效地控制巷道的變形，保證安全生產。拱形錨網索支護方式對于控制極近距離煤層群下部煤層巷道變形具有一定的合理性和科學性。該支護方法對于破碎頂板、非均勻載荷頂板等也有一定的推廣價值。

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(責任編輯 陶 賽)

Researchonroadwaysupportmodeoflowercoalseamintheextra-closedistancecoalseamgroupwithdownwardmining

Ren Haifeng1， Li Shugang1， Qiu Jisheng1， Hu Junfeng2

(1. Xi'an University of Science and Technology， Xi'an， Shaanxi 710054， China;2. Hancheng Mining Industry Corporation， Hancheng， Shaanxi 715405， China)

The surrounding rock stress of roadway in the lower coal seam in extra-close distance coal seam group with downward mining was complicated， and the roof destructiveness was serious. The stress condition of surrounding rock in the lower coal seam and the fracture degree of roof were analyzed. Then aiming at the stress situation of roadway surrounding rock， using structural mechanics method， the arch and rectangular support bending moment， shearing force and other mechanical properties were calculated， and it was concluded that surrounding rock would be enhanced significantly when using the arch support system. The arched anchor net cable support method was successfully used in Xiayukou Mine. The monitoring results indicated that arch support system had a favorable effect at roadways.

extra-close distance coal seam group， support mode， downward mining， surrounding rock stress

國家自然科學基金(51404190)

任海峰，李樹剛，邱繼生等. 極近距離煤層群下行開采下部煤層巷道支護方式研究 [J]. 中國煤炭，2017，43(8)：52-55,104. Ren Haifeng， Li Shugang， Qiu Jisheng， et al. Research on roadway support mode of lower coal seam in the extra-close distance coal seam group with downward mining [J]. China Coal，2017，43(8)：52-55,104.

TD353

A

任海峰(1970-)，男，陜西蒲城人，博士研究生，高級工程師，主要從事煤礦安全方面的研究。