下分层回采巷道避开应力集中区的布置方式

张丕林

(汾西新阳煤业有限责任公司,山西 孝义 032300)

1 下分层回采巷道布置类型

近距离下分层回采巷道布置形式决定了在整个掘进、回采期间巷道支护的难易程度。近距离下分层回采巷道的布置方式主要有3种：重叠式布置、外错式布置和内错式布置。内错式布置方式为下部煤层回采巷道布置在上部煤层采空区下方的应力降低区内，巷道压力小，易于维护，但煤柱大，资源浪费严重，回采率低；外错式布置方式是下部煤层回采巷道布置在上部煤层的煤柱下，巷道围岩处于煤柱支承压力作用区，对巷道维护不利，其优点是下部煤层煤柱尺寸减小，回采率高，煤炭损失量小；重叠巷道布置方式为上下煤层回采巷道垂直布置，工作面长度一定，方向易于掌握，围岩应力处于二者之间，3种布置方式见图1。

近距煤层群采用分层逐层方法开采后，下部煤层回采巷道不论采用哪种布置方式，都不可避免地处于上部煤层采空区下方或者残留煤柱形成的集中应力的临近区域内，想要完全消除矿山压力显现是不可能的；然而，在掌握矿山压力显现规律的基础上，设法避免或者减轻其危害是可能的。

2 近距离下分层回采巷道的合理布置选择

选择巷道的布置形式，主要考虑上部煤层采空区底板岩层的应力分布特征以及煤柱集中应力在下部煤层顶板的传递规律，以及分析出下部煤层的应力降低区、应力增高区以及应力平衡区等。现代矿压理论认为，煤柱集中程度对巷道的矿压显现程度起决定性作用，将巷道布置在煤柱下方的低应力区是实现控制巷道稳定性的根本途径。显然，避开或者减轻煤柱集中应力扩散带来的影响，有利于维护巷道。

上部煤层残留煤柱形成的集中应力主要取决于煤柱宽度、煤柱和顶底板岩层的性质。因此，对于下部煤层巷道的布置方位主要根据上部煤层开采后，对下部煤层顶板的破坏程度以及上部煤层开采后残留煤柱集中应力的扩散范围，二者要综合考虑。

通过分析，提出了近距离煤层下部回采巷道合理布置形式：

1) 当煤柱宽度L≤2X0时，煤柱整体进入塑性状态，煤柱的垂直应力集中程度明显降低。可采用外错式、内错式和重叠式巷道布置形式。其中，L为煤柱宽度；X0为煤柱塑性区宽度，m,取3。

2) 当上部煤柱宽度2X0≤L≤B时，虽不能形成稳定煤柱，但是整体未完全进入塑性状态，可采用内错式布置形式或重叠式布置形式。其中，B为稳定煤柱的最小宽度，m，取10。

a) 重叠布置

b) 外错布置

c) 内错布置

3) 当上部煤层的煤柱宽度L>B时，能够形成稳定煤柱，其传递的集中载荷在底板形成较大范围的应力增高区。巷道布置宜采用内错式布置形式。

3 高阳矿下分层工作面巷道的布置

3.1 下分层工作面临近采掘概况

高阳矿新一采区主采9#、10#、11#煤，煤层总厚度平均9.0 m(其中，9#煤层平均厚度1.3 m，10#煤层平均厚度6.4 m，11#煤层平均厚度1.3 m)。新一采区投产时，布置了901、902两个高档普采工作面对9#煤和部分10#煤进行开采，开采厚度平均为2 m。之后，采用一次采全高低位放顶煤采煤法对该采区内的其余工作面进行回采。根据生产组织安排，需对原两个高档普采工作面下方的9#、10#煤进行开采。由于上分层开采结束已有8年之久，采空区围岩活动基本恢复到平稳状态，由工作面回采引起的矿山压力活动处于稳定状态，近距离下部10#、11#煤开采基本不受9#煤采动影响。

3.2 下分层开采工作面布置

1) 该矿102工作面运输巷布置在902工作面和104工作面残留煤柱正下方(即采用了外错布置)，材料巷布置在采区煤柱下方(见图2)，902工作面和104工作面间留设大约30 m的净煤柱，残留煤柱形成的集中应力对新102工作面巷道布置方式和巷道围岩压力显现产生主要影响，特别是对新102工作面运输巷巷道支护影响较大。

实际掘进过程中发现，运输巷在掘进到150 m左右时，巷道开始变形，当掘进至250 m左右时，巷道内围岩变形严重，最大变形量达到500 mm。此时，再改变巷道布置形式已不可能，只有对巷道支护进行深入研究，改变支护参数和形式，才能满足巷道变形要求。随即采取了变更巷道断面并根据“三高一低”(即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度)原则进行支护。首先，缩小断面。互换工作面运输巷和材料巷，将外错布置的运输巷道变更为材料巷，巷道掘宽由5 m调整为4 m；其次，加强支护。顶板螺纹钢锚杆直径由20 mm增加至22 mm，锚索直径由17.8 mm增加至21.6 mm，巷帮支护的圆钢锚杆变更为d22 mm的螺纹钢锚杆，并且预紧力加大至300 N·m。继续掘进后，围岩变形得到了较大的控制。但是，为了保证在回采期间，受采动影响巷道变形小，又增加了U型钢棚进行加强支护。回采期间，材料巷的U型钢支架变形严重，回收后无法再次使用，还有一部分无法回收，在支护材料方面造成了较大的浪费，并且给两巷道的超前维护造成困难。该工作面自巷道开掘至回采结束，投入了大量的财力物力，给生产组织带来了很大的困难。

2) 新102工作面开采完毕后，经过系统的研究、分析，决定新101工作面的巷道采用内错布置，将材料巷、运输巷均布置在901采空区下方，见图3。

图2 新102工作面概况示意图

图3 新101工作面概况示意图

根据新101工作面10#、11#煤合并层地质、生产条件及巷道布置方式，为了发挥锚杆支护的作用，提出以下设计原则：

a) 一次支护原则。锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形，避免二次或多次支护。

b) 高预应力和预应力扩散原则。预应力是锚杆支护中的关键因素，是区别锚杆支护是被动支护还是主动支护的参数，只有高预应力的锚杆支护才是真正的主动支护，才能充分发挥锚杆支护的作用。

c) “三高一低”原则，即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。

d) 临界支护强度与刚度原则。锚杆支护系统存在临界支护强度与刚度，如果支护强度与刚度低于临界值，巷道将长期处于不稳定状态，围岩变形与破坏得不到有效控制。

e) 相互匹配原则。锚杆各构件，包括托板、螺母、钢带等的参数与力学性能应相互匹配，锚杆与锚索的参数与力学性能应相互匹配，以最大限度地发挥锚杆的整体支护作用。

f) 可操作性原则。提供的锚杆支护设计应具有可操作性，有利于井下施工管理和掘进速度的提高。

根据以上原则和新102工作面的经验，巷道支护采用锚杆、锚索、钢带、金属菱形网、工字钢棚联合支护。

通过采用十字布点法和顶板离层指示仪两种矿压观测手段对巷道矿压进行观测，观测结果显示，巷道从开掘至形成切眼，基本未发生较大的变形，变形量在3～20 mm，达到了支护的目的，确保了巷道的安全施工。

4 结 语

1) 由于应力集中地区的围岩压力，如果巷道布置不合理，会给安全生产带来直接的损失，后果严重。

2) 施工过程中要小循环作业，缩小控顶距，所以，及时支护是必要的，并且锚杆的预紧力应该提高。

3) 不能使棚腿承受煤壁的挤压力，棚腿与巷道两帮之间需要留合适的间隙。

4) 做好巷道支护的检查工作，如果出现煤壁挤压棚腿现象，要立刻开帮使压力减小，以免钢棚无法承受压力造成变形。

5) 要避免出现顶板将棚子挤压歪斜或者变形现象，在两架棚之间安装双头螺栓样式的撑、拉杆，使棚子连接成一体，提高其稳定性。

6) 当近距离下分层回采巷道的布置出现应力集中现象时，只有合理布置巷道位置、选择施工断面、做好支护选型及支护工作，才能保证掘进、回采安全，实现工作面安全、高效生产。