近距離煤層采空區下煤巷支護技術研究

陳永昌 李志鵬

(大同煤礦集團朔州朔煤王坪煤電有限責任公司，山西 懷仁 038300)

1 概況

303盤區8301面布置于5#煤層中，由于5#煤層與51#煤層上下層間距為2.0～3.0m，所以在布置巷道時為了避開上覆采空區煤柱壓力影響，將工作面布置在壓力較小的51#煤層采空區下部，采取內錯式布置，5#煤層303盤區5301巷與上部51#煤層5301巷內錯8m，5#煤層303盤區2301巷與上部51#煤層2301巷內錯3.5m，切眼布置位置上部為實體煤。

該工作面煤層變化不大，平均煤厚1.9m，且煤層傾角小（約3～4°），構造少。5#層2301掘進工作面煤層頂底板情況如表1所示。

為滿足綜采設備安裝，皮帶順槽2301巷設計斷面為矩形，斷面寬為4.7m，高為2.8m，斷面面積為13.16m2；軌道順槽5301巷設計斷面為矩形，斷面寬為3.7m，高為2.8m，斷面面積為10.36m2。

表1 5#層2301掘進工作面煤層頂底板情況

2 支護方案

2.1 支護方案的確定

5#層2301掘進工作面煤層上覆頂板為泥巖，層間距為2～3m，且2301巷掘進工作面頂板受到51#煤層開采動壓的影響，造成了頂板節理裂隙明顯發育，降低了頂板的自穩能力、承載能力和完整性。在礦壓的作用下頂板的破壞沿著發育的節理裂隙繼續擴大，受頂板的節理裂隙擴大及頂板、上覆巖層雙重壓力作用下產生頂板下沉。因此，只有加強頂板自身承載能力，才能改變頂板的受力狀態，同時又能提高頂板的穩定性能。從錨桿支護的組合梁及懸吊作用原理分析，頂板控制的關鍵是[1]：

（1）組合梁理論：采用高強度及高預應力的錨桿，可以將5#層的頂板組成一個完整的組合梁，以提高該組合巖層的自承載能力。

（2）懸吊理論：由于上覆存在51#層的采空區，采用長錨桿和錨索懸吊無法在采空區下進行懸吊。因此，采用錨桿、錨索、礦用工字鋼梁是較好的選擇。

錨桿錨索吊11#礦用工字鋼梁支護斷面圖如圖1所示。

圖1 錨桿錨索吊11#礦用工字鋼梁支護斷面圖

2.2 錨桿、錨索吊礦用工字鋼梁支護原理

（1）高預應力錨桿、錨索支護能夠促使頂板進一步擠壓加固，增強頂板抗彎強度，形成強度更大的組合梁。因此，錨桿、錨索吊11#礦用工字鋼梁支護可迫使頂板形成加固的組合梁。

（2）巷道頂板在錨桿、錨索吊11#礦用工字鋼梁支護的預應力作用下，每根錨桿周圍都會形成錐形壓縮帶，而每個壓縮帶又彼此部分重疊，壓縮帶可以起到自承能力和支撐上覆巖層的作用。

（3）錨桿、錨索吊礦用工字鋼支護會促使所有錨桿、錨索共同作用形成一個整體，一旦有其中一根錨桿或錨索不起作用，11#礦用工字鋼梁又與其他錨桿、錨索分擔失效的錨桿（索）的作用，使支護更加安全可靠。

2.3 錨桿、錨索、11#礦用工字鋼梁支護可行性

2.3.1 支護作用機理

該組合式支護系統不僅可以改變巷道圍巖的受力狀態，而且還可以有效限制巷道頂板的變形量，并將頂板的變形延伸到巷道兩側。錨桿、錨索、工字鋼梁支護是一種理想的支護手段，不僅緊貼頂板，而且可以施加較大的預應力，實現主動支護。

2.3.2 支護的可行性

預應力錨桿可有效提高圍巖的殘余強度，充分發揮圍巖自身的承載能力。在錨桿的約束與抗剪作用下，使塑性破壞后易于松動的煤巖體形成具有一定承載能力并可適應圍巖變形的錨固平衡拱，從而提高頂板的整體性，防止頂板松散冒落。錨桿支護形成的錨固平衡拱是掘進迎頭空頂上方頂板自穩的基礎。因此，使用錨桿支護可以有效地阻止頂板松散冒落[2]。

巷道支護關鍵是頂板，巷道采用錨桿、錨索、工字鋼梁支護是完全有必要的。但是，考慮到頂板為泥巖復合頂板，同時上方為采空區的特殊條件，采用長錨索或增加錨桿長度的方法是不可行的，而錨桿、錨索吊工字鋼很好地解決了以上問題。

3 支護方式

3.1 臨時支護

掘進時采用機載前探梁臨時支護，不得空頂作業和超控頂距作業，工作時先進行敲幫問頂后再進入工作面，處理掉零皮、活矸、危巖，確認安全之后方可工作。

3.2 永久支護

（1）進入51#煤層采空區下部區域時，頂板每米支設2根螺紋鋼錨桿，垂直頂板支設，兩邊各支設1根3.0m長錨索，錨索與頂板夾角為50°，錨桿、錨索帶11#礦用工字鋼梁規格為3000mm，錨桿、錨索外帶100×60×10mm的小鐵托板，錨索再帶一個角度為50°的鐵托盤，采用直徑為50mm的圓鋼中間打孔加工。錨桿、錨索支護間排距為1000×900mm，頂板鋪設金屬網，規格為長5500mm，寬1200mm。如果頂板破碎或有壓力時在鋼梁兩端支設棚腿進行加強支護。

（2）掘進過程中，錨桿長度根據層間距厚度選用，層間距為2m以下時，頂錨桿采用1.7m長的螺紋鋼錨桿，層間距在2～2.5m以下時，頂錨桿采用2m長的螺紋鋼錨桿，層間距在2.5m及以上時，采用2.5m長的螺紋鋼錨桿。

（3）兩幫各打2排螺紋鋼幫錨桿，錨桿長度為1.7m，間排距為1500×1200mm。片幫嚴重時和頂板破碎時兩幫各橫鋪一道金屬網并與頂網連接緊固，巷幫無片幫和頂板完好時，兩幫不鋪網。

（4）頂板錨桿設定錨桿預緊力200N·m, 錨固力不小于80kN。

（5）錨索設計錨固力200kN，預緊力80～96kN。

（6）錨固方式及長度：頂錨桿使用2卷樹脂錨固劑，頂部安設1卷型號為MSCK-23-35的樹脂，下部安設1卷型號為MSK-23-60的樹脂，錨固長度為872mm；錨索使用3卷樹脂，頂部安設1卷型號為MSCK-23-35的樹脂，下部安設2卷型號為MSK-23-60的樹脂，錨固長度為1406mm。

（7）金屬網：頂板金屬網選用8#鍍鋅鐵絲編織的菱形網，網孔規格50×50mm。金屬網長度為5500mm，寬度為1200mm。

4 巷道變形監測

4.1 頂板離層監測

在掘進過程中在巷道中部每隔20m支一根信號木杠，并進行編號管理，在巷道中部每隔50m設一組頂底板觀測站和兩幫位移量觀測站，掛牌管理，進行定期和不定期觀察，定期為每10d進行觀測一次，填寫觀測臺賬，進行數據分析，對圍巖表面位移、頂板離層進行觀測。

4.2 支護效果分析

掘進巷道穩定后兩幫相對移近量小于50mm，頂板相對移近量小于100mm。采用錨桿、錨索吊工字鋼梁支護方式能有效阻止近距離煤層掘進巷道頂板離層、控制巷道圍巖變形，巷道掘進影響期20d，巷道圍巖能快速趨于穩定，支護質量較好。

5 結論

（1）由于近距離煤層頂板的特殊性，使工作面頂板難以維護，掘進施工難度大，在保證巷道斷面尺寸不變的情況下，采用錨桿、錨索吊工字鋼支護方式，大幅度節約了支護材料，降低了支護成本。

（2）從根本上改善了支護狀況，保證了安全生產，提高了掘進速度，提前了圈面的時間，確保了礦井的采掘順利接替。

（3）減輕了工人的勞動強度，改善了作業環境。