極近距離煤層下層煤巷道支護技術優化研究

平明亮

（長治三元中能煤業有限公司 山西長治 047500）

0 引言

我國煤炭資源分布廣泛，各類地質條件的煤層均有所賦存，而在所有煤炭資源中，許多地區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，其互相的開采會產生明顯影響的煤層[2]。由于兩層煤之間的距離較小，當上層煤已開采完畢后，在開采下層煤的過程中，其上方多為采空區，受到采空區的影響，下層煤圍巖的應力環境會發生巨大變化[3]。為保證下層煤回采巷道的安全、穩定，本文以山西某礦極近距離煤層地質條件為基礎，對下層煤巷道圍巖控制技術進行了研究，提出了巷道支護優化方案，研究結果對具有相似條件礦井，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盤區的一個綜采工作面，工作面的走向長度為1 015 m，傾斜長度為120 m，5305 巷是該工作面的運料巷，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，存在著已經開采完畢的14-2#煤層8315 工作面采空區，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，采空區內主要為已經垮落的頂板，根據地質資料，兩層煤的間距在1.3 m～8.7 m 范圍內，屬于極近距離煤層，工作面位置關系如圖1 所示。目前根據5305巷的掘進勘察結果得出，在巷道掘進距離為240 m、410 m、460 m 處，巷道與上方采空區的距離分別為1.5 m、2.0 m、3.0 m，由于巷道頂板受到上方采空區的影響，巖層破碎程度大，巷道圍巖穩定性差，巷道的維護工作極其困難。

圖1 工作面巷道位置關系圖

2 下層煤頂板穩定性分析

對于近距離煤層，上層煤開采過后，會引起煤層上方巖層的垮落從而充填采空區，因此下層煤頂板主要為上層煤的底板巖層和已經被充填滿的采空區巖塊。由于采空區巖塊穩定性較差，下層煤頂板的穩定性主要取決于層間巖層的穩定性。一般條件下，層間巖層的厚度與巖性對整個巖層的穩定起到決定性作用。

由于層間巖層厚度與巖性的差異性，上層煤開采后對下層煤的影響程度也并不相同，對于極近距離煤層，由于層間距已經小到了一定的程度，層間巖層在上層煤的開采作用下受到了很大的破壞，原有對煤層頂板的分類方法已經不再適用，有必要對極近距離煤層頂板重新進行分類。極近距離煤層頂板依據通常根據層間巖層厚度以及其屈服比進行分類，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 巷采用錨桿支護方法，但現場實踐表明，在僅采用錨桿+錨索支護方案下，巷道支護效果較差，圍巖變形情況比較嚴重，頂板下沉量最大達到944 mm，并且對巷道維護比較困難，維護成本高，因此有必要對巷道支護方案進行優化改進。

3 巷道支護優化方案

根據上述頂板穩定性分析，僅采用錨桿+錨索的支護方案無法確保巷道的穩定，因此本文對5305巷的支護方案進行了優化，在層間距不同的區域采取不同的支護方案。

在層間距大于3 m的時候，巷道采取錨桿+錨索的支護方案，錨桿采用直徑為18 mm、長度為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 的時候，此時巷道不宜采用錨索支護，采用錨桿+工字鋼棚+預應力梁的組合支護方案，此外在層間距小于2.0 m區域，采用馬林散對頂板進行加固，具體組合支護方案見表2。

除上述對巷道的支護方案外，采用馬林散對巷道頂板進行加固，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計為1.0 m，每排布置三個注射鉆孔，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°。注射設備選用復合氣泵，注射壓力不得小于5 MPa，注射過程中，當看到有馬林散從頂板巖層中滲透而出時，表明馬林散注射已達到飽和狀態，此時可停止。

表2 優化支護方案表

4 巷道支護效果分析

巷道支護優化方案提出后，在5305 巷道460 m 處開始實施，在后續掘進的過程中，對巷道圍巖的變形情況進行了監測分析，監測數據主要包括巷道頂底板、兩幫的變形情況，監測距離為100 m，監測結果如圖2 所示。整個巷道掘進結束后，在5305 巷道距離開切眼100 m位置處布置了監測點，對8301工作面回采100 m過程中巷道的圍巖變形情況進行了觀測，監測結果如圖3所示。

圖2 巷道掘進過程中圍巖變形曲線圖

圖3 工作面回采過程中圍巖變形曲線圖

從圖2中可以看出，在采用該優化方案后，巷道圍巖變形量相比之前有了明顯的降低，頂底板移進量最大達到428 mm，變形主要集中在掘進距離小于25 m范圍內；兩幫移進量最大達到207 mm，變形主要集中在掘進距離小于20 m 范圍內。對比巷道頂底板與兩幫的變形量可以發現，極近距離煤層巷道的圍巖變形主要集中在頂板，而兩幫變形相對較小。從圖3 中可以看出，在工作面開采后，工作面對巷道的回采影響主要在與工作面距離在28 m范圍內，在此范圍內頂底板移進量最大為532 mm，兩幫移進量最大為198 mm，巷道變形量處于合理范圍內。綜上可知，在采用優化后的支護方案后，巷道支護效果有了極大的改善，巷道穩定性有了明顯的提升，該結果表明本文所采用的優化方案具有著較好的實踐效果。

5 結論

本文以山西某礦5305巷地質條件為基礎，對極近距離煤層巷道圍巖支護優化方案進行了研究，通過對巷道頂板穩定性的分析，提出了巷道在不同頂板厚度下的支護方案，當頂板厚度大于3.0 m 時，采用錨桿+錨索的支護方案，當頂板厚度在小于3.0 m時，采用錨桿+工字鋼棚+預應力梁的組合支護方案，并且在頂板厚度小于2.0 m 時，加入了馬林散對頂板進行加固的方法。現場工程實施效果表明，本文研究結果具有著較好的實踐效果，能夠有效提高巷道的穩定性。