極近距離下部煤層回采巷道布置及支護研究

黃慶國

（山西大同大學煤炭工程學院，山西大同0 370003）

大同礦區(qū)高山溝煤礦批采的煤層為8#、9#、11-2#、12#、14#號共5 層，現(xiàn)主采11-2#和12#煤層，兩層煤的層間距在4～8.7 m，平均6 m，上層11-2#煤開采會對下層12#煤產(chǎn)生強烈的影響（主要包括對下部煤層工作面和巷道的圍巖控制以及開采過程中自然災害防治等）。

近距離及極近距離煤層的開采具有豐碩的研究成果。例如：袁亮等[1-3]提出對近距離煤層頂板動壓影響因素包括頂?shù)装宓钠茐奶卣?；伍永平等[4-8]研究表明上覆煤層的開采對下煤層的開采影響很大，主要表現(xiàn)在上煤層頂板垮落、支架的移動；吳愛民等[9-11]獲取不同圍巖條件下的近距離煤層群的組合巖體破壞時的臨界峰值強度、泊松比、彈性模量與圍巖壓力的關系，提出了近距離煤層群合理開采的支護理念等。基于近距離及極近距離煤層的開采的特殊性，以高山溝煤礦極近距離煤層開采為工程背景，分析其8111 工作面的具體情況，提出巷道支護形式和支護參數(shù)。

1 高山溝煤礦8111工作面概況

高山溝煤礦12#煤層8111 工作面位于該礦一采區(qū)，煤層結構簡單、賦存穩(wěn)定，煤層厚度變化范圍在1.9～2.1 m 之間，平均厚度2 m，偶含一層夾矸，夾矸平均厚度為0.1 m。煤層傾角2～4°。直接頂板為中細砂巖，厚度1.76～10.24 m，局部為砂質泥巖或砂質泥巖與細砂巖互層，抗壓強度53.9～69.60 MPa，抗拉強度4.2～4.31 MPa，抗剪強度5.34 MPa，屬較硬巖～堅硬巖。煤層底板為砂質泥巖與細砂巖互層或為細砂巖，厚度1.0～5.22 m，砂質泥巖抗壓強度61.5 MPa，抗拉強度3.2 MPa，細砂巖抗壓強42.2 MPa，抗拉強度2.04 MPa，抗剪強度2.40 MP a。

采煤工作面地面位置對應于高山鎮(zhèn)小窯頭村北的山地，地面無任何建筑物，只有少許楊樹，蓋山厚度276 m，回采對地面基本沒有影響。8111工作面北部為同煤集團四臺溝煤礦礦界，南部為一采區(qū)膠帶巷，西部為實體煤，東部為實體煤。

8111工作面采用走向長壁綜合機械化采煤工藝，工作面長度87 m，工作面在回采時沿煤層走向推進，采用走向長壁全部垮落、一次采全高采煤方法。工作面選用MG2×125/571WD 型采煤機，根據(jù)對綜采面液壓支架選型計算，工作面內支護選用ZY4600/10/20型掩護式液壓支架，端頭支護選用ZYG4800/12/28 掩護式液壓支架。

2 回采巷道位置的選擇

高山溝煤業(yè)公司8111 綜采工作面位于1#煤層，根據(jù)2111 運輸順槽鉆探實測，與其上覆11-2#號煤層層間距分別為2 號點7 m、5 號點6.6 m、6 號點4 m、8號點5.76 m，5111順槽13號點8.7 m。12#煤層平均厚度2 m，工作面回采后垮落帶與上部采空區(qū)聯(lián)通，屬于開采時相互間具有顯著影響的極近距離煤層。

上部煤層開采后在采空區(qū)形成卸壓區(qū)，煤柱下一定范圍內為增壓區(qū)。為了提高下部煤層巷道穩(wěn)定性，使其處于低應力的卸壓區(qū)，通常的做法是把下層煤巷道內錯一定距離，見圖1。內錯水平距離的計算公式為：

式中：α為煤層傾角，(°)；β為煤體影響角，在25～55°之間；θ為β的余角，θ=90°-β；z為煤層間距，m。

圖1 下層煤巷道內錯距離

11-2#和12#煤層的層間距最小4 m，煤層傾角3°，煤體影響角大同礦區(qū)45°。將各參數(shù)代入上式，得S≥3.81 m。根據(jù)計算結果和鄰近礦井類似條件工作面的巷道布置調研，確定回采巷道的內錯距離5 m。

3 巷道支護形式和參數(shù)設計

8111 工作面位于高山溝礦井田北部的一采區(qū)，采區(qū)巷道布置3 條，分別為采區(qū)膠帶巷道、采區(qū)軌道巷、采區(qū)回風巷。8111 工作面開采12#煤層，工作面布置一條運輸（進風）順槽、一條回風順槽，運輸順槽和回風順槽內錯布置，與其上部11-2#煤層8101 工作面順槽內錯5 m，上覆8101工作面（已采空）。巷道布置，見圖2。

圖2 工作面巷道布置

3.1 下部煤層頂板受上部煤層開采破壞深度

8111 屬于長壁工作面開采，采空區(qū)在推進方向上的橫斷面為矩形，開采高度遠遠小于開采寬度。利用彈性理論，煤層開采后采場邊緣底板巖體最大屈服破壞深度為：

式中：Rrmc為巖體的單軸抗壓強度；L為工作面長度；γ為上覆巖層平均容重；H為煤層埋藏深度。

在實際的工程計算中，考慮到巖體節(jié)理裂隙影響，底板巖體最大屈服破壞深度可以改寫為：

式中：β為巖體節(jié)理裂隙影響系數(shù)；Rc為實驗室?guī)r塊單軸抗壓強度。

11-2#煤層8101 工作面煤層埋藏深度278 m，上覆巖層平均容重25 kN/m3，8101工作面長度113 m，巖石節(jié)理裂隙影響系數(shù)0.37，巖石單軸抗壓強度51.8 MPa。于是，可以得出hmax=5.8 m。

3.2 巷道支護形式及布置參數(shù)

由上知，11-2#煤層的開采對底板的破壞深度約5.80 m，對12#煤層的頂板的完整性造成了嚴重破壞，給采面頂板管理、巷道掘進支護和安全生產(chǎn)帶來隱患。

根據(jù)8111工作面的煤層賦存情況和極近距離開采的條件，參照條件類似工作面回采巷道的支護經(jīng)驗，巷道支護選擇錨桿、錨索、工字鋼棚聯(lián)合支護的形式。

（1）2111巷斷面形狀及支護

巷道斷面為矩形，掘進斷面寬×高為4500 mm×2600 mm；頂板采用錨桿、錨索、工字鋼棚聯(lián)合支護，每排5 根錨桿，錨桿間排距1000 mm×1000 mm，錨桿材料采用左旋無縱筋螺紋鋼，錨桿規(guī)格為φ20 mm×2000 mm，托板規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm。錨索為鋼絞線預應力錨索，錨索規(guī)格為φ15.24 mm×3800 mm，錨索間距2 000 mm，排距3 000 mm，每排布置2 根錨索，錨索托板規(guī)格為250 mm×250 mm×10 mm；錨桿、錨索均使用MSCK-2360 樹脂錨固劑，每根錨桿使用2 卷樹脂錨固劑，每根錨索使用3 卷樹脂錨固劑。工字鋼棚為5 m兩架。

巷道東幫鋪設靜壓灑水、壓風管路、排水管路各一趟，規(guī)格均為DN50，管路材質均為鋼管；用φ18×500 mm的錨桿配合60 mm×60 mm角鋼，將50 mm扁鐵制作的多管支架固定于巷道東幫距頂部500 mm處，要求各支架在一條直線上，且與東幫間距為200 mm，再用φ10 mm×60 mm 和φ10 mm×90 mm 的U 型抱箍將風水管路固定于多管支架上，供水管、壓風管、排水管由上到下依次排列，管路與管路的間隙為180 mm，支架與支架間距為5 m。每隔20 m 用角鋼將支架與巷幫進行固定。該巷為機軌合一巷，主要為8111綜采工作面進風，煤炭運輸及行人。

（2）5111巷道斷面形狀及支護

巷道斷面為矩形，掘進斷面寬×高為4000 mm×2500 mm；頂板采用錨桿、錨索、工字鋼棚聯(lián)合支護，錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼，錨桿規(guī)格為φ20 mm×2000 mm，錨桿間排距900 mm×1 000 mm，托板規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm；錨索為鋼絞線預應力錨索，錨索規(guī)格為φ15.24 mm×3800 mm，錨索間距1800 mm，排距3 000 mm，每排布置2 根錨索，托板規(guī)格為250 mm×250 mm×10 mm。錨桿、錨索均使用MSCK-2360 樹脂錨固劑，每根錨桿使用2 卷樹脂錨固劑，每根錨索使用3 卷樹脂錨固劑。工字鋼棚為10 m 2架。

巷道東幫鋪設靜壓灑水、壓風管路、排水管路各一趟，規(guī)格均為DN50，黃泥灌漿管路一趟，規(guī)格均為DN80，管路材質均為鋼管。用φ18 mm×500 mm 的錨桿和一定長度的60 mm×60 mm 角鋼，將50 mm扁鐵制作的多管支架固定于巷道東幫距頂部500 mm處，要求各支架在一條直線上，且與東幫間距為200 mm，再用φ10 mm×60 mm和φ10 mm×90 mm 的U 型抱箍將風水管路固定于多管支架上，供水管、壓風管、排水管、黃泥灌漿管由上往下依次排列，管路與管路的間隙為18 cm，支架與支架間距為5 m。每隔20 m 用角鋼將支架與巷幫進行固定。巷道主要用于為8111綜采工作面回風及行人。

4 結語

高山煤業(yè)公司首次開采極近距離煤層，8111 工作面自切眼開采到停采線結束，除回風巷因在斷層破碎帶維修影響生產(chǎn)3 d 外，其余時間一切正常。通過理論計算、工程類比確定的巷道位置和巷道支護形式和支護參數(shù)合理，為類似條件工作面的開采提供有益的借鑒。