茨溝營(yíng)煤礦近距離下部煤層回采巷道布置及支護(hù)研究

賀海鷹

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)公司云岡礦，山西 大同 037017）

茨溝營(yíng)煤礦批準(zhǔn)開采3 號(hào)、4 號(hào)、5 號(hào)煤層，現(xiàn)主采4 號(hào)和5 號(hào)煤層，兩層煤層間距很?。ㄆ骄鶎娱g距4.50 m），屬于開采后相互影響劇烈的近距離煤層。近距離煤層的開采已經(jīng)有豐碩的研究成果，袁亮等[1-3]提出對(duì)近距離煤層頂板動(dòng)壓影響的因素包括頂?shù)装宓钠茐奶卣?、圍巖礦山壓力分布、頂板懸露面積等；伍永平等[4-6]研究表明上覆煤層的開采對(duì)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(dòng)，也是導(dǎo)致下煤層圍巖力學(xué)變化及破壞的主要原因。本文以茨溝營(yíng)煤礦4 號(hào)和5號(hào)近距離煤層開采為工程背景，以3 采區(qū)3501 工作面為例，通過理論分析確定了采空區(qū)下5 號(hào)煤層運(yùn)輸平巷和回風(fēng)平巷的合理位置，提出了合理的巷道支護(hù)形式和支護(hù)參數(shù)。

1 工程概況

3501 采面是5 號(hào)煤層3 采區(qū)的第1 個(gè)綜采工作面，位于上部煤層采空區(qū)下面，其上是4 號(hào)煤層3401 工作面，采用綜合機(jī)械化一次采全高采煤技術(shù)。開采的4 號(hào)煤層上距3 號(hào)煤層24.8～35.06 m，平均27.23 m，煤層厚度2.30～3.0 m，平均厚2.50 m，煤層傾角3°～7°，平均4.5°，含0～1 層泥巖夾矸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。煤層穩(wěn)定，賦存區(qū)大部可采，僅在井田中東部DJ06-07 號(hào)鉆孔附近尖滅。煤層頂板為泥巖，底板為石灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖。工作面長(zhǎng)度150 m，護(hù)巷煤柱寬度15 m，運(yùn)輸平巷寬度4.20 m，回風(fēng)平巷寬度3.80 m?；夭山Y(jié)束時(shí)間為2018 年3 月，至今2年整，其頂板活動(dòng)已經(jīng)穩(wěn)定。3501 工作面開采的5號(hào)煤層厚度2.80～3.50 m，平均為3.0 m，煤層傾角2°～6°，平均4°；上距4 號(hào)煤層2.80～6.23 m，平均層間距4.50 m，煤層結(jié)構(gòu)屬于簡(jiǎn)單～中等類型，含0～3 層夾矸，厚度有一定變化，煤層穩(wěn)定，賦存區(qū)可采；煤層頂板為石灰?guī)r、炭質(zhì)泥巖，底板為泥巖。3 采區(qū)煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤層及其頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)

3501 采面對(duì)應(yīng)的地面位置是茨溝營(yíng)村北荒漠的丘陵山地，地面溝谷縱橫，沒有建筑物，偶有少量的灌木雜樹，煤層埋藏深度356 m。3501 綜采工作面北鄰2 采區(qū)采空區(qū)，南部為5 號(hào)煤實(shí)體煤，東部為3 采區(qū)回風(fēng)上山，西部為茨溝營(yíng)礦界煤柱。3501工作面采用走向長(zhǎng)壁全部垮落、一次采全高采煤方法，選擇綜合機(jī)械化采煤工藝。

2 下部煤層工作面巷道位置的確定

3 采區(qū)5 號(hào)煤層均厚3.0 m，3501 采面回采后垮落帶與上部4 號(hào)煤層的采空區(qū)溝通，兩層煤屬于開采后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(nèi)為增壓區(qū)。為了提高下部煤層巷道穩(wěn)定性，應(yīng)使其處于低應(yīng)力的卸壓區(qū)，通常的做法是把下層煤巷道內(nèi)錯(cuò)一定距離，如圖1。內(nèi)錯(cuò)水平距離的計(jì)算公式為：

圖1 確定下層煤巷道內(nèi)錯(cuò)距離

式中：α為煤層傾角，（°）；θ為β余角，θ=90°-β；β為應(yīng)力傳播影響角，43°；z為煤層間距，m。

4 號(hào)煤層和5 號(hào)煤層平均層間距為4.5 m，4 號(hào)煤層傾角平均4.5°，應(yīng)力傳播影響角43°。將各參數(shù)代入上式，得S≥3.92 m。根據(jù)理論分析計(jì)算結(jié)果，5 號(hào)煤層回采巷道的內(nèi)錯(cuò)距離4 m。

綜合理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果，通過對(duì)本礦區(qū)條件類似工作面巷道布置調(diào)研，確定5 號(hào)煤層回采巷道內(nèi)錯(cuò)距離為5 m。5 號(hào)煤層運(yùn)輸平巷和回風(fēng)平巷布置如圖2。

圖2 下部煤層回采巷道剖面圖

3 巷道支護(hù)形式和參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 4 號(hào)煤層開采底板破壞深度

3401 采面為走向長(zhǎng)壁開采，開采高度為2.5 m，遠(yuǎn)小于150 m 長(zhǎng)的開采寬度。利用彈性理論，由下式求得4 號(hào)煤層開采后采場(chǎng)邊緣底板巖體最大屈服破壞深度：

式中：Rrmc為巖體的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；L為工作面長(zhǎng)度，m；γ為上覆巖層平均容重，kN/m3；H為煤層埋深，m。

4 號(hào)煤層3401 采面煤層埋深349.5 m，覆巖容重25 kN/m3，3401 工作面長(zhǎng)度150 m，巖石節(jié)理裂隙影響系數(shù)0.41，巖石單軸抗壓強(qiáng)度57.20 MPa。

在實(shí)際的工程計(jì)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：J為巖體節(jié)理裂隙影響系數(shù)；Rc為實(shí)驗(yàn)室?guī)r塊單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

將上述參數(shù)代入計(jì)算公式，得出hmax=8.20 m。由此可知，4 號(hào)煤層的開采對(duì)底板的破壞深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了兩層煤的層間距(4.5 m)，不僅破壞5 號(hào)煤層的頂板，也對(duì)5 號(hào)煤層造成了破壞，給5 號(hào)煤層回采巷道的掘進(jìn)和支護(hù)工作帶來困難。

3.2 巷道支護(hù)形式及支護(hù)參數(shù)

5 號(hào)煤層上距4 號(hào)煤層2.80～6.23 m，平均層間距4.50 m，煤層頂板的厚度變化很大。由于受到上部4 號(hào)煤層開采后對(duì)底板破壞的影響，5 號(hào)煤層頂板的承載能力降低，需要采用金屬網(wǎng)、錨桿、錨索、鋼帶聯(lián)合支護(hù)的形式；同時(shí)針對(duì)不同厚度區(qū)域的頂板支護(hù)形式和參數(shù)要區(qū)別對(duì)待，采用分段支護(hù)來保證支護(hù)效果。即采用聯(lián)合支護(hù)和分段支護(hù)才能保證巷道的正常、安全使用。

（1）層間距4.0 m 及以下巷道支護(hù)

3501 工作面掘進(jìn)巷道層間距離小于等于4.0 m的地段，使用金屬網(wǎng)、錨桿、鋼帶進(jìn)行初次支護(hù)，而后使用工字鋼棚加強(qiáng)支護(hù)。5 號(hào)煤層回采巷道斷面為矩形，掘?qū)挕辆蚋?3600 mm×2600 mm；頂板掛網(wǎng)，采用錨桿、鋼帶聯(lián)合支護(hù)，每排5 根錨桿，錨桿間排距800 mm×800 mm，錨桿材料采用左旋無縱筋螺紋鋼，錨桿規(guī)格為Ф20 mm×2000 mm，托板規(guī)格：150 mm×150 mm×10 mm。錨桿使用MSCK-2360 樹脂錨固劑，每根錨桿使用2 卷樹脂錨固劑。工字鋼架棚加強(qiáng)支護(hù)使用礦用11 號(hào)工字鋼，棚梁長(zhǎng)度為3600 mm，棚腿高度為2600 mm，棚距為1600 mm。幫錨桿間排距800 mm×800 mm，錨桿規(guī)格為Ф18 mm×1800 mm。巷道支護(hù)布置如圖3。

圖3 金屬網(wǎng)鋼帶錨桿加工字鋼棚支護(hù)

（2）層間距4.0 m 以上巷道支護(hù)

3501 工作面掘進(jìn)巷道層間距離4.0 m 以上的地段，使用金屬網(wǎng)、錨桿、鋼帶、錨索進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。頂板掛網(wǎng)，采用錨桿、鋼帶、錨索聯(lián)合支護(hù)，每排4 根錨桿，錨桿間排距800 mm×800 mm，錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼，規(guī)格為Ф20 mm×2000 mm，托板規(guī)格：150 mm×150 mm×10 mm。錨索為鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索，型號(hào)為SPK18-1/1860，錨索規(guī)格：Ф18 mm×3800 mm，錨索間距1600 mm，排距1600 mm，每排布置2 根錨索，錨索托板規(guī)格：250 mm×250 mm×20 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。幫錨桿間排距800 mm×800 mm，錨桿規(guī)格為Ф18 mm×1800 mm。巷道支護(hù)布置如圖4。

圖4 金屬網(wǎng)鋼帶錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)

4 結(jié)語

茨溝營(yíng)煤礦首次進(jìn)行近距離煤層開采，3501 綜采工作面從切眼推進(jìn)到停采線，距離1050 m，除工作面運(yùn)輸平巷因在斷層破碎帶維修影響生產(chǎn)48 h外，其余時(shí)間一切正常，保證了巷道的正常安全使用。

3501 綜采面的順利回采說明采用理論計(jì)算、工程類比確定的巷道位置合理，設(shè)計(jì)分段支護(hù)方案和支護(hù)參數(shù)符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，為本礦類似條件工作面的開采提供了有益的借鑒。