近距離下煤層回采巷道頂板支護研究

蔡迎超

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦，山西 方山 033000）

近距離煤層資源在我國較為常見，在正常開采過程中，先行開采煤層會嚴重影響后續煤層的開采，下煤層頂板受到上煤層開采影響出現不同程度的損傷，造成頂板巖石特性下降，出現頂板下沉甚至坍塌的事故[1-2]，所以對近距離下煤層巷道的圍巖變形及下煤層巷道支護十分重要[3-4]。本文以木瓜煤礦為研究背景，對不同內錯距離下巷道圍巖變形情況進行分析，給出了巷道的支護方案，并通過工業化試驗驗證了支護方案的可行性，為木瓜煤礦近距離煤層開采做出貢獻。

1 概況

木瓜煤礦位于山西省方山縣大武鎮木瓜村南，目前主采煤層為8#、9#煤層，兩層煤平均厚度分別為3.1 m 和2.7 m，煤層的平均間距為4.34 m。其中29204 工作面回采巷道布設8#煤層底板中，由于8#煤層的開采造成該回采巷道頂板破碎，控制難度較大。9#煤層頂底板巖層分布表見表1。

表1 9#煤層頂底板巖層分布表

2 數值模擬

為了更好地掌握上下煤層巷道相對位置關系下的圍巖變形情況，進行模擬研究。首先進行模型的建立，根據地質情況利用FLAC3D數值模擬軟件建立110 m×45 m×5 m的模型，對模型進行網格劃分。為提升計算速度，對模型進行適當粗劃分，對模型巖層的物理參數進行設定，選用摩爾-庫倫模型為本構模型，完成模型建立。確定3 種模擬方案，分別為上下煤層巷道內錯距離10 m、20 m、30 m，進行模擬計算，模擬結果云圖如圖1。

由圖1 分析可知，當下層煤的巷道與上煤層回采巷道內錯距離為10 m 時，下煤層回采巷道整體處于應力降低區范圍內，掘巷后巷道的頂底板及兩幫的垂直應力向著巷道兩側深處煤巖轉移，此時巷道圍巖的整體應力處于較低水平，垂直應力最大值不超過2.0 MPa。當下煤層巷道布置與上煤層回采巷道內錯距離為20 m 時，下煤層回采巷道圍巖應力處于應力降低區與應力恢復區交界位置，此時受到掘巷的應力擾動，在巷道靠著原巖應力恢復區的煤幫受力大于應力降低區煤幫，在應力恢復區位置最大垂直應力為8.92 MPa，而在應力降低區附近垂直應力不超過2.0 MPa。當內錯距離為30 m 時，下煤層回采巷道處于采空區矸石支承影響區范圍內，此時掘巷前的圍巖應力大于原巖應力，掘巷后的兩幫煤體應力升高較為明顯，最大應力為4.67 MPa，在巷道兩幫側的底板應力增加漲幅較小。綜上所述，當下煤層回采巷道與上回采巷道的內錯距離設定為10 m 時，下煤層回采巷道處于應力降低區，巷道穩定性較佳，對于后期支護較為有利。

圖1 不同內錯距離下巷道應力云圖

3 支護設計及工業化試驗

3.1 支護設計

進行巷道圍巖支護設計時，考慮到煤層的平均間距為4.35 m，由于上煤層開采使得下煤層巷道圍巖破碎嚴重，所以在進行支護方案設計時需要考慮如下因素：（1）由于下煤層頂板變形嚴重，下煤層頂板難形成穩定結構，所以采用錨桿錨索主動支護，發揮頂板殘余強度，降低頂板片幫現象；（2）增加巷道前期支護強度，避免掘巷過程中出現頂板事故。

根據支護原則設計支護方案，整體巷道支護方案為錨桿錨索聯合支護。錨桿選用Ф22 mm×1800 mm 的高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，頂部錨桿間排距為800 mm×800 mm，幫錨桿間排距為750 mm×800 mm，頂板錨桿預緊力矩為240 N.m，幫錨桿的預緊力矩為200 N.m；錨索選用型號Ф21.6 mm×3500 mm 的高強度鋼絞線，錨索間排距為1200 mm×1500 mm。同時，在巷道頂板采用Ф6 mm 的金屬網進行護表，網格尺寸為100 mm×100 mm，每兩個網孔間選用16#鐵絲進行綁扎，在金屬網鋪設完成后選用W 鋼帶對巷道的頂板進行固定，鋼帶型號為BHW-280-3.0-5.7，鋼帶寬度為280 mm，厚度為3 mm，長度為5.7 m。錨桿錨索托盤分別為150 mm×150 mm×8 mm 和300 mm×300 mm×20 mm 托盤。錨桿采用MSZ23/60及MSK23/60 樹脂藥卷進行錨固，每根錨桿各用兩種樹脂藥卷一只，每根錨索用3 支MSZ23/60 和1支MSK23/60樹脂藥卷。具體巷道支護斷面圖如圖2。

圖2 巷道支護斷面圖（mm）

3.2 工業化試驗

為驗證29204 工作面回采巷道支護效果，對巷道的表面位移進行監測，選定軌道順槽150 m 的范圍為試驗巷，將試驗巷分為三段，分別為首段、中段、末段，分別在三段的中間布設測站，檢測巷道的表面位移。測站布置示意圖如圖3。

圖3 測站布置示意圖

測站斷面頂面中點設置監測點，固定時間間隔監測，總共監測30 d。巷道頂板在不同測站頂板下沉量曲線如圖4。

圖4 不同測站下頂板下沉曲線

由圖4 可知，試驗巷的三段變形曲線中頂板的下沉量隨著時間的增長，巷道頂板下沉量呈現逐步增長的趨勢。在巷道掘進初期巷道頂板下沉變形量快速增大，隨著掘進的不斷推進，變化速率逐步減緩，變形量逐步趨于穩定。在巷道掘進10 d 前，巷道頂板下沉量快速增大，此時巷道頂板下沉量達到最終穩定下沉量的70%以上。在巷道掘進15 d 時，頂板下沉量趨于穩定，三段試驗巷的頂板下沉量區別不大，均為106 mm。巷道整體變形量較小，圍巖控制較好。

4 結論

（1）通過數值模擬發現當下煤層回采巷道與上煤層回采巷道的內錯距離設定為10 m 時，下煤層回采巷道處于應力降低區，便于巷道控制。

（2）通過模擬結合實際地質情況，給出了錨桿+錨索+金屬網+W 鋼帶聯合支護方案。

（3）頂板下沉量隨著時間的增加呈現逐步增大，在15 d 達到穩定時，頂板下沉量為106 mm，控制效果較佳。