極近距離煤層下層煤巷道支護(hù)技術(shù)優(yōu)化研究

平明亮

（長(zhǎng)治三元中能煤業(yè)有限公司 山西長(zhǎng)治 047500）

0 引言

我國(guó)煤炭資源分布廣泛，各類地質(zhì)條件的煤層均有所賦存，而在所有煤炭資源中，許多地區(qū)都有著近距離煤層的存在[1]。極近距離煤層是指層間距比較小，其互相的開采會(huì)產(chǎn)生明顯影響的煤層[2]。由于兩層煤之間的距離較小，當(dāng)上層煤已開采完畢后，在開采下層煤的過(guò)程中，其上方多為采空區(qū)，受到采空區(qū)的影響，下層煤圍巖的應(yīng)力環(huán)境會(huì)發(fā)生巨大變化[3]。為保證下層煤回采巷道的安全、穩(wěn)定，本文以山西某礦極近距離煤層地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，對(duì)下層煤巷道圍巖控制技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了巷道支護(hù)優(yōu)化方案，研究結(jié)果對(duì)具有相似條件礦井，具有著一定的參考意義。

1 工程背景

山西某礦目前開采煤層為14-3#煤層，煤層厚度平均為4.4 m，煤層傾斜角度平均為4°，為近水平煤層。8301工作面為開采14-3#煤層303盤區(qū)的一個(gè)綜采工作面，工作面的走向長(zhǎng)度為1 015 m，傾斜長(zhǎng)度為120 m，5305 巷是該工作面的運(yùn)料巷，巷道斷面形狀為矩形，巷道的寬度為3.4 m，高度為2.6 m。

在8301工作面上方，存在著已經(jīng)開采完畢的14-2#煤層8315 工作面采空區(qū)，8315 工作面在2017 年已開采完畢。上方14-2#煤煤層厚度平均為3.6 m，工作面采用一次采全高采煤法，采空區(qū)內(nèi)主要為已經(jīng)垮落的頂板，根據(jù)地質(zhì)資料，兩層煤的間距在1.3 m～8.7 m 范圍內(nèi)，屬于極近距離煤層，工作面位置關(guān)系如圖1 所示。目前根據(jù)5305巷的掘進(jìn)勘察結(jié)果得出，在巷道掘進(jìn)距離為240 m、410 m、460 m 處，巷道與上方采空區(qū)的距離分別為1.5 m、2.0 m、3.0 m，由于巷道頂板受到上方采空區(qū)的影響，巖層破碎程度大，巷道圍巖穩(wěn)定性差，巷道的維護(hù)工作極其困難。

圖1 工作面巷道位置關(guān)系圖

2 下層煤頂板穩(wěn)定性分析

對(duì)于近距離煤層，上層煤開采過(guò)后，會(huì)引起煤層上方巖層的垮落從而充填采空區(qū)，因此下層煤頂板主要為上層煤的底板巖層和已經(jīng)被充填滿的采空區(qū)巖塊。由于采空區(qū)巖塊穩(wěn)定性較差，下層煤頂板的穩(wěn)定性主要取決于層間巖層的穩(wěn)定性。一般條件下，層間巖層的厚度與巖性對(duì)整個(gè)巖層的穩(wěn)定起到?jīng)Q定性作用。

由于層間巖層厚度與巖性的差異性，上層煤開采后對(duì)下層煤的影響程度也并不相同，對(duì)于極近距離煤層，由于層間距已經(jīng)小到了一定的程度，層間巖層在上層煤的開采作用下受到了很大的破壞，原有對(duì)煤層頂板的分類方法已經(jīng)不再適用，有必要對(duì)極近距離煤層頂板重新進(jìn)行分類。極近距離煤層頂板依據(jù)通常根據(jù)層間巖層厚度以及其屈服比進(jìn)行分類，可分為夾石頂板、碎裂頂板、塊裂頂板三類，具體方法如下[4]：

表1 極近距離煤層頂板分類表

對(duì)于8301工作面煤層，層間巖層厚度大于1.5 m，巖層巖性為中砂巖與細(xì)砂巖互層，因此該工作面頂板多為塊裂頂板，5305 巷采用錨桿支護(hù)方法，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，在僅采用錨桿+錨索支護(hù)方案下，巷道支護(hù)效果較差，圍巖變形情況比較嚴(yán)重，頂板下沉量最大達(dá)到944 mm，并且對(duì)巷道維護(hù)比較困難，維護(hù)成本高，因此有必要對(duì)巷道支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3 巷道支護(hù)優(yōu)化方案

根據(jù)上述頂板穩(wěn)定性分析，僅采用錨桿+錨索的支護(hù)方案無(wú)法確保巷道的穩(wěn)定，因此本文對(duì)5305巷的支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化，在層間距不同的區(qū)域采取不同的支護(hù)方案。

在層間距大于3 m的時(shí)候，巷道采取錨桿+錨索的支護(hù)方案，錨桿采用直徑為18 mm、長(zhǎng)度為2.0 m 的螺紋鋼錨桿，錨桿間排距均為1.0 m；錨索采用直徑為15.2 mm、長(zhǎng)度4.0 m的鋼絞線，錨索間排距均為2.0 m。

在層間距小于3 m 的時(shí)候，此時(shí)巷道不宜采用錨索支護(hù)，采用錨桿+工字鋼棚+預(yù)應(yīng)力梁的組合支護(hù)方案，此外在層間距小于2.0 m區(qū)域，采用馬林散對(duì)頂板進(jìn)行加固，具體組合支護(hù)方案見表2。

除上述對(duì)巷道的支護(hù)方案外，采用馬林散對(duì)巷道頂板進(jìn)行加固，注射馬林散的鉆孔布置在兩架工字鋼棚的中間，鉆孔間距和排距均設(shè)計(jì)為1.0 m，每排布置三個(gè)注射鉆孔，孔深為2.0 m，鉆孔的直徑為42 mm，其與巷道頂板的夾角為60°。注射設(shè)備選用復(fù)合氣泵，注射壓力不得小于5 MPa，注射過(guò)程中，當(dāng)看到有馬林散從頂板巖層中滲透而出時(shí)，表明馬林散注射已達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)可停止。

表2 優(yōu)化支護(hù)方案表

4 巷道支護(hù)效果分析

巷道支護(hù)優(yōu)化方案提出后，在5305 巷道460 m 處開始實(shí)施，在后續(xù)掘進(jìn)的過(guò)程中，對(duì)巷道圍巖的變形情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要包括巷道頂?shù)装濉蓭偷淖冃吻闆r，監(jiān)測(cè)距離為100 m，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2 所示。整個(gè)巷道掘進(jìn)結(jié)束后，在5305 巷道距離開切眼100 m位置處布置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)8301工作面回采100 m過(guò)程中巷道的圍巖變形情況進(jìn)行了觀測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖2 巷道掘進(jìn)過(guò)程中圍巖變形曲線圖

圖3 工作面回采過(guò)程中圍巖變形曲線圖

從圖2中可以看出，在采用該優(yōu)化方案后，巷道圍巖變形量相比之前有了明顯的降低，頂?shù)装逡七M(jìn)量最大達(dá)到428 mm，變形主要集中在掘進(jìn)距離小于25 m范圍內(nèi)；兩幫移進(jìn)量最大達(dá)到207 mm，變形主要集中在掘進(jìn)距離小于20 m 范圍內(nèi)。對(duì)比巷道頂?shù)装迮c兩幫的變形量可以發(fā)現(xiàn)，極近距離煤層巷道的圍巖變形主要集中在頂板，而兩幫變形相對(duì)較小。從圖3 中可以看出，在工作面開采后，工作面對(duì)巷道的回采影響主要在與工作面距離在28 m范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)頂?shù)装逡七M(jìn)量最大為532 mm，兩幫移進(jìn)量最大為198 mm，巷道變形量處于合理范圍內(nèi)。綜上可知，在采用優(yōu)化后的支護(hù)方案后，巷道支護(hù)效果有了極大的改善，巷道穩(wěn)定性有了明顯的提升，該結(jié)果表明本文所采用的優(yōu)化方案具有著較好的實(shí)踐效果。

5 結(jié)論

本文以山西某礦5305巷地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，對(duì)極近距離煤層巷道圍巖支護(hù)優(yōu)化方案進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)巷道頂板穩(wěn)定性的分析，提出了巷道在不同頂板厚度下的支護(hù)方案，當(dāng)頂板厚度大于3.0 m 時(shí)，采用錨桿+錨索的支護(hù)方案，當(dāng)頂板厚度在小于3.0 m時(shí)，采用錨桿+工字鋼棚+預(yù)應(yīng)力梁的組合支護(hù)方案，并且在頂板厚度小于2.0 m 時(shí)，加入了馬林散對(duì)頂板進(jìn)行加固的方法。現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)施效果表明，本文研究結(jié)果具有著較好的實(shí)踐效果，能夠有效提高巷道的穩(wěn)定性。