近距离、高应力条件下的煤层巷道支护技术

祁景成

（山西晋神能源有限公司沙坪煤矿，山西 河曲 036500）

近距离、高应力条件下的煤层巷道支护技术

祁景成

（山西晋神能源有限公司沙坪煤矿，山西 河曲 036500）

近距离煤层群开采时，下层煤的巷道往往受上层煤留设煤柱的影响，出现顶底板移近量加大、底鼓等现象，严重影响了工作面的安全生产。针对该类巷道变形问题，提出了采用高强度新型锚杆支护体系，有效保证了高应力下煤巷的稳定。

近距离煤层群；煤柱；高应力

1 概述

巷道支护技术是矿山工程地下施工的一项关键技术。进行煤层群开采时，通常上层煤巷留设的煤柱会给下层煤巷形成较高的应力。巷道在高应力作用下围岩裂隙节理发育，给巷道支护带来一系列问题，主要表现为[1]：（1）围岩变形量大。巷道两帮移近，顶板下沉和底鼓等现象严重。（2）初期变形速率大。原岩应力高，巷道开挖时卸荷快，围岩来压迅速，故高应力巷道初期开挖时变形速率大。（3）变形持续时间长。巷道形成后，围岩在较高应力作用下还会持续变形，大约要数月甚至数年时间，才能进入稳定变形阶段。

2 巷道围岩条件

某煤矿现在主要开采3、4号煤层。4号煤层区段平巷由于受到3号层煤柱支承压力影响，造成巷道强烈变形，两帮移近量和底鼓量都很大，严重影响了巷道的安全。目前，该煤层区段顺槽虽经多次修复，投入大量人力、物力，但巷道变形仍无法控制，巷道维护费用居高不下，严重制约了矿井的安全生产。现掘进4号煤层工作面巷道所采用的支护方式为：锚杆＋锚索＋钢带。掘进断面形状为矩形，掘进宽3.80 m，掘进高2.30 m，掘进断面积8.36 m2，顺槽全长为1 300 m。其煤层巷道围岩稳定性力学参数，如表1所示。

根据围岩稳定性分类方案，得出4号煤层巷道围岩的稳定性类别为Ⅳ类。

表注：1、顶板岩石单向抗压强度取巷道宽度2倍范围内顶板岩石单向抗压强度的加权平均值。2、底板岩石单向抗压强度取巷道宽度1倍范围内底板岩石单向抗压强度的加权平均值。3、巷帮煤层单向抗压强度为煤和夹矸的加权平均值3.63MPa。4、采动影响系数指因工作面回采引起的超前支承压力的影响，N值等于0.30。5、围岩完整性指数利用直接顶初步垮落步距代替，据该煤矿的现场资料，D＝12m。

表1 4号煤层围岩稳定性分类基本参数

3 高应力区的分析

煤层群开采过程中，上煤层开采必定会引起回采空间围岩应力的重新分布，不仅会对回采空间周围的煤体产生应力集中，而且会向底板及深部岩层传递或重新分布，从而影响下部煤层巷道的布置与维护。

该煤矿4号煤层距3号煤层的平均距离9.64 m，3号煤层留设煤柱宽度23 m，两侧采空，设煤柱宽度2 B，根据集中载荷作用下半无限平面体内的应力公式，估算出典型煤柱载荷作用下的支承压力呈马鞍形分布，见图1。

图1 典型煤柱载荷作用下的应力分布

图1中曲线d区、e区、f区表示在上层留设煤柱载荷作用下，底板岩层在不同深度水平截面上铅直应力的等值线（曲线面表示底板岩层内铅直应力与自重应力比值的等值线，等值线外部的铅直应力与自重应力相等）。

从图1知，底板岩层内任一点的应力大小，主要取决于上部煤柱的载荷、该点与煤柱的垂直距离、该点与煤柱边缘或中心线的水平距离。底板岩层内同一水平面上铅直应力在煤柱中心线处最小，而靠近煤柱边缘出现峰值，影响的范围约2.5倍的煤柱宽度，即57.5m。除了在煤柱下方底板岩层一定范围内形成应力增高区外，位于煤柱附近的采空区下方底板岩层一定范围内形成应力降低区。近距离煤层群开采时，如果煤层间距小于上层煤开采对该煤层底板的影响深度，则下层煤巷道将遭受上层煤煤柱的影响。

3号煤层埋深355 m，煤柱宽为23 m，根据该矿实际情况，利用数值分析对煤柱影响下底板的应力状态进行研究，得出4号煤层顶板的应力分布曲线见图2。

从图2可看出，3号煤层煤柱对底板（4号煤层顶板）造成较大应力集中，4号煤层顶板应力分布呈马鞍形分布，最大应力集中在离3号煤煤柱中心12 m的地方，最大应力值为17.31 MPa，应力集中系数为1.94。

图2 4号煤顶板应力分布

4 基于高应力区的巷道支护

目前，锚杆支护中普遍存在着：锚杆（索）预紧力小，预应力扩散效果差，支护系统刚度低，致使锚杆主动支护作用不能充分发挥，不能有效控制围岩离层与破坏的问题。锚杆（索）在安装后施以预紧力，使不同岩层间摩擦作用力增大，同时将锚固范围内的围岩挤紧，形成梁或拱的承载结构，达到提高巷道围岩稳定性的目的；而没有预紧力或预紧力低的锚杆，只有在围岩变形后才开始起加固作用。在锚杆（索）安装后，立即施加足够的预紧力，使围岩由双向应力转为三向应力状态，甚至可使围岩中的拉应力区转变为压应力区；对于岩体受剪面，预应力产生的摩擦力，大大提高了加固体的抗剪性能，避免过早出现张开裂隙，减少围岩的弱化过程，提高了围岩的稳定性。

根据以上对巷道围岩稳定性和所受高应力分析，确定此类巷道必须采用高阻力的支护形式。要求在掘进初期对锚杆（索）施加预紧力，有效地控制围岩裂隙进一步发育,并在围岩浅部形成具有较高承载能力的承载结构。为充分发挥锚杆的实际工作特性与岩层的自承特性，根据该矿的地质开采条件,采用高强度锚网支护,完全可以控制围岩的变形,保证工作面正常安全开采。

5 结论

在近距离煤层群高应力的围岩巷道中，采用高强度锚网支护能充分发挥锚杆的支护阻力和围岩的自承能力，对控制巷道围岩变形有显著效果。

在安装锚杆（索）时，应加强锚杆（索）的预紧力，在围岩变形初期就能主动支护，迅速承载，有效抑制围岩裂隙进一步发育，控制围岩变形。

[1]任建伟.高应力作用下煤巷支护技术研究[D].太原：太原理工大学，2008.

[2]钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].北京:中国矿业大学出版社，2003.

[3]陆士良，汤雷，杨新安.锚杆锚固力与锚固技术[M].北京:煤炭工业出版社，1998.

[4]陈庆敏、郭颂、张农.煤巷锚杆支护新理论与设计方法[J]，矿山压力与顶板管理.2002.

Abstract:When mining at near-neighbored coal seams,roadways of lower seams are often influenced by the protection pillars of upper seams,accompanied by some phenomena like roof-floor deformation and floor heave,etc.The safety production is impaired.The paper proposes using high-strength bold supporting system to solve the deformation,which actually ensures the roadway stability under the high stress.

Keywords:closed-distance coal seam group;coal pillar,high-stressed

编辑：刘新光

Supporting Technology of Coal Roadway under Closed-distance and High-stressed Condition

QI Jing-cheng
（1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024,China;2.Shaping Mine,Shanxi Jinshen Energy Co.,Hequ Shanxi 036500,China）

TD353

A

1672-5050（2010）06-0055-03

2010-03-25

祁景成（1962—），男，宁夏石嘴山人，大专，工程师，从事煤矿生产管理工作。