小峪煤礦采空區下巷道合理內錯距及圍巖控制技術研究

康保福

（晉能控股煤業集團朔煤小峪煤業有限公司，山西 朔州 038300）

1 工程概況

1.1 地質概況

小峪煤礦8208 工作面位于402 盤區，主采22#煤層平均傾角為3°、走向127°、傾向北東。煤層平均厚度10.75 m，結構較穩定，含三層夾矸，結構為煤4.2 m、泥巖0.25 m、煤2 m、頁巖1 m、煤3.3 m。頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板結構

22#煤層上覆19#煤層，層間距3～12 m。19#煤層平均厚度為5.7 m，其頂板為碳質泥巖，底板為高嶺巖。

1.2 巷道概況

目前正在掘進的2208 巷為8208 回采工作面進風兼運煤和運料巷道，設計長度1872 m，矩形斷面，掘寬5.5 m、高3.4 m，掘進斷面積18.7 m2。巷道沿22#煤層底板掘進，北部為實煤區，南部為實煤區，西部為402 盤區皮帶巷，東部為礦界，上覆為19#層4808 工作面采空區。為保證采空區下2208 巷的正常掘進，需對巷道的合理位置選擇及支護方案進行研究。

2 采空區下巷道合理位置

2.1 模型建立及方案

下位煤層巷道的穩定性主要與煤層間距及內錯距離相關，為確定出巷道合理的位置，采用FLAC3D數值模擬軟件，根據19#煤層、22#煤層及2208 巷的實際賦存條件建立模型，模型尺寸為：長×寬×高=300 m×200 m×50 m。為模擬上覆巖層的壓力，在模型頂部施加5.7 MPa 均布載荷，通過位移邊界條件對模型四周和底部進行約束。為使模擬結果準確度更高，采用fill 命令模擬垮落矸石充填采空區。模擬時，模型中煤巖體的受力屈服破壞統一遵循Mohr-Coulomb 破壞準則，各煤巖體的物理力學參數按表2 進行賦參。

表2 煤巖體物理力學參數

模擬中，煤層間距分別取3 m、5 m、8 m、10 m 及12 m，巷道與采空區煤柱的內錯距離分別為5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m 及35 m，將兩種因素組合，共計35 組模擬方案。

2.2 模擬結果分析

圖1 為不同煤層間距及內錯距離下，上位19#煤層開采后2208 巷的圍巖變形規律。

圖1 不同煤層間距及內錯距離下巷道變形規律

由圖1 可知：

1）巷道圍巖的變形量隨著煤層間距的增大而逐漸減小，其中巷道頂底板移近量的變化幅度最明顯；煤層間距為3 m 及5 m 時，圍巖變形量較大，且隨著內錯距離增加減小幅度明顯；當煤層間距大于8 m 時，上位煤層開采對于下位巷道的擾動作用明顯降低；不同煤層間距下，巷道圍巖變形量均隨著內錯距離的增加而逐漸減小，并在30 m 內錯距離時趨于穩定。

2）隨著煤層間距的增大，內錯距離對巷道圍巖穩定性的影響逐漸減弱，即煤層間距的增大使下位巷道受采動的影響降低。以煤層間距為5 m 時為例，內錯距離為5 m 時，巷道頂底板移進量為390 mm，而內錯距為20 m 及30 m 時的頂底板移進量分別為294 mm 及236 mm，較5 m 內錯距分別降低了22.05%、39.49%；5 m 煤層間距下，內錯距離為5 m 時，巷道兩幫移進量為920 mm，而內錯距為20 m 及30 m 時的兩幫移進量分別為392 mm 及261 mm，較5 m 內錯距分別降低了57.39%、71.63%。

由模擬結果可以看出，當巷道內錯距離小于30 m 時，適當提高內錯距離可以顯著降低圍巖的變形量，但當內錯距離大于30 m 時，提高巷道內錯距離對圍巖穩定性的影響不再明顯，反而會影響后續工作面的布置。因此，結合現場實際條件及類似工程經驗，確定出2208 巷與上位19#煤層采空區煤柱的合理內錯距離為30 m。

3 采空區下巷道支護方案

由于巷道布置于近距離煤層采空區下，圍巖不僅受掘進時的擾動，還受上位煤層及本煤層的采動影響，應力集中程度較高，導致圍巖較破碎、承載力差，需及時支護并適當增大支護強度[1-4]。

1）巷道頂板支護

頂錨桿采用直徑20 mm、長度2200 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，屈服強度大于400 MPa，每排布置6 根，間排距均為1000 mm，靠近巷道兩幫的錨桿距巷幫250 mm 處施工，與水平線夾角為75°，其余錨桿均垂直頂板施工。錨桿托盤采用高強度蝶形托盤，長、寬均為110 mm，厚10 mm。另外，為防止碎矸掉落，每排布置一根長5200 mm、寬220 mm 的W 型鋼帶，并被直徑為80 mm 的金屬網進行護表。

頂錨索采用直徑17.8 mm、長度5300 mm 的7股鋼絞線制成，每排布置4 根，間距為1300 mm，排距為2000 mm，均垂直頂板施工。巷道兩肩窩處布置角錨索，其直徑為17.8 mm、長度為4300 mm，與水平線的夾角為45°，排距為2000 mm。每排錨索吊長度為4400 mm、寬度為330 mm 的JW型高強度鋼帶，并背金屬網進行護表；角錨索吊短節的11#礦用工字鋼進行護表，長度為300 mm。錨索托盤均為220 mm 長、12 mm 厚的異形托盤。

2）兩幫支護

幫錨桿采用直徑18 mm、長度1800 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間距為900 mm，排距為1000 mm。最上排幫錨桿在距巷道頂板300 mm 處施工，并向上傾斜15°；最下排幫錨桿在距巷道底板400 mm 處施工，并向下傾斜15°。錨桿托盤采用寬為110 mm、厚10 mm 的平托盤，中間的2 排錨桿與直徑17.8 mm、長度4300 mm 的錨索交替布置，幫錨索采用寬250 mm、厚16 mm 的鋼托盤。每排幫錨桿均配套長450 mm、寬220 mm、厚3 mm 的W 型鋼護板及80 mm×80 mm 的菱形金屬網進行護表支護。

3）錨固長度及預緊力

頂錨桿采用兩支樹脂藥卷進行錨固，預緊扭矩不低于250 N·m，保證錨固力不小于125 kN；幫錨桿采用一支樹脂藥卷進行錨固，預緊扭矩不低于150 N·m，保證錨固力不小于85 kN；頂錨索采用三支樹脂藥卷進行錨固，錨索預應力不低于210 kN，保證其錨固力不小于320 kN。

巷道支護如圖2。

圖2 巷道支護設計圖（mm）

4 應用效果

為分析2208 巷布置方式及支護方案的應用效果，在巷道內布置監測站，采用十字布點法監測巷道在掘進期間圍巖變形量。監測結果如圖3。

圖3 掘進期間圍巖變形監測

監測結果表明，在掘進支護初期變形速度較快，并于15 d 后逐漸趨于平穩，其中，巷道頂底板最大移近量為100 mm，兩幫最大移近量為260 mm。巷道圍巖整體的變形量均在允許范圍內，保證了礦井的安全高效生產。

5 結論

1）通過數值模擬分析了不同煤層間距及內錯距離對巷道圍巖穩定性的影響，得出2208 巷與上位19#煤層采空區煤柱的合理內錯距離為30 m。

2）基于工作面實際條件，對采空區下巷道支護方案進行了詳細設計?，F場應用結果表明：掘進支護初期變形速度較快，并于15 d 后逐漸趨于平穩，其中，巷道頂底板最大移近量為100 mm，兩幫最大移近量為260 mm。巷道圍巖整體的變形量均在允許范圍內，保證了礦井的安全高效生產。