西曲礦采空區(qū)下近距離煤層回采巷道支護實踐

侯拴貴

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦，山西 太原 030200）

近距離煤層一般是指井田開采范圍內(nèi)相鄰煤層層間距低于10m的煤層，近距離煤層開采時很大程度會受到相鄰煤層礦山壓力影響，給下部工作面回采巷道支護帶來不利影響[1-4]。西曲礦設(shè)計生產(chǎn)能力300萬t，主采煤層為山西組3#、4#煤層和太原組8#和9#煤層，其中北二采區(qū)所采為9#煤層，距離上部8#煤層平均為7.4m，上部8#煤層已經(jīng)于2005年全部采空，8#煤層采空區(qū)圍巖活動基本穩(wěn)定，但開采過程中對9#煤層頂板形成的破壞不可恢復(fù)。為了解決9#煤層回采巷道支護難題，以北二采區(qū)29205工作面為例，對9#煤層回采巷道破壞機理進(jìn)行分析，提出合理的支護方案。

1 工作面概況

29205工作面位于北二采區(qū)中部，南鄰29204工作面采空區(qū)，北部為實體煤，西部為083運輸大巷，東北部為遺留的小煤窯采空區(qū)。工作面所采煤層為太原組9#煤層，埋深為168～225m，傾角為3～7°，平均為3.5°，煤層厚2.0～2.4m，平均為2.2m，屬于穩(wěn)定可采中厚煤層。工作面所采9#煤層與上部8#煤層間距為7.5～11.2m，平均為7.4m，巖性為砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖，均厚分別為4.3m和3.1m，上部8#煤層均厚4.1m，20205工作面上覆8#煤層28204和28205采空區(qū)，兩工作面間保護煤柱寬度為25m，該采空區(qū)已經(jīng)形成約10年，采空區(qū)圍巖活動基本穩(wěn)定。29205工作面底板為均厚5.3m的砂質(zhì)泥巖-細(xì)粒砂巖，工作面布置兩條回采巷道，均沿9#煤層頂板掘進(jìn)，巷道斷面為矩形，規(guī)格（寬×高）為3.6×2.2m。

2 采空區(qū)下近距離煤層回采巷道破壞機理

近距離上部煤層開采后，處于平衡狀態(tài)的三相圍巖應(yīng)力遭到破壞，圍巖應(yīng)力的重新分布對底板圍巖發(fā)生作用，當(dāng)應(yīng)力超過圍巖承受極限時便會造成圍巖出現(xiàn)壓剪和拉伸破壞。學(xué)者魏西克通過壓膜試驗提出了巖土出現(xiàn)塑性滑移時極限承載力計算公式，張金才等人對其進(jìn)行了補充和完善，并得出了煤層底板破壞塑性區(qū)邊界，具體見圖1所示。由圖1可知，工作面開采后，底板出現(xiàn)塑性破壞區(qū)，塑性破壞區(qū)主要由主動極限區(qū)、過渡區(qū)和被動極限區(qū)組成，其中主動極限區(qū)為aab，過渡區(qū)為abc，被動極限區(qū)為acd，在工作面開采后，在采空區(qū)周圍底板巖層產(chǎn)生支承壓力，支承壓力如若超過巖體能夠承受的應(yīng)力極限時便會產(chǎn)生塑性形變破壞，由于該區(qū)域巖體在垂直方向受到壓縮，水平方向勢必會出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，膨脹巖體會擠壓過渡區(qū)范圍的巖體，并將應(yīng)力傳遞到該區(qū)域，過渡區(qū)巖體受到擠壓后會繼續(xù)向采空區(qū)方向移動，并擠壓被過渡區(qū)巖體，造成過渡區(qū)和被過渡區(qū)底板巖層發(fā)生塑性破壞。根據(jù)所得底板極限載荷計算可得底板破壞深度為6.2m，同時為了了解北二采區(qū)8#煤層底板破壞情況，從下方9#煤層向上打鉆孔進(jìn)行窺視，顯示8#煤層底板5～6.4m范圍內(nèi)裂隙發(fā)育，說明8#煤層底板破壞深度一般為5～6.4m。

圖1 煤層開采底板塑性破壞區(qū)

3 支護方式的確定

3.1 支護方式的選擇

西曲礦近距離煤層以往多采用架設(shè)U型鋼棚支護，U型鋼棚屬于被動式支護，支護強度大，能夠有效預(yù)防頂板冒漏現(xiàn)象，對于采空區(qū)下近距離回采巷道支護較為有利。但是，U型鋼棚支護效果易受巷道成型影響，在過煤柱遇到集中應(yīng)力時容易造成U型鋼棚變形失穩(wěn)，且在回采過程中需要對U型鋼進(jìn)行回收，工作量很大。

結(jié)合礦井錨桿和錨索型號，決定當(dāng)層間距低于8.5m時采用架設(shè)U型鋼支護；當(dāng)層間距超過8.5m時采用注漿錨索配合錨桿、金屬網(wǎng)、W鋼帶進(jìn)行支護。這樣可利用注漿錨索充分地將漿液填充到巖體裂隙中，起到加固破碎巖體的作用，提高了巖體的完整性和強度，為錨網(wǎng)索支護提供了堅固的錨固基礎(chǔ)。

3.2 支護實踐

（1）架棚支護。當(dāng)層間距低于8.5m時采用36U型鋼架設(shè)拱形棚，中寬2.8m，下寬4.0m，高2.6m，U型鋼棚間距為0.8m，棚子間采用金屬連桿連接，頂板和兩幫用背板剎緊背實。

（2）錨網(wǎng)索鋼帶支護。當(dāng)層間距超過8.5m時采用錨網(wǎng)索支護，斷面規(guī)格（寬×高）為3.6×2.2m，考慮到頂板的完整性受到8#煤層開采影響，頂錨索選用規(guī)格為Ф22×4000mm的注漿錨索，錨索間排距為1500×1500mm，要求預(yù)緊力不低于120kN。頂錨桿選用Ф20×2200mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為750×750mm，要求緊固力不低于75kN，其中頂角錨桿與水平呈25°夾角，金屬網(wǎng)的網(wǎng)孔規(guī)格為50×50mm，W鋼帶寬108mm，要求金屬網(wǎng)與鋼帶配合錨桿錨索聯(lián)合支護。幫錨桿選用規(guī)格Ф18×2200mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為700×700mm，要求錨固力不低于50kN，幫網(wǎng)規(guī)格與鋪設(shè)與頂板相同。支護參數(shù)具體見圖2所示。

圖2 29205工作面回風(fēng)巷錨網(wǎng)索鋼帶支護示意圖

3.3 支護效果分析

為了確保29205工作面兩巷施工安全，檢驗巷道支護參數(shù)是否合理，掘進(jìn)和回采過程中，在29205工作面回風(fēng)巷分別布置4個十字交叉測點進(jìn)行觀測巷道收斂變形。結(jié)果顯示，采用錨網(wǎng)索鋼帶支護時，掘進(jìn)期間，巷道施工3個月后兩幫收斂累計平均為124mm，頂板下沉累計平均為45mm，約為設(shè)計尺寸的3.4%和2.1%；回采期間，動壓區(qū)影響范圍為煤墻前方95m左右，動壓區(qū)兩幫累計變形量平均為435mm，頂板下沉量平均為128mm，約為設(shè)計巷道尺寸的12.1%和5.8%。采用U型鋼棚子支護條件下，掘進(jìn)施工3個月后兩幫變形僅32mm，頂板下沉13mm；回采期間，兩幫變形為123mm，頂板下沉47mm。

由此可知，根據(jù)煤層間距的不同選擇差異支護方式是合理的，在U型鋼和錨網(wǎng)索鋼帶支護條件下能夠有效地控制區(qū)域范圍內(nèi)頂板下沉和兩幫收縮，支護方式較為合理。

4 結(jié)語

采空區(qū)下近距離煤層頂板受到上部煤層開采破壞影響，其強度和完整性大幅度降低，支護難度較大。在選擇采空區(qū)下近距離煤層回采巷道支護方式時，應(yīng)了解和掌握頂板破壞特征，選擇合理的支護方式。29205工作面支護實踐表明，通過采用差異支護可有效控制采空區(qū)下近距離煤層回采巷道變形破壞，該支護應(yīng)用為西曲礦采空區(qū)下近距離煤層回采巷道支護積累了實踐經(jīng)驗。