茨溝營煤礦近距離下部煤層回采巷道布置及支護研究

賀海鷹

（晉能控股煤業集團公司云岡礦，山西 大同 037017）

茨溝營煤礦批準開采3 號、4 號、5 號煤層，現主采4 號和5 號煤層，兩層煤層間距很小（平均層間距4.50 m），屬于開采后相互影響劇烈的近距離煤層。近距離煤層的開采已經有豐碩的研究成果，袁亮等[1-3]提出對近距離煤層頂板動壓影響的因素包括頂底板的破壞特征、圍巖礦山壓力分布、頂板懸露面積等；伍永平等[4-6]研究表明上覆煤層的開采對下煤層的開采影響很大，主要表現在上煤層頂板垮落、支架的移動，也是導致下煤層圍巖力學變化及破壞的主要原因。本文以茨溝營煤礦4 號和5號近距離煤層開采為工程背景，以3 采區3501 工作面為例，通過理論分析確定了采空區下5 號煤層運輸平巷和回風平巷的合理位置，提出了合理的巷道支護形式和支護參數。

1 工程概況

3501 采面是5 號煤層3 采區的第1 個綜采工作面，位于上部煤層采空區下面，其上是4 號煤層3401 工作面，采用綜合機械化一次采全高采煤技術。開采的4 號煤層上距3 號煤層24.8～35.06 m，平均27.23 m，煤層厚度2.30～3.0 m，平均厚2.50 m，煤層傾角3°～7°，平均4.5°，含0～1 層泥巖夾矸，結構簡單。煤層穩定，賦存區大部可采，僅在井田中東部DJ06-07 號鉆孔附近尖滅。煤層頂板為泥巖，底板為石灰巖、砂質泥巖。工作面長度150 m，護巷煤柱寬度15 m，運輸平巷寬度4.20 m，回風平巷寬度3.80 m。回采結束時間為2018 年3 月，至今2年整，其頂板活動已經穩定。3501 工作面開采的5號煤層厚度2.80～3.50 m，平均為3.0 m，煤層傾角2°～6°，平均4°；上距4 號煤層2.80～6.23 m，平均層間距4.50 m，煤層結構屬于簡單～中等類型，含0～3 層夾矸，厚度有一定變化，煤層穩定，賦存區可采；煤層頂板為石灰巖、炭質泥巖，底板為泥巖。3 采區煤巖物理力學參數見表1。

表1 煤層及其頂底板物理力學參數

3501 采面對應的地面位置是茨溝營村北荒漠的丘陵山地，地面溝谷縱橫，沒有建筑物，偶有少量的灌木雜樹，煤層埋藏深度356 m。3501 綜采工作面北鄰2 采區采空區，南部為5 號煤實體煤，東部為3 采區回風上山，西部為茨溝營礦界煤柱。3501工作面采用走向長壁全部垮落、一次采全高采煤方法，選擇綜合機械化采煤工藝。

2 下部煤層工作面巷道位置的確定

3 采區5 號煤層均厚3.0 m，3501 采面回采后垮落帶與上部4 號煤層的采空區溝通，兩層煤屬于開采后具有顯著影響的極近距離煤層。上部煤層開采后在采空區形成卸壓區，煤柱下一定范圍內為增壓區。為了提高下部煤層巷道穩定性，應使其處于低應力的卸壓區，通常的做法是把下層煤巷道內錯一定距離，如圖1。內錯水平距離的計算公式為：

圖1 確定下層煤巷道內錯距離

式中：α為煤層傾角，（°）；θ為β余角，θ=90°-β；β為應力傳播影響角，43°；z為煤層間距，m。

4 號煤層和5 號煤層平均層間距為4.5 m，4 號煤層傾角平均4.5°，應力傳播影響角43°。將各參數代入上式，得S≥3.92 m。根據理論分析計算結果，5 號煤層回采巷道的內錯距離4 m。

綜合理論分析和數值模擬結果，通過對本礦區條件類似工作面巷道布置調研，確定5 號煤層回采巷道內錯距離為5 m。5 號煤層運輸平巷和回風平巷布置如圖2。

圖2 下部煤層回采巷道剖面圖

3 巷道支護形式和參數設計

3.1 4 號煤層開采底板破壞深度

3401 采面為走向長壁開采，開采高度為2.5 m，遠小于150 m 長的開采寬度。利用彈性理論，由下式求得4 號煤層開采后采場邊緣底板巖體最大屈服破壞深度：

式中：Rrmc為巖體的單軸抗壓強度，MPa；L為工作面長度，m；γ為上覆巖層平均容重，kN/m3；H為煤層埋深，m。

4 號煤層3401 采面煤層埋深349.5 m，覆巖容重25 kN/m3，3401 工作面長度150 m，巖石節理裂隙影響系數0.41，巖石單軸抗壓強度57.20 MPa。

在實際的工程計算中，考慮到巖體節理裂隙影響，底板巖體最大屈服破壞深度可以改寫為：

式中：J為巖體節理裂隙影響系數；Rc為實驗室巖塊單軸抗壓強度，MPa。

將上述參數代入計算公式，得出hmax=8.20 m。由此可知，4 號煤層的開采對底板的破壞深度遠遠超過了兩層煤的層間距(4.5 m)，不僅破壞5 號煤層的頂板，也對5 號煤層造成了破壞，給5 號煤層回采巷道的掘進和支護工作帶來困難。

3.2 巷道支護形式及支護參數

5 號煤層上距4 號煤層2.80～6.23 m，平均層間距4.50 m，煤層頂板的厚度變化很大。由于受到上部4 號煤層開采后對底板破壞的影響，5 號煤層頂板的承載能力降低，需要采用金屬網、錨桿、錨索、鋼帶聯合支護的形式；同時針對不同厚度區域的頂板支護形式和參數要區別對待，采用分段支護來保證支護效果。即采用聯合支護和分段支護才能保證巷道的正常、安全使用。

（1）層間距4.0 m 及以下巷道支護

3501 工作面掘進巷道層間距離小于等于4.0 m的地段，使用金屬網、錨桿、鋼帶進行初次支護，而后使用工字鋼棚加強支護。5 號煤層回采巷道斷面為矩形，掘寬×掘高=3600 mm×2600 mm；頂板掛網，采用錨桿、鋼帶聯合支護，每排5 根錨桿，錨桿間排距800 mm×800 mm，錨桿材料采用左旋無縱筋螺紋鋼，錨桿規格為Ф20 mm×2000 mm，托板規格：150 mm×150 mm×10 mm。錨桿使用MSCK-2360 樹脂錨固劑，每根錨桿使用2 卷樹脂錨固劑。工字鋼架棚加強支護使用礦用11 號工字鋼，棚梁長度為3600 mm，棚腿高度為2600 mm，棚距為1600 mm。幫錨桿間排距800 mm×800 mm，錨桿規格為Ф18 mm×1800 mm。巷道支護布置如圖3。

圖3 金屬網鋼帶錨桿加工字鋼棚支護

（2）層間距4.0 m 以上巷道支護

3501 工作面掘進巷道層間距離4.0 m 以上的地段，使用金屬網、錨桿、鋼帶、錨索進行聯合支護。頂板掛網，采用錨桿、鋼帶、錨索聯合支護，每排4 根錨桿，錨桿間排距800 mm×800 mm，錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼，規格為Ф20 mm×2000 mm，托板規格：150 mm×150 mm×10 mm。錨索為鋼絞線預應力錨索，型號為SPK18-1/1860，錨索規格：Ф18 mm×3800 mm，錨索間距1600 mm，排距1600 mm，每排布置2 根錨索，錨索托板規格：250 mm×250 mm×20 mm；錨桿、錨索均使用MSCK-2360 樹脂錨固劑，每根錨桿使用2 卷樹脂錨固劑，每根錨索使用3 卷樹脂錨固劑。幫錨桿間排距800 mm×800 mm，錨桿規格為Ф18 mm×1800 mm。巷道支護布置如圖4。

圖4 金屬網鋼帶錨桿錨索聯合支護

4 結語

茨溝營煤礦首次進行近距離煤層開采，3501 綜采工作面從切眼推進到停采線，距離1050 m，除工作面運輸平巷因在斷層破碎帶維修影響生產48 h外，其余時間一切正常，保證了巷道的正常安全使用。

3501 綜采面的順利回采說明采用理論計算、工程類比確定的巷道位置合理，設計分段支護方案和支護參數符合現場實際條件，為本礦類似條件工作面的開采提供了有益的借鑒。