极近距离煤层采空区下回采巷道支护设计

作者：赵正军

摘要：以岚县葛铺煤矿4号煤层开采为工程背景，对极近距离煤层采空区下回采巷道支护技术进行研究。结合工程实际，分析4号煤层开采时回采巷道主要支护难点；确定回采巷道的合理位置；结合地质数据及数值模拟结果选定巷道支护方案并确定具体支护参数。

关键词：极近距离煤层；采空区；巷道位置；支护方案设计

0引言

在极近距离采空区下进行巷道掘进时，受采空区应力、围岩应力等集中应力的影响，巷道围岩变形严重，特别是不稳定顶板对上覆采空区填充矸石支撑作用力小，导致巷道掘进过程中顶板出现下沉、断裂、破碎等现象，故在掘进过程中要对巷道进行有效的支护。岚县葛铺煤矿现开采一采区4^-1号煤层，4^-1号煤层开采至今仅剩余2个正规开采工作面，下一步将开采4号煤层。4号煤层煤厚0.40~3.43m，平均2.31m。4号煤层与上部4^-1号煤层间距0.70~8.75m，平均3.88m，4^-1号煤层与4号煤层属于极近距离煤层。

1 主要支护难点

4号煤层开采时，回采巷道的支护主要面临以下几个难点：

1）上部4^-1号煤层的开采活动导致原来的应力平衡状态发生破坏，使回采空间周边的围岩应力重新分布，在回采空间周边煤岩柱上造成应力集中，对4号煤层回采巷道位置的选取有很大影响。

2）上部极近距离4^-1号煤层开采后对底板岩层和下部煤层造成损伤，而下部煤层回采巷道布置在采空区下，当两相邻煤层之间的层间距极小时，下部煤层巷道顶板破碎严重，因此对巷道支护水平有较高要求。且根据表1所示的工程数据可知，本矿井4^-1号煤与4号煤最大层间距为8.75m，最小层间距仅为0.7m，因此要根据不同的围岩地质情况分区域采取相应的支护方式，做到安全、高效支护。

3）受上部极近距离4^-1号煤层开采的采动影响，下部4号煤层顶板损伤较为严重，所以对4号顶板回采巷道支护强度有更高的要求。

基于以上分析，必须对本矿井4号煤层回采巷道布置方式与支护参数进行研究，结合矿井工程地质条件进一步确定更加安全、经济的巷道布置及支护方式，为4号煤层安全高效开采提供技术支撑，实现矿井可持续发展。

表1  4^-1和4号煤层特征表

2 4号煤回采巷道围岩稳定性分析

2.1回采巷道位置的布置

尽量将下煤层回采巷道的布置位置避开上煤层所遗留煤柱的高应力影响区，使其处于应力降低区，巷道易于维护。经研究发现，4^-1号煤层遗留煤柱形成的高应力区主要分布在煤柱下方，影响过渡区分布在煤柱边缘附近（距煤柱中心水平距离10~20m），再往外为应力稳定区，基本不受煤柱影响。因此，为避开4^-1号煤层遗留煤柱支撑压力的应力集中作用影响，4号煤层回采巷道的位置应选定在应力稳定区，即与4^-1号煤层所遗留煤柱的水平距离不小于10m。

2.2下部煤层巷道破坏特征

理论上将下部4号煤层回采巷道的位置选定在上部4^-1号煤层开采后形成的采空区下能够避开上煤层遗留煤柱产生的应力集中和非均匀受力的影响，但由于两煤层之间的间距太小，巷道围岩的稳定性结构遭到破坏，围岩性质恶化。通过对下部煤层巷道因上部煤层开采而产生的受力及变形进行数值模拟，分析采空区下回采巷道变形破坏特征，得出结果如图1所示。

图1  上部煤层采空区下巷道变形破坏特征

根据数值模拟的结果可知，受上部煤层采动影响，巷道顶板的破坏主要是拉伸破坏和剪切破坏，拉伸破坏主要出现在顶板中部区域，剪切破坏主要出现在巷道顶板的端部；下部煤层巷道顶板出现明显下沉，巷道顶板的位移主要是由拉伸破坏引起的竖向位移，同时巷道顶板还出现了剪切破坏，故顶板在水平方向还出现了横向位移。

3 支护方案设计

3.1 4号煤回采巷道支护方式的确定

结合表2矿井工程地质物理力学测试数据和图2~3数值模拟结果可知，4^-1号煤层底板岩层的水平拉应力随深度增加呈现增长趋势。在距离煤柱中心水平距离为10m，深度为9m处，底板的水平拉应力为5MPa左右，大于底板砂质泥岩的平均抗拉强度1.00MPa，也大于底板细粒砂岩的平均抗拉强度3.77MPa，故深度为9m范围内的底板岩层已经发生破坏。可见在4^-1号煤层开采以后，4号煤层顶板已完全发生拉破坏，其顶板结构类型为散体结构或碎裂结构。

表2  4^-1号煤层底板力学性质表

图2  4^-1号煤柱宽度下部煤层应力分布曲线

图3  底板不同深度位置处的水平应力

目前，常用的支护方式主要有棚式支架支护、锚网索支护、注浆加固支护和喷射混凝土支护等。由于极近距离煤层间隔小，部分区域间隔层厚度小于1m，导致锚杆支护无法稳定锚固，限制了锚杆的使用。因此，需要根据4号煤层回采巷道顶板条件以及间隔层厚度来确定采用的支护方式。

结合国内其它矿区极近距离煤层的回采巷道支护实践经验。确定4号煤层回采巷道的支护方式为：1）对于散体结构顶板，以架棚支护为主，以锚网（索）支护为辅；2）对于碎裂结构顶板，以锚网索支护为主，若遇地质特殊段，辅以架棚支护或其他支护。

3.2回采巷道支护参数的确定

3.2.1 4号煤层回采巷道锚杆支护参数

根据煤炭系统 1988 年颁布使用的《我国缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类方案》及本矿井地质情况，确定4号煤层回采巷道围岩属于Ⅴ类极不稳定围岩。故按Ⅴ类极不稳定围岩设计4号煤层回采巷道的支护方式与支护参数。在此基础上，结合2018 年煤炭工业协会提出的《煤矿巷道锚杆支护技术规范》（GB/T35056-2018），推荐的巷道锚杆主要支护参数为：锚杆采用全长锚固，杆体直经18~24mm，杆体长度2.0~2.6m，间排距0.6~1.0m。该支护参数作为4号煤层回采巷道支护设计的基本依据。

1）锚杆材质

我国目前主要使用金属杆体锚杆与玻璃钢杆体锚杆，其中金属杆体锚杆包括普通圆钢和螺纹钢锚杆。普通圆钢锚杆存在杆体强度低、刚度低和螺纹部分直径比杆体小、承载能力低等缺陷，其用量越来越少，主要用于一些简单的地质条件。由于4号煤层回采巷道围岩属V类（极不稳定）围岩，初步确定支护锚杆选用BHRB400型高强度螺纹钢锚杆。其化学成分见表3，力学性能见表4。

表3  高强度锚杆螺纹钢的牌号及化学成分

表4  螺纹钢锚杆的力学性能

2）锚杆直径

为了对巷道顶板的变形进行有效的控制，锚杆必须对围岩形成可靠地支护。研究表明，在其它条件一定的情况下，锚杆支护阻力与杆体直径成正比，即直径越大，支护阻力和锚杆支护系统刚度越大，对支护越有利。另一方面需考虑锚杆直径与钻孔直径的合理匹配，现有工程实验数据表明，钻孔与锚杆直径相差6~8mm 时，两者匹配效果最好。

目前常用的锚杆钻孔孔径为Ф28~32mm，为减少树脂用量，钻孔孔径选为28mm；而常用锚杆直径规格为16mm、18mm、20mm和22mm。由于4号煤层回采巷道围岩属 V 类（极不稳定）围岩，确定锚杆直径为20mm。

3）锚杆长度

锚杆长度是锚杆支护参数中的关键参数之一，就巷道整个支护系统而言，锚杆长度不能太短，当顶板裂隙较为发育时，太短会使整个锚杆加固的围岩强化圈的厚度变小，不利于顶板加固系统的稳定。

综合考虑4号煤层回采巷道围岩的稳定性分类结果，两帮锚杆的长度为2.2m，有效长度2.0m；而顶板锚杆长度将依据煤层间距大小来确定：若煤层间距小于1.5m时，不再进行锚杆支护；若煤层间距大于2.2m，锚杆长度为2.2m；若煤层间距介于两者之间，锚杆长度不大于层间距。

3.2.2 4号煤层回采巷道锚索支护参数

根据4号煤层的开采地质条件，确定选用的锚索材质类型为1×7股钢绞线锚索。

1）锚索长度

锚索主要起悬吊作用，锚索通过固定于上部稳定的岩层中，减少重力对锚固区下沉运动的影响，提高锚固区压缩拱的稳定性。

图4  锚索的悬吊作用

当巷道顶板内有坚硬稳定岩层时，锚索长度要使其在稳定岩层中有足够的锚固长度。当巷道顶板为软弱破碎岩层时，锚索长度要使其在自然平衡拱内有足够的锚固长度。因巷道围岩为不稳定的泥岩和砂质泥岩，且受采动压力影响，此处采用自稳平衡拱（图4）来确定锚索长度，公式如下：

式中，——锚索长度, m；

H——极限自稳平衡拱高度, m；

——锚索锚固段长度，一般为1.5～1.8m；

——锚索外露长度，一般为0.15～0.25m。

极限自稳平衡拱高度按下式计算：

式中，为巷道掘进宽度，胶带顺槽取4.5m,轨道顺槽取4.0m，为巷道掘进高度，取3.15m，为顶板抗拉强度，取3.0MPa；为顶板内摩擦角取32.77°，为巷道处顶板压力，考虑到工作面超前支承的影响，取20MPa。把数值代入公式，得胶带顺槽和轨道顺槽极限平衡拱高度分别为3.26m和2.90m。按胶带顺槽确定锚索长度，则要求：

根据矿井应用锚索的现状，考虑到选用锚索长度为最短4.9m，可根据层间距加长，最长取7.3m。考虑到锚索长度应不小于层间距减去0.3m，则当层间距大于5.2m 时，方可采用锚索支护。

4 结论

以岚县葛铺煤矿4号煤层工程地质条件为背景，采用现场调研、理论分析、数值模拟等手段，对极近距离采空区下4号煤层工作面采场回采巷道支护技术展开研究，主要结论如下：

1）4^-1号煤层开采以后，4号煤层回采巷道支护方式为：（1）尽量选用锚杆支护方式，主要采用锚网索支护方式；（2）当层间距小时，需要分区选用支护方式，层间距较小时采用架棚支护，层间距较大时采用锚网索支护，过渡区采用架棚和锚网索联合支护的方式。

2）基于围岩稳定性分类和煤矿巷道锚杆支护设计规范，4号煤层回采巷道支护时，支护设计参数的基准为：锚杆选用BHRB400型高强度螺纹钢锚杆，锚杆杆体直径18~24mm，杆体长度2.0~2.6m，间排距0.6~1.0m；当层间距大于5.2m 时，采用锚索支护，且锚索最短4.9m，最长不超过7.3m。

3）在遇顶板破碎或断层等地质构造段，应根据实际情况将锚杆间排距做相应调整，适当加大支护密度，根据现场情况制定可行的支护方案。

参考文献：

[1]张百胜.极近距离煤层开采围岩控制理论及技术研究[D].太原理工大学,2008.

[2]张炜,张东升,陈建本,王旭锋,许猛堂.极近距离煤层回采巷道合理位置确定[J].中国矿业大学学报,2012,41(02):182-188.

[3]索永录,商铁林,郑勇,马晓峰,刘玉卫.极近距离煤层群下层煤工作面巷道合理布置位置数值模拟[J].煤炭学报,2013,38(S2):277-282.

[4]安宏图.极近距离煤层采空区下回采巷道布置与围岩控制技术研究[D].太原理工大学,2015.

[5]朱润生.极近距离煤层回采巷道合理位置确定与支护技术[J].煤炭科学技术,2012,40(04):10-13+17.

[6]高建军,张忠温.平朔矿区近距离煤层采空区下巷道支护技术研究[J].煤炭科学技术,2014,42(05):1-4+8.

作者简介：

赵正军（1978—），男，湖北荆门人，采矿工程高级工程师，工学硕士学位，2005年7月毕业于太原理工大学，现任煤炭工业太原设计研究院集团有限公司咨询中心主任助理，从事煤炭规划咨询设计研究工作。

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