近距離采空區下回采巷道差異性支護技術應用

孫龍龍

（山西焦煤西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交 030205）

由于地層復雜的運動特點導致多煤層群煤層間的距離存在差異性，當煤層距離較近時，上部煤層開采必然擾動下部煤層的穩定。受上部采空的影響，下部煤層頂板易出現擾動破壞，圍巖體破碎，自身承載能力極差，易出現巷道片幫、冒頂事故，直接影響礦井正常生產[1-5]。馬蘭礦12702 工作面皮帶巷掘進0～519 m 范圍內，上部間隔3.2～6.0 m 為10702采空區，為避免12702 工作面皮帶巷受采空區影響，出現嚴重的變形現象，開展近距離采空區下回采巷道差異性支護技術研究與應用，具有顯著的現實意義和推廣意義。

1 工程概況

西山煤電馬蘭礦12702 工作面開采2#煤層，位于+910 m 水平南七采區，工作面地面標高1304～1392 m，工作面標高890.1～954.0 m。工作面開采范圍內煤層總厚1.74～2.6 m，平均煤厚2.18 m，煤層傾角1°～9°，平均傾角4°，屬穩定可采煤層。煤層直接頂為深灰色粉砂質泥巖，厚1.43 m，易破碎，含黃鐵礦結核，普氏硬度5.0；基本頂為灰色S2 中粒砂巖，厚5.82 m，上粗下細，泥質膠結，層理發育，成分以石英、長石為主，普氏硬度7.6；直接底為灰黑色粉砂巖，厚0.94 m，含植物根化石，普氏硬度7.1；基本底為灰黑色粉砂巖，厚7.31 m，富含根部化石，夾菱鐵礦，普氏硬度6.6。12702 工作面皮帶巷服務于12702 工作面，用于工作面進風、原煤運輸、供電、供風、供水、排水、注氮、行人等。巷道掘進斷面為梯形，掘進高度為2.6 m，上底為3.5 m，下底4.5 m。皮帶巷掘進0～519 m 范圍內，上部間隔3.2～6.0 m 為10702 采空區。剖面相對位置示意圖如圖1。

圖1 12702 工作面皮帶巷剖面相對位置示意圖

2 采空區下巷道合理位置分析

上部煤層開采后，在采空區一側遺留的保護煤柱將產生應力集中區域，若將下部煤層巷道布置在應力集中范圍，巷道將出現嚴重礦壓顯現[6]。因此，一般將巷道布置在應力降低區范圍，遠離采空區煤柱。通過模擬分析馬蘭礦10702 工作面開采后底板支承壓力的傳遞規律，合理分析確定馬蘭礦12702工作面皮帶巷的相對位置。馬蘭礦10702 工作面開采后的底板巖層應力分布特征如圖2，10702 采空區一側下部煤層應力分布特征如圖3。

圖2 10702 工作面開采后底板巖層應力分布特征

圖3 10702 采空區一側下部煤層應力分布特征

如圖2 和圖3 所示， 10702 工作面開采后，采空區側的煤柱對底板巖層支承壓力有顯著的影響。在煤柱下方底板巖層應力集中程度最高，隨著距煤柱距離的不斷增加，支承應力明顯衰減，當距煤柱的距離大于3 m 時，底板巖層應力開始小于原巖應力。因此，12702 工作面皮帶巷布置在10702 采空區煤柱3.0 m 距離以外。12702 工作面皮帶巷距10702 采空區煤柱的距離不同時，巷道左幫的應力分布特征如圖4。由圖可知，隨著巷道距10702 采空區煤柱距離的增加，煤層內部應力顯著降低。根據馬蘭礦采掘規劃，目前12702 工作面皮帶巷布置在距10702 采空區煤柱距離44 m 處。由圖可知，12702 工作面皮帶巷左幫10 m 范圍內的煤層應力均屬于近零應力分布區域，12702 工作面皮帶巷圍巖應力環境良好。

圖4 12702 工作面皮帶巷左側煤層應力分布特征

3 采空區下回采巷道差異性支護技術

12702 工作面皮帶巷采用采空區下回采巷道差異性支護技術，巷道采用錨網進行永久支護，采用錨索或工字鋼棚進行加強支護。當巷道距上部采空區間距大于4.3 m 時，采用錨索進行加強支護；當巷道距上部采空區間距小于4.3 m 時，采用工字鋼棚進行加強支護。具體支護參數如下：

（1）錨網支護

巷道采用錨桿+鋼筋鋼帶、金屬網進行主動支護。錨桿采用直徑20 mm、長度2000 mm 的左旋高強錨桿，間排距為1000 mm×1000 mm，頂板每排布置4 根，幫部每排布置3 根。錨桿采用鋼筋鋼帶連接，鋼筋鋼帶由14 mm 的圓鋼焊接而成，配120 mm×120 mm×12 mm 的蝶形壓制托盤，預緊扭矩不低于280 N·m。金屬網采用直徑3.4 mm 焊接的菱形金屬網。

（2）加強支護

① 錨索加強支護

當巷道距上部采空區間距大于4.3 m 時，采用錨索進行加強支護。錨索采用直徑18.9 mm、長度4300 mm 的高預緊力錨索，間排距為2000 mm×2000 mm， 每 排 布 置2 根。 錨 索 配300 mm×300 mm×14 mm 的蝶形壓制托盤，預緊力不低于40 MPa。支護斷面圖如圖5（a）。

② 棚式加強支護

當巷道距上部采空區小于4.3 m 時，采用工字鋼棚加強支護。工字鋼棚采用礦用11#工字鋼加工，棚梁3500 mm，棚腿2900 mm，棚距1000 mm，棚子架設在兩排鋼帶中間。支護斷面圖如圖5（b）。

圖5 加強支護區域巷道支護斷面圖（mm）

4 巷道變形特征

提出的采空區下回采巷道差異性支護技術應用于12702 工作面皮帶巷，皮帶巷掘進時采用十字測試法監測巷道圍巖位移情況。

圖6 給出了12702 工作面皮帶巷圍巖位移曲線（2 個測點）。由圖可知，巷道支護初期巷道頂幫圍巖移近速度均較快；巷道掘進15 d 后，巷道頂幫圍巖移近速度顯著降低，位移曲線趨于平穩；巷道掘進21 d 后，頂幫圍巖移近速度趨于 0 mm/d，巷道圍巖趨于穩定。此時，巷道頂板最大下沉量在210～220 mm 范圍，幫部表面最大位移量在116 mm左右。綜上表明， 12702 工作面皮帶巷位于采空區應力降低區，其圍巖應力環境良好，設計采用的采空區下回采巷道差異性支護技術可有效控制12702工作面皮帶巷圍巖穩定，證明了采空區下回采巷道差異性支護技術和參數的合理性和可靠性。

圖6 12702 工作面皮帶巷圍巖位移曲線

5 結論

上部煤層開采形成的采空區擾動破壞下部煤層頂板巖層，巷道掘進易出現大變形現象，為此，以12702 工作面皮帶巷上部賦存10702 采空區為工程背景，通過分析10702 開采后底板支承壓力的傳遞規律，分析認為目前布置12702 工作面皮帶巷處于近零應力分布區域，圍巖應力環境良好。基于此，設計了采空區下回采巷道差異性支護技術，12702工作面皮帶巷采用錨網進行永久支護，采用錨索或工字鋼棚進行加強支護，現場應用證明了采空區下回采巷道差異性支護技術和參數的合理性和可靠性。