近距離煤層采空區(qū)下巷道支護(hù)技術(shù)研究

張弘弦

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司晉華宮礦，山西 大同 037000）

近距離煤層在我國(guó)各個(gè)煤炭產(chǎn)區(qū)廣泛存在。由于上覆煤層在采動(dòng)過(guò)程中對(duì)底板圍巖造成采動(dòng)破壞，而且上下煤層之間層距較小，上覆采空區(qū)遺留的煤柱應(yīng)力對(duì)下覆煤層頂板圍巖集中顯現(xiàn)，造成下覆煤層巷道圍巖移近變形，使巷道支護(hù)難度大幅增加，不僅制約下煤層工作面的生產(chǎn)效率，還帶來(lái)安全隱患［1-3］。基于此，云岡煤礦為解決下覆煤層51116 巷道在掘進(jìn)期間受上煤層采空區(qū)影響造成的支護(hù)難題，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，對(duì)巷道頂板圍巖的破壞程度進(jìn)行研究分析，根據(jù)不同層距制定針對(duì)性地支護(hù)方案。

1 工程概況

云岡煤礦51116 巷道位于81116 工作面，布置在11-2#煤層內(nèi)，上覆為11-1#煤層采空區(qū)。81116 工作面走向長(zhǎng)度為1 260 m，傾向長(zhǎng)度為120 m。11-2#煤層平均厚度為3.4 m，煤層平均傾角為4°，工作面直接頂巖性主要為細(xì)砂巖與粉砂巖，均厚2.6 m；老頂巖性為中砂巖，均厚31.7 m；直接底巖性主要為細(xì)砂巖與粉砂巖，均厚3.5 m。上覆11-1#煤層均厚2.8 m，采煤工藝為走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤法。上、下煤層層間距為1.8～6.0 m，屬于近距離煤層。受上覆采空區(qū)遺留煤柱垂直應(yīng)力影響，51116 巷道圍巖變形量大，在掘進(jìn)過(guò)程中支護(hù)難度大幅增加。81116 工作面位置斷面見(jiàn)圖1。

圖1 81116 工作面位置斷面

2 上覆煤層采空影響分析

上覆煤層在采動(dòng)期間會(huì)對(duì)煤層底板圍巖造成破壞，導(dǎo)致圍巖破碎移近。由于上、下煤層間距較小，下煤層工作面圍巖穩(wěn)定性遭到破壞，上覆煤層采空區(qū)遺留煤柱垂直應(yīng)力顯現(xiàn)，導(dǎo)致下煤層巷道變形［4-5］。可根據(jù)滑移線場(chǎng)理論為基礎(chǔ)對(duì)上覆煤層采動(dòng)時(shí)對(duì)底板造成的最大破壞深度進(jìn)行計(jì)算：

式中：hσ為上覆煤層底板最大破壞深度，m；M為上覆煤層的采高，實(shí)際值為3.4 m；γ 為巖石容重，地質(zhì)資料顯示為25 kN/m3；k為上覆煤層采空區(qū)遺留煤柱應(yīng)力系數(shù)，取1.1；H為煤層埋深，取值200 m；Φ為煤體內(nèi)摩擦角，取30°；C為內(nèi)聚力，取值1.13 MPa；f為煤層與頂?shù)装彘g的接觸摩擦系數(shù)，f=tanΦ；ξ 為三軸應(yīng)力系數(shù)，；Φf為底板巖層內(nèi)摩擦角，取30°。

根據(jù)公式（1）計(jì)算可得，上覆煤層采動(dòng)期間對(duì)煤層底板破壞最大深度為4.07 m。

3 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上覆煤層開(kāi)采對(duì)底板的破壞深度計(jì)算數(shù)值，為保證51116 巷的支護(hù)效果，需要對(duì)不同層間距采用不同的支護(hù)方案。層間距越大，上覆采空區(qū)遺留煤柱應(yīng)力對(duì)下煤層圍巖穩(wěn)定性影響越小，煤層底板的破壞性無(wú)法影響到下煤層頂板；層間距越小，下煤層圍巖穩(wěn)定性受影響越大，下煤層頂板也會(huì)受到上覆煤層采動(dòng)影響，造成頂板破碎，裂隙廣泛發(fā)育［6-8］。

云岡煤礦11-1#煤層與11-2#煤層之間的層間距為1.8～6.0 m，經(jīng)計(jì)算，上覆煤層采動(dòng)造成的底板最大破壞深度為4.07 m，因此采用4 m 為界，對(duì)層間距大于或小于4 m 的區(qū)域，分別選擇支護(hù)方案。

3.1 上、下煤層4 m以下層間距支護(hù)方案

51116 巷上、下煤層層間距4 m 以下時(shí)，上覆煤層采動(dòng)對(duì)底板破壞造成巷道頂板圍巖破碎變形，支護(hù)難度較高。采用錨桿、錨索、工字鋼棚、單體液壓支柱對(duì)巷道進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，見(jiàn)圖2。巷道斷面為3.6 m×2.6 m，錨桿采用規(guī)格為Φ18 mm，長(zhǎng)2.2 m 的高強(qiáng)度螺紋鋼，錨索采用規(guī)格為Φ17.8 mm，長(zhǎng)6.2 m，工字鋼棚采用11 號(hào)鋼梁加工而成，梁長(zhǎng)3.4 m。錨桿打設(shè)間排距為800 mm，距巷幫200 mm 處打設(shè)；錨索打設(shè)間排距同樣為800 mm，距巷幫1.4 m 處打設(shè)；工字鋼梁兩端由錨桿固定，緊貼頂板，下方使用單體液壓柱支撐，破碎頂板處鋪設(shè)金屬網(wǎng)，防止掉渣，見(jiàn)圖2。

圖2 4 m 以下層間距支護(hù)方案斷面

3.2 上、下煤層4 m以上層間距支護(hù)方案

51116 巷上、下煤層層間距4m 以上時(shí)，巷道圍巖受上覆煤層采動(dòng)影響相對(duì)較小，巷道圍巖較為穩(wěn)定，頂板完整度較高。采用錨桿、錨索對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，見(jiàn)圖3。錨桿和錨索規(guī)格同前文，錨桿打設(shè)間排距為1.0 m，距巷幫300 mm 處打設(shè)，打設(shè)時(shí)向巷幫側(cè)傾斜30°，錨索打設(shè)在巷道正中位置，間距1.0 m。

圖3 4 m 以上層間距支護(hù)方案斷面

4 應(yīng)用效果分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證支護(hù)方案的可靠性，在51116巷施工過(guò)程中對(duì)支護(hù)錨桿和錨索的受力情況以及巷道圍巖的移近量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4.1 巷道圍巖移近量監(jiān)測(cè)

在支護(hù)區(qū)域采用十字交叉監(jiān)測(cè)法進(jìn)布點(diǎn)測(cè)點(diǎn)，對(duì)巷道圍巖的移近量數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)收集。巷道在施工過(guò)程中，巷道圍巖的移近量隨掘進(jìn)進(jìn)度逐漸增大，當(dāng)巷道掘進(jìn)70 m 以后趨于穩(wěn)定。巷道圍巖移近量變化曲線見(jiàn)圖4，巷道頂?shù)装鍑鷰r最大移近量為84 mm，巷道兩幫圍巖最大移近量為92 mm，均在100 mm 以內(nèi)，說(shuō)明以上支護(hù)方案支護(hù)效果明顯，巷道圍巖變形量較小，能夠滿足巷道的使用需求。

圖4 巷道圍巖移近量變化曲線

4.2 錨桿和錨索受力情況監(jiān)測(cè)

使用錨桿應(yīng)力計(jì)采集錨桿和錨索的受力數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)周期為40 天；在監(jiān)測(cè)的前10 天內(nèi)，每2天采集一次軸力數(shù)據(jù)，10 天后，每5 天采集一次軸力數(shù)據(jù)；錨桿和錨索軸力變化曲線見(jiàn)圖5。在巷道施工期間，錨桿和錨索的受力情況較為穩(wěn)定，在前10 天有小幅度增加，10 天后趨于穩(wěn)定，軸力不再增加，錨桿最大軸力為33 kN、錨索最大軸力為57 kN。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，錨索軸力明顯大于錨桿，說(shuō)明錨索受力更大。

圖5 錨桿和錨索軸力變化曲線

5 結(jié)語(yǔ)

云岡煤礦針對(duì)51116 巷實(shí)際情況對(duì)11-1#煤層開(kāi)采時(shí)對(duì)煤層底板造成的最大破壞深度進(jìn)行科學(xué)合理的計(jì)算，得出最大破壞影響深度為4.07 m的結(jié)論。并以此為依據(jù)，對(duì)51116 巷道進(jìn)行支護(hù)方案設(shè)計(jì)，對(duì)上、下煤層層間距4 m 以下的巷道采用錨桿、錨索、工字鋼棚和單體液壓支柱進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)；而對(duì)上、下煤層層間距4 m 以上的巷道采用錨桿和錨索進(jìn)行支護(hù)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，得知支護(hù)后巷道頂?shù)装鍑鷰r最大移近量為84 mm，巷道兩幫圍巖最大移近量為92 mm，錨桿軸力為34 kN，錨索軸力為57 kN，巷道圍巖的穩(wěn)定性得到有效控制。