近距離煤層工作面巷道支護技術的研究

呂 晨

（同煤集團綜采辦， 山西 大同 037001）

引言

在全國范圍內，近距離煤層分布廣泛。但是近距離煤層在開采過程中面臨著很多技術難題，開采難度相對較大[1-2]。巷道支護作為保障工作面安全的重要措施和手段，進行近距離開采時巷道支護難度也隨之提高。因此，針對近距離煤層開采過程中的巷道支護技術進行深入的分析和研究，以提升相關的技術水平，對于保障工作面掘進過程的安全有著非常重要的實踐意義和理論意義[3]。本文以某近距離煤礦巷道支護為例，在充分考慮近距離煤層圍巖特征的基礎上，設計研究了工作面巷道支護方案[4-5]。該方案在實踐中取得了較好的應用效果，可以為相似巷道支護提供經驗借鑒。

1 近距離煤層工作面巷道情況的介紹

某煤礦當前階段正在開采的5 號煤層已經幾乎開采完畢，接下來需要對10 號和12 號煤層進行開采，此兩個煤層屬于近距離煤層。為了確保后續工作的順利推進，亟需對10 號和12 號煤層的巷道支護方案進行研究。10 號煤層所屬區域的巷道圍巖為碎屑性質。煤層埋深在234.37～453.37 m 范圍內，平均埋深為331.44 m。煤層的厚度范圍為1.43～6.68 m，煤層平均厚度為3.42 m。巷道頂板和地板圍巖屬于泥巖性質。12 號煤層巷道圍巖同樣屬于碎屑性質。煤層埋深范圍為232.82～442.13 m，平均埋藏深度為293.11 m。煤層厚度范圍為0.93～2.09 m，煤層平均厚度為1.34 m。頂板和地板分別為深灰色石灰巖和泥巖。12 號煤層西北部區域與10 號煤層距離非常近，與之合并。近距離工作面巷道支護存在其自身特點，難度有所提升。煤礦接下來準備先對10 號煤層進行開采。因此，首先對該煤層工作面巷道支護方案進行研究，為12 號煤層工作面巷道支護提供經驗借鑒。10 號煤層為矩形巷道，寬度和高度分別為4.65 m 和2.6 m，巷道截面面積為12.09 m2。

2 工作面巷道支護方案的確定

2.1 頂板支護方案

頂板采用的錨桿為左旋無縱筋剛錨桿，錨桿規格尺寸為直徑20 mm，長度2 m。每排設置5 根錨桿，間距和排距全部設置為1 m。通過樹脂錨固劑進行加強錨固，錨固的長度為1.3 m。每根錨桿使用兩支樹脂，型號分別為MSK2360 和MSCKa2335。錨固過程中還需要配合使用拱形托盤和球形墊圈，此兩件配件都必須有較高的強度，其中拱形托盤尺寸為150 mm×150 mm×80 mm。靠近兩幫的錨桿偏移20°角進行安裝，其余部位錨桿全部進行垂直安裝。

錨索采用的是高強度鋼絞繩，規格為直徑17.8 mm、長度6 m，間距和排距全部為2 m，整體上以“2—1—2”的形式進行布置，錨索所處位置與兩幫之間的距離為1 325 mm。同樣通過樹脂錨固劑進行加強錨固，每根錨索使用的樹脂數量為3 支，其中2 支為MSK2360，1 支為MSCKa2335。配合使用可調心大托盤，要求具備較高的強度，托盤尺寸為250 mm×250 mm×16 mm。

菱形金屬網通過直徑1.6 mm 的鐵絲進行制作，菱形網孔規格為0.1 m×0.1 m。金屬網整體的規格尺寸根據實際使用情況進行裁剪，在鋪設金屬網時必須確保拉緊鋪平。如果需要進行搭接時，搭接長度不得低于0.1 m。

2.2 兩幫支護方案

采用的錨桿規格、錨固方式與頂板全部相同，每排設置3 根錨桿，間距和排距分別為0.9 m 和1 m，起錨高度設置為0.5 m。錨固過程中配合使用拱形托盤，托盤尺寸為150 mm×150 mm×80 mm。靠近頂板的錨桿偏移20°角進行安裝，其余錨桿全部垂直安裝。菱形金屬網通過直徑3.25 mm 的鐵絲制作，菱形網孔規格為0.05 m×0.05 m。金屬網整體的規格尺寸根據實際使用情況進行裁剪，在鋪設金屬網時必須確保拉緊鋪平，如果需要進行搭接時，搭接長度不得低于0.1 m，見圖1。

圖1 10 號煤層工作面巷道支護斷面圖（單位：mm）

3 工作面巷道支護方案的模擬分析

3.1 軟件選擇及模型建立

為驗證本文設計的工作面巷道支護方案的有效性，利用FLAC-3D 有限元仿真模擬軟件對支護方案進行計算分析。模型建立過程中需要輸入前期巷道圍巖勘測數據，以期得到真實的巷道圍巖變形情況。頂板和兩幫支護方案按上述技術參數執行。需要說明的是，為了保障計算過程的順利進行并縮短模型計算時間，在建立模型時進行了一些假設，比如假設巷道圍巖具有相同的物理屬性等。

3.2 仿真模擬結果分析與討論

根據建立的有限元模型進行模擬仿真，并提取相關的計算結果。如圖2 和圖3 所示分別為工作面巷道圍巖在水平方向和垂直方向上的位移和應力分布情況。從圖中數據可以看出，巷道圍巖在水平方向上的最大位移量為29.44 mm，最大的應力值為5.8 MPa。在垂直方向上，巷道圍巖的最大位移量為45.73 mm，最大應力值為13.7 MPa。巷道圍巖在垂直方向上的位移和應力比水平方向上大，但均在合理范圍內。基于模擬仿真結果可以看出，本文設計的工作面巷道支護方案能夠達到理想的效果，巷道圍巖不管是在水平方向還是在垂直方向上的位移和應力情況都在合理的范圍內，不會對工作面的安全構成威脅。

4 工作面巷道支護方案實踐效果研究

基于模擬仿真結果可以看出，本文設計的工作面巷道支護方案能夠滿足實際使用需要，可以將其應用到工業實踐中。因此，在煤礦10 號煤層開采過程中，通過本文設計的巷道錨固支護方案進行支護處理。以下對該方案在實踐過程中的效果進行介紹和分析。

圖2 工作面巷道圍巖在水平方向上的位移和應力分布情況

圖3 工作面巷道圍巖在垂直方向上的位移和應力分布情況

4.1 工作面巷道變形量監測方案

在10 號煤層正式開采過程中，沿著巷道方向均勻布置了3 個監測點，相鄰監測點的間距設置為20 m。監測點的設置不得對正常掘進過程造成影響。監測點頂底位移變形情況以及兩幫位移變形情況測量方法見圖4。這種測量方法稱之為“十”字布點測量法，分別測量AO、BO、CO 和DO 之間的距離就可以計算得到頂底板移近量和兩幫移近量。在前面一段時間監測密度可以適當加大，每天進行1 次監測，待巷道變形穩定后，則可以適當降低檢測密度，每周進行1～2 次監測即可。整個巷道變形量監測過程持續3個月。

圖4 工作面巷道變形量檢測方案示意圖

4.2 工作面巷道變形監測結果分析

如下頁圖5 所示為工作面巷道頂底板和兩幫移近量隨時間的演變曲線。從圖中的演變曲線可以看出，在剛開始階段巷道兩幫的移近量情況非常顯著，平均每天的移近量達到了2.13 mm。直到近50 d 以后巷道兩幫移近量才逐漸趨于穩定，在第82 d 時兩幫移近量達到了最大值，為118.12 mm。巷道頂底板移近量與兩幫移近量的變化趨勢基本相同。但實際移近量卻要小很多，幾乎只有兩幫移近量的50%左右。剛開始階段，巷道頂底板之間的移近量速度為每天1.3 mm，50 d 以后，頂底板移近量開始趨于穩定，達到85 d 時頂底板移近量達到了最大值，為67.56 mm。

對比有限元分析結果和實際監測結果可以發現，兩者之間存在一定的區別。主要原因是巷道的變形量影響因素是多方面的。在進行有限元模擬時做出了一些假設。因此，其巷道變形情況相對較小。但不管是有限元分析結果還是實際監測結果都可以看出，本文設計的工作面巷道支護方案達到了理想的效果，將巷道的變形控制在了合理范圍內。為工作面的快速掘進奠定了堅實的基礎，保障了井下的安全，為煤礦企業創造了較大的經濟效益。

圖5 工作面巷道頂底板和兩幫移近量隨時間的演變曲線