近距離煤層采空區下方巷道支護技術

趙瑞峰

（西山煤電西曲礦，山西 古交 030200）

近距離煤層在我國山西、貴州以及內蒙等地區有廣泛分布，這些區域礦井在煤炭開采時面臨近距離采空區下巷道掘進圍巖控制問題[1-2]。相對于單一煤層，由于近距離煤層間層間距小，上部煤層開采會造成下部煤層頂板巖層裂隙發育，強度及穩定性降低[3-4]。潞陽公司下屬昌泰礦在開采9 號煤層時，受上覆8 號煤層采空區及護巷煤柱影響，回采巷道圍巖破碎，支護困難。

1 工程概況

9 號煤層埋深平均約400 m，傾角3°～5°。9 號煤層與上覆8 號煤層間距在3.5～9.5 m。8102 采面于2017年7月回采完畢，9102 回采工作面于2019年3月開始布置，9102 回采工作面與8 號煤層8102采面采空區位置關系見圖1。

圖1 采面與上覆采空區位置關系

2 理論分析

采空區下方巷道圍巖變形與上覆煤柱邊緣距離x及巷道距離上覆采空區距離z有密切關系，見圖2。

圖2 煤柱與工作面回采巷道間理論分析模型

上覆煤層采空區內煤柱承受載荷與煤柱埋深有關，同時還與煤柱周邊煤層開采情況密切相關。根據相關研究成果[5]，得出采空區下伏回采巷道圍巖變速度v與x、z關系見式（1）、式（2）。

式中：v為采空區下方巷道圍巖變形速度，mm/d；H為埋深，m；A為巷道圍巖穩定系數(無量綱)；C為煤柱周邊開采影響參數(無量綱)。

根據昌泰礦實際情況和類似工程經驗，H取值400 m；A取值6.7；C取值5。將上述參數帶入到公式（1）即可得到回采巷道圍巖變形速度v與層間距間關系，見圖3。

圖3 回采巷道圍巖變形速度v與層間距z關系

從圖中可以看出，圍巖變形速度隨著層間距增加逐漸降低，其中層間距達到5 m后圍巖變形速度降低幅度不明顯。因此，可以將層間距5 m作為劃分圍巖控制方案的界限。

將層間距z=5 m帶入到公式（2）中即可得出，巷道圍巖變速度與距離煤柱邊緣距離x間變化關系，見圖4。

圖4 回采巷道圍巖變形速度v 與距離煤柱邊緣距離x 變化關系

從圖4可以看出，隨著x 距離的增加，v速度顯著降低。由于9102 回風巷正好處于8 號煤層保護煤柱下方，因此可以斷定，回風巷在支護初期會發生較為顯著的圍巖變形。

3 采空區下方回采巷道支護設計

3.1 支護設計原則

（1）維護頂板穩定

9102 回風巷正處于上覆8 號煤層護巷煤柱下方，在護巷煤柱影響下回風巷周邊巖層處于應力增高區，在垂向應力作用下巖層較為破碎。巷道開挖后在圍巖作用下巷幫收斂、頂板下沉明顯，容易發生冒頂事故，因此在施工時應強化頂板支護。

（2）避免巷道肩角變形破壞

由于巷道頂板巖層在圍巖應力作用下出現顯著的彎曲下沉，巷道兩幫應力不對稱分布[6]。開挖后回采巷道易在巷道肩角發生剪切破壞，從而出現頂板整體切落風險[7]。

（3）確保巷道兩幫整體穩定

受到上覆采空區內護巷煤柱影響，9 號煤層回采巷道周邊應力分布不均衡，巷幫特別是靠近上覆護巷煤柱側巷幫更容易破壞、失穩，出現較大變形。因此，在具體支護時應充分采用金屬網以及梯子梁對巷幫表層巖層進行控制，確保巷幫整體穩定[8]。

3.2 支護設計

頂板采用螺紋鋼錨桿+菱形金屬網+鋼筋梯子梁支護，配合錨索補強。采用錨桿規格為Φ20 mm×2.40 m，間、排距為0.75 m、0.80 m。補強錨索為Φ17.8 mm×4 500 mm，間、排距1.40 m、2.40 m。

巷幫用菱形金屬網、梯子梁護幫，用螺紋鋼錨桿固定梯子梁及金屬網。錨桿規格與頂板一致，間、排距為0.70 m、0.80 m。回采巷道支護設計見圖5。

圖5 回采巷道支護設計

3.3 與上覆采空區間距在5 m以內時的補強措施

（1）在層間距較小區域內采用單體支柱強化頂板支護。并將單體布置在巷道中線位置，頂板壓力通過單體將壓力傳遞給底板，從而減輕巷道肩角處的壓力，減少頂板，底板位移量，確保巷道圍巖穩定。

（2）適當縮短頂板錨索長度。正常情況下采用的錨索長度為4.5 m，但是當巷道與上覆采空區間距在5.0 m以內時，容易造成巷道上部錨固段進入到上覆采空區內，弱化錨索補強支護效果。因此，將錨索長度縮短至4.0 m，保證錨索支護效果。

（3）強化靠近上覆采空區遺留煤柱側的巷幫支護。靠近上覆采空區煤柱側巷幫在應力作用下較為破碎，影響巷道圍巖控制，因此，需要進行補強支護。

具體在原兩排錨桿之間再增加布置兩根錨桿配合形成五花眼方式，其他的支護參數保持不變，補強支護措施見圖6。

圖6 補強支護設計

4 支護效果分析

為了檢驗巷道支護效果，在9102 回風巷距離采煤工作面110 m位置布置測站并定期對巷道表面位移進行監測，具體得到的巷道位移變形數據見圖7。從圖中可以看出，在9102 工作面回采期間，回風巷頂底板及巷幫最大變形量分別為246 mm、475 mm。工作面開采超前影響范圍為35～55 m，在這個范圍內采取超前支護措施后，巷道圍巖變形量處于低位，可以有效確保后續采面行人、運輸等需要。

圖7 巷道位移變形監測結果

5 結語

1）采用理論分析方法對采空區下方巷道圍巖變形與距離上覆采空區層間距、距離上覆采空區內煤柱水平間距之間的關系進行分析，發現層間距在5 m以內時圍巖變形速率較快，層間距在5 m以上時圍巖變形速率顯著降低。

2）針對回采巷道與上覆采空區巖層間距≧5 m、＜5 m兩種情況提出了相對應的圍巖控制措施，并進行了詳細闡述。

3）現場應用實踐表明，采取的圍巖控制措施可以確保9102 回采巷道圍巖控制，確保回采工作可以安排、平穩推進。