近距離煤層回采巷道支護(hù)設(shè)計

馮 剛，田王健

（1.晉能控股煤業(yè)集團(tuán)泰山隆安煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036600；2.晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院（太原）科學(xué)技術(shù)研究有限公司，山西 太原 030006）

1 401工作面概述

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)泰山隆安煤業(yè)有限公司401工作面為11下層四采區(qū)首采工作面，工作面設(shè)計走向長度為1 400 mm、傾向長度為185 m，工作面布置在11下煤層內(nèi)，煤層厚度3.7～5.09 m，平均4.5 m，賦煤區(qū)煤層由東向西、由北向南逐漸變厚；11上煤層，最大煤層厚度1.9 m，最小煤層厚度1.38 m，平均厚度1.66 m；11上與11下煤層最大層間距為3.46 m，最小層間距為2.01 m，平均層間距為2.74 m，屬極近距離開采煤層。11 號煤層直接頂板巖性為泥巖和細(xì)砂巖，厚0.92～7.96 m，平均3.90 m，節(jié)理裂隙發(fā)育，是典型的易冒落的頂板巖石組合；底板巖性為泥巖和砂質(zhì)泥巖，厚1.12～2.86 m，平均2.10 m，平整無底鼓現(xiàn)象。

2 回采巷道布置方式

為了保證401 工作面安全高效回采，11下煤層工作面煤柱的留設(shè)不僅要考慮11上煤層對11下煤層工作面的影響，還要保證11下煤層工作面正常回采及有效銜接。因此通過提出11下煤層回采巷道布置方案，進(jìn)而確定合理巷道布置方式及煤柱合理留設(shè)寬度[1-2]。

2.1 布置方案

1）方案一內(nèi)錯式布置：11下401 工作面回風(fēng)巷道布置在11上401 采空區(qū)下；11下401 工作面運(yùn)輸巷道布置在11上401 采空區(qū)下，內(nèi)錯11上401 工作面，內(nèi)錯布置。此方案中，11下401 工作面運(yùn)輸巷及回風(fēng)巷均布置在11上401 采空區(qū)下應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，圍巖應(yīng)力相對較小，與11上煤層煤柱錯距合理，應(yīng)力不均衡程度相對較低，11下401 工作面區(qū)段煤柱留設(shè)尺寸較大，11上煤層工作面長度減小，煤炭資源采出率較低。

2）方案二外錯式布置：11下401 工作面運(yùn)輸巷與11下401 工作面回風(fēng)巷均布置在11上401 工作面煤柱下，外錯11上401 工作面煤柱邊緣一定距離。此方案中，工作面回采期間極易導(dǎo)致該巷道圍巖控制難度增大，11下401 工作面區(qū)段煤柱留設(shè)寬度合理，工作面長度滿足生產(chǎn)需求，煤炭采出率較高。

3）方案三同向內(nèi)錯式布置：11下401 工作面運(yùn)輸巷布置在井田邊界處，11下401 工作面回風(fēng)巷布置在11上401 工作面采空區(qū)下方，11下403 工作面進(jìn)風(fēng)巷布置在11上401 工作面采空區(qū)下方，即“同向內(nèi)錯”11上401 工作面布置，如圖1 所示。此方案中，11下401 工作面運(yùn)輸巷及回風(fēng)巷均布置在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，有利于巷道掘進(jìn)，工作面長度延長，煤炭采出率高，但巷道上部無穩(wěn)定巖層錨固工作面回采期間極易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而導(dǎo)致巷道維護(hù)難度增大。

圖1 401 工作面順槽同向內(nèi)錯式平面布置示意圖

2.2 應(yīng)力分析

針對提出的三種巷道布置方案，采用FLAC3D軟件對三種方案不同布置方式進(jìn)行數(shù)值模擬計算。

1）方案一：11下工作面回采巷靠近上煤層遺留煤柱側(cè)塑性區(qū)，破壞深度為1～3 m，且由于上煤層采空區(qū)上覆巖層垮落后逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，11下401 工作面運(yùn)輸巷底板及兩幫屈服破壞不明顯，此時有利于巷道維護(hù)；11下401 工作面回采巷道最大垂直應(yīng)力為1.5 MPa，剪切應(yīng)力最大值為2.5 MPa，且巷道所在區(qū)域為應(yīng)力降低區(qū)。

2）方案二：11下401 工作面回采巷道外錯上煤層11上401 工作面采空區(qū)，兩幫塑性區(qū)破壞深度超過3 m，且發(fā)生剪切破壞和拉伸破壞，頂板破壞深度范圍與11上401 工作面圍巖破壞范圍連成一片，使11下401 工作面運(yùn)輸巷維護(hù)難度增大，且不利于安全高效生產(chǎn)的目的；11下401 工作面回采巷道受上煤層遺留煤柱集中應(yīng)力影響，最大垂直應(yīng)力達(dá)12 MPa，剪切應(yīng)力最大達(dá)5 MPa，處于應(yīng)力較高區(qū)段。

3）方案三：11下401 工作面運(yùn)輸巷均布置于11上401 工作面采空區(qū)下，此時巷道底板及兩幫剪切破壞及拉伸破壞較輕，頂板破壞深度與11上401 工作面運(yùn)輸巷圍巖破壞范圍貫通，巷道整體處于應(yīng)力降低區(qū)，不易受到上煤層煤柱影響，有利于巷道圍巖控制；11下401 工作面回采巷大部分位于垂直應(yīng)力降低區(qū)，只有靠近上煤層遺留煤柱側(cè)仍然受到集中應(yīng)力的影響，最大垂直應(yīng)力為2.5～5 MPa，剪切應(yīng)力在3.5 MPa，但整體仍處于應(yīng)力降低區(qū)，巷道應(yīng)力環(huán)境良好，易于維護(hù)。

綜上，結(jié)合礦井生產(chǎn)實際及11下煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類研究，分析不同巷道布置方案下圍巖應(yīng)力分布規(guī)律及塑性區(qū)破壞范圍，初步確定采用方案三“同向內(nèi)錯”進(jìn)行巷道布置。

3 回采巷道支護(hù)技術(shù)

401 工作面回采“同向內(nèi)錯”布置時，考慮巷道施工安全，決定對回采巷道采用注漿錨桿、錨索棚、梯形棚等聯(lián)合支護(hù)。近距離煤層下401 回風(fēng)巷支護(hù)斷面、平面示意圖如圖2 所示。

圖2 近距離煤層下401 回風(fēng)巷支護(hù)斷面、平面示意圖（單位：mm）

3.1 注漿錨桿支護(hù)

為了保證近距離煤層下巷道掘進(jìn)安全，401 回采巷道為梯形狀，巷道上邊寬度為4.8 m、下邊寬度為5.2 m、高度為3.5 m；為了提高頂板穩(wěn)定性，決定對頂板施工注漿錨桿支護(hù)。

1）由于401 回采巷道原頂板主要采用單錨桿（索）支護(hù)，頂板錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿長度為2.5 m、直徑為22 mm，錨桿布置間排距為1.0 m；但是由于層間距小，頂板破碎嚴(yán)重，導(dǎo)致原頂板錨桿支護(hù)失效現(xiàn)象嚴(yán)重，所以決定對原頂板錨桿進(jìn)行優(yōu)化，采用注漿錨桿支護(hù)，注漿錨桿與原頂板錨桿配合支護(hù)，采用“三二三”布置方式，注漿錨桿布置間排距為2.0 m。

2）注漿錨桿長度為3.5 m、直徑為35 mm，注漿錨桿為中孔狀，中部孔直徑為15 mm，在注漿錨桿四周均勻布置直徑為10 mm 注漿射孔，射孔布置間距為0.5 m，為了便于注漿錨桿錨固作用，錨桿段位設(shè)置為銷尖狀。

3）首先在巷道頂板施工錨桿鉆孔，鉆孔深度為3.5 m、直徑為38 mm，鉆孔施工完后對其錨注注漿錨桿，然后在錨桿中孔內(nèi)安裝注漿軟管，并將注漿軟管與注漿泵連接，在錨桿端部安裝止?jié){塞，最后進(jìn)行注漿施工，注漿液采用馬麗散漿液。

3.2 錨索棚支護(hù)

為了進(jìn)一步提高頂板穩(wěn)定性，決定對401 回風(fēng)巷采取錨索棚進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

1）錨索吊棚主要由槽鋼、恒阻錨索等部分組成，槽鋼長度為4.2 m、寬度為0.15 m，槽鋼上焊制3 個錨索支護(hù)孔，孔間距為1.8 m、直徑為30 mm；恒阻錨索長度為4.0 m，直徑為21.8 mm。

2）錨索吊棚布置間距為2.0 m，首先在相鄰兩排單錨桿之間對頂板施工3 根恒阻錨索，錨索采用3 支錨固劑進(jìn)行錨固，錨索錨固后外露長度控制在0.3 m范圍內(nèi)；待3 根錨索安裝后安裝槽鋼，并采用鎖具進(jìn)行預(yù)緊[3-5]。

3.3 梯形棚支護(hù)

為了進(jìn)一步提高采空區(qū)下巷道兩幫煤柱支撐強(qiáng)度，降低頂板破碎現(xiàn)象，決定對采空區(qū)下巷道支設(shè)梯形鋼棚。

1）支設(shè)的梯形棚主要由梯形棚頂梁、U29 型棚腿、底座等部分組成。其中梯形棚主要由若干根長度為4.2 m 圓鋼組成，圓鋼主要采用夾板進(jìn)行固定，梯形棚兩端安裝一塊鋼板，鋼板上布置4 個直徑為20 mm 的支護(hù)圓孔。

2）梯形棚架設(shè)順序為底座→棚腿→頂梁，其中底座采用地錨進(jìn)行固定，同一架鋼棚底座必須固定在同一水平面上；在進(jìn)行棚腿安裝時棚腿與底座之間采用螺母進(jìn)行固定，棚腿與底座之間安裝角度為78°。

4 結(jié)語

通過對401 工作面回采巷道布置方案進(jìn)行合理選擇，并對近距離采空區(qū)下巷道采取了合理有效的支護(hù)技術(shù)后，巷道在后期掘進(jìn)過程中未出現(xiàn)頂板破碎、斷裂現(xiàn)象，有效解決了近距離煤層下巷道掘進(jìn)支護(hù)難度大、支護(hù)效果差、圍巖破碎等技術(shù)難題，保證了巷道安全快速掘進(jìn)，取得了顯著應(yīng)用成效。