近距離煤層巷道布置及其支護體系研究應用

李斌

摘要：沙曲二號煤礦近距離煤層煤柱下巷道布置受煤柱集中應力影響大，煤柱集中應力在底板中隨深度增加逐漸向煤柱兩側擴散衰減，若巷道位于煤柱外應力遞減區易使巷道受力、變形不均衡從而圍巖控制困難。本文通過煤柱影響應力集中程度的研究，得出煤柱逐漸衰減點，以及不同煤柱寬度應力遞減區范圍，為巷道布置提供技術參數，通過現場施工礦壓顯現不明顯，能夠滿足安全高效施工要求。

關鍵詞：近距離煤層;煤柱;巷道布置;支護研究

前言

近距離煤層群因煤層間距較小，近距離煤層開采過程中相互影響明顯，尤其是煤層群下行開采過程中，上煤遺留煤柱對下部巷道布置位置和圍巖控制產生較大影響。巷道位置所處應力范圍分別為煤柱下高應力區、煤柱邊界應力遞減區和煤柱外低應力區，煤柱下近距離煤層巷道布置巷道要盡量避開煤柱下高應力區。巷道布置合理后，利用桁架錨索非對稱支護技術，實現圍巖的有效控制。

1 煤柱下集中應力規律研究

1.1 數值模擬背景

數值模擬以沙曲二礦4#、5#煤層與煤柱采掘關系為工程背景，模擬研究4#煤層殘留煤柱產生的集中應力在底板中傳遞規律。4#煤層與煤柱下5#煤層層間距5～6.5m。

1.2 煤柱集中應力在底板中傳播衰減規律

經數值模擬軟件計算得到，煤柱下高應力區域寬度隨遠離煤柱逐漸減小，兩側區域相對增大，說明煤柱影響應力集中程度逐漸減弱，應力逐漸向兩側區域轉移。高應力區范圍隨深度增加向煤柱中央方向縮短，應力峰值現象隨深度增加逐漸不明顯;應力遞減區和低應力區分界位置分別標記，分界位置隨深度增加依次向兩側移動，應力遞減區寬度隨深度增加而增大。

1.3 煤柱集中應力下的巷道位置選擇

近距離煤層煤柱下回采巷道布置，應盡量避開高應力區，將巷道布置在較低應力區，巷道圍巖壓力小易控制，同時應考慮避開垂直應力遞減區域，以免巷道頂板受到較大剪應力作用，因此垂直應力及其變化率均較低位置為巷道較優布置位置。

對于特定地質力學條件下布置煤柱下巷道，能夠采用數值模擬方法分析應力分布規律，確定應力及其變化率均較低位置。根據垂直應力值在水平方向的變化規律，不同深度底板中臨界位置距煤柱邊界水平距離不同，通過不同深度測線臨界位置數據得到臨界位置距煤柱邊界水平距離隨深度變化關系。根據巷道較優布置位置選擇原則，臨界位置可以作為巷道內錯煤柱的臨界水平位置。根據擬合函數和煤層間距能夠得到特定條件下應力遞減區范圍及巷道較優布置位置，具有普適性的應力變化內在規律。

2 煤柱集中應力傳播衰減理論分析

不同深度底板中垂直應力變化曲線，通過曲線斜率變化可以分析得出：

（1）在煤柱邊界附近各曲線上應力值迅速下降，存在應力變化率劇烈區且下降速度隨底板深度增加而減小，應力遞減區范圍隨深度增加不斷擴大，例如在距煤柱深2m底板中，垂直應力在位置1（距煤柱邊界1.85m）應力值就下降到1.0Mpa，而在距煤柱深12m底板巖層中，垂直應力在位置2（距煤柱邊界11m）應力值才下降到1.0MPa。

（2）各應力曲線在煤柱邊界位置匯交于一點，應力值為集中應力的一半，定義該點為變遷點，該點左邊（煤柱下方）底板中垂直應力值淺部大于深部應力，該點右邊（煤柱外側）底板中垂直應力值深部大于淺部。對比數值模擬中煤柱邊界有塑性區，其應力曲線變遷點位置內遷。

根據煤柱集中應力對底板中巖層應力分布影響規律，煤柱外側底板中集中應力產生的垂直應力和垂直應力變化率雖不能為零，但都能夠迅速減小趨近于零，且深度方向上越靠近煤柱垂直應力變化速率越快，因此能夠在煤柱邊界附近選擇應力較小且應力變化率較小的巷道位置。

3 煤柱影響巷道位置選擇效果分析

3.1 工程應用實例分析

根據工程實際情況取4#煤層殘留煤柱埋深H為403m，煤柱寬度l為45m，煤柱兩側采空區長度D為216m，覆巖平均容重γ為25KN/m，煤柱兩側頂板破斷角取δ為45o，估算[9，14]煤柱載荷q為52MPa。煤柱距下部5#煤層布置工作面5302軌道巷，煤層間距取5.2m，應力衰減系數取0.1，應力變化率系數取1/52，即根據應力衰減計算計算得到應力值小于5.2MPa，且應力水平方向變化率小于1MPa/m的應力環境臨界位置，經計算分析得，在距煤柱中心29m附近滿足條件，即距煤柱邊界6.5m，達到工程取值要求。

計算巷道較優水平位置為6.36m，與理論計算公式相近。因此，5#煤層殘留煤柱下巷道合理布置位置在距煤柱邊界6.5m左右，考慮煤層間距變化及巷道一定塑性區范圍，確定4#煤層殘留煤柱下5#煤層5302軌道巷施工位置距煤柱邊界水平距離8m。根據現場巷道施工并監測巷道礦壓顯現狀況，巷道掘進500m，巷道采用錨網索支護，巷道頂板局部位置較破碎，整體變形量很小，說明巷道較好避開上煤柱集中應力影響范圍，巷道圍巖控制效果良好。

3.2 工程應用物理相似模擬分析

為直觀反映煤柱集中應力在底板中傳播規律，根據工程實際建立物理相似模型并進行加載破壞試驗，試驗過程中采用液壓油缸在模型頂部不斷加載直至煤柱下煤巖層破壞，隨著不斷加載，煤柱下煤巖層逐漸發生破壞，最終煤柱下高應力區及應力遞減區發生塑性破壞，破壞范圍在距煤柱邊界6.5m～7m，與理論分析結果一致，模擬巷道距煤柱邊界8m，未直接受到集中應力影響，巷道圍巖穩定。

4 支護方式

4.1 5302工作面概況

5302工作面為三采區第二個5#煤工作面，采區5#煤層首采面5301工作面在4#煤層4301工作面采空區下回采，目前已回采完畢，5301工作面軌道巷內錯4301軌道巷煤柱12m。5302工作面主要在4302工作面下布置，4302工作面分上下兩部分回采，中間用30m煤柱隔開。4302工作面回采上部分煤層時，與3#煤層合采，工作面長度265m，推進長度512m，工作面4302軌道巷沿空留巷;4302工作面回采下部分時，單獨開采4#煤層，工作面長度216m。

施工的5302工作面軌道巷與5301工作面軌道巷相鄰，兩巷煤柱寬度留設受到上部4301、4302工作面區段煤柱影響嚴重，巷道圍巖控制需要優化。該巷道與5301工作面相鄰，兩巷煤柱寬度留設受到上部4301、4302工作面區段煤柱影響嚴重，巷道圍巖支護方案需要優化。

4.2 5302工作面軌道巷桁架錨索非對稱支護機理

錨索桁架復向系統是能夠在巷道頂板的水平和鉛垂方向同時提供擠壓應力的預應力支護結構，它克服了單體錨索支護不能提供水平張緊力的缺陷，使得錨固區內的煤巖體處于多維擠壓狀態，作用特點有以下幾點：

（1）雙向施力：預應力錨索桁架聯合控制系統能在水平和鉛垂方向同時提供主動支護力，且所受的拉應力和提供的支護力隨頂板變形而增加。

（2）長軟抗剪：錨索桁架長度大、抗剪性能強，斜穿過煤幫上方附近頂板最大剪應力區且作用范圍大，與角錨桿和頂板共同承擔剪應力，能有效控制頂板剪切破壞;

（3）線性承載：預應力錨索桁架控制系統鋼絞線與頂板成線接觸，鋼絞線上的載荷能連續傳遞且能方便地施加很高的預拉力，支護作用范圍大，松散破碎頂板受力狀態好;

（4）錨固點穩：錨索桁架錨固點位于巷道兩肩窩深部不易破壞的三向受壓巖體，不易受頂板離層和變形的影響，為錨索桁架系統發揮高錨固力提供了可靠穩固的承載基礎。

4.3 5302軌道巷錨索桁架支護設計

（1）5302軌道巷頂板支護方案

①錨桿規格參數：頂板采用Φ22×2400mm螺紋鋼錨桿（配套使用一塊100×100×16mm小墊片）錨桿間排距700×900mm，配套4m6眼w鋼帶。頂錨桿初錨力不小于30KN，錨固力不小于60KN;

②錨索桁架規格參數：單體錨索和槽鋼錨索規格均為Φ17.8×5300mm，單體錨索（配套使用一塊200×200×16mm方墊片）。 錨索預緊力不得低于110KN，錨固力不得低于230KN。

錨索桁架布置：間排距為1300mm×1800mm，鉆孔深度4800mm，煤柱幫側錨索距巷幫600mm。靠近兩幫的錨索鉆孔與頂板垂線的夾角為15°，中間的錨索垂直頂板布置。

鋼筋梯子梁規格：三根錨索用鋼筋梯子梁連接，長度3300mm×70mm（長×寬），采用整根φ16mm的鋼筋彎曲后，對距鋼筋梯子梁端頭0～150mm范圍內的搭接處（搭接長度150mm）進行高質量焊接加工;在距鋼筋梯子梁左端頭670～680mm、1970～1980mm處用厚4mm、寬100mm的薄鋼板進行包裹連接。槽鋼規格：巷道中部錨索和靠煤柱幫側錨索采用16號槽鋼連接，長2000mm。

（2）5302軌道巷兩幫支護方案

錨桿型號：Φ22×2400mm螺紋鋼錨桿（配套使用一塊150×150×10mm小墊片），幫錨桿扭距不得低于200N·M，錨固力不得低于50KN。錨桿間排距800×900mm，配套1.9m3眼w鋼帶。靠近頂板處錨桿向上傾斜15°，靠近底板處錨桿向下傾斜15°，其余垂直布置。護幫材料：長×寬為10×1.0m聚丙烯雙抗網支護。

（3） 5302軌道巷支護效果分析

圖3為5302軌道巷外段兩幫及頂板位移量，巷道支護后整體變形量較小，巷道煤柱幫比煤體幫鼓幫量大，巷道左幫鼓幫量最大值為0.088m，右幫鼓幫量最大值為0.031m。巷道頂板位移量較小，頂板表面下沉量0.048m。

5 結論

（1）根據分析煤柱集中應力在底板中傳播特征，在煤柱邊界位置不同深度底板中應力變化率達到最大值，且隨著深度的增加應力變化率逐漸減小，在煤柱寬度方向上應力變化率值隨遠離煤柱邊界逐漸向零趨近，滿足工程需求的巷道合理內錯位置，為煤柱下巷道水平位置選擇提供了依據。

（2）根據現場工程實際，得出煤柱下近距離煤層巷道內錯煤柱距離的最優值，巷道布置工程效果較好，通過礦壓分析，驗證了巷道布置的合理性。

（3）采用錨索桁架非對稱支護技術，5302軌道巷圍巖應力、兩幫及頂板變形位移量均在合理的范圍內，控制效果良好，支護方案合理。

（4）5302軌道巷距煤柱邊界水平距離為8m，較相鄰的5301軌道巷減少4m，則5302工作面可多回采煤炭資源1.64萬噸，折算精煤1.066萬噸，按照沙曲精焦煤長協價1280元/噸計算，可創造經濟效益1364.5萬元。

（5）采用該支護技術后，保障了近距離煤層開采過程中的圍巖支護質量，且巷道無需進行工字鋼棚二次補強維護，大大降低了工人勞動強度，可節約材料費用約46.2萬元。

參考文獻：

[1]丁志清.近距離煤層回采順序及工作面巷道布置方式分析[J].能源與節能，2019（09）：27-28.

[2]張學斌.近距離煤層群采動后底板應力分布及回采巷道布置方式研究[D].青島：山東科技大學，2009：1-2.

[3]程蓬.近距離煤層煤柱集中應力傳遞及巷道分區支護對策研究[J].煤礦開采，2016，21（6）：31-34.

[4]徐華君.極近距離煤層開采巷道優化布置及支護技術研究[D].徐州：中國礦業大學，2016：40-43.

剛，等.近距離煤層采空區下回采巷道合理位置的選擇[J].華北科技學院學報，2018，15（01）：6-10.

[5]錢鳴高，石平五，許家林.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2010：199-200，213，221-222.