多煤层开采下伏巷道零内错布置及支护设计研究

杨占国

（同煤集团 四台矿，山西 大同 037016）

同煤集团四台矿，由于侏罗系煤层“层数多、层厚薄、层间近”的特点，多年的内错布置使煤柱宽度逐渐增大，已采完的12号煤层煤柱宽度已达18 m；若仍用内错布置14号煤层的开采，则其煤柱宽度会更大、煤炭资源浪费更大。本文根据四台矿14号煤层311盘区81105面与12号煤层（已采空）81105面的环境，分析计算采动中12号煤层51105巷底板（14号煤层51105巷顶板）的破坏和应力状态，验证了14号层81105面零内错布置的可行性；并为确保多次采动影响下14号煤层51105巷顶板的稳定性，基于理论计算提出了“钢带锚杆”的支护工艺；工程实践效果良好，取得了较大的经济效益和社会效益。

1 工程概况

14号煤层311盘区81105面51105巷作为运料、回风巷，巷道为矩形（宽3.8 m、高2.7 m），设计长度889 m，东起14号煤层311盘区巷，西邻14号煤层段家小村东梁矿同层采空区，南部为14号煤层81103面正在回采中，北部为21105巷已掘。

巷道沿14-2号煤层顶板布置，煤层东北高、西南低，整体呈一单斜构造，煤层厚度2.60～2.80 m、平均 2.70 m；倾角 1.2°～7.6°，平均 4.4°。

14号煤层51105巷顶板（12号煤层51105巷底板）与上覆12-1号煤层间距11.4～13.9 m、平均12.6 m，岩性为粉细砂页岩互层，细砂岩为主，深灰色至黑色，性脆，中部含煤屑黄铁矿结核，局部夹煤线，整体性较好，普式系数5.3～6.8；底板也多为粉细砂岩互层，灰色至灰白色，具水平层理，上部多细砂岩，下部粉砂岩夹煤屑及黄铁矿结核，局部夹有煤线。

2 零内错布置的可行性分析

采煤过程中，超前支承压力[1-3]在引起顶板变形和移动的同时，也会导致底板破坏。根据极限平衡理论，其12号煤底板（14号煤层顶板上部）的破坏范围可分为：I主动极限区、II过渡区、III被动极限区，见图1。在巨大超前支承压力的影响下，主动极限区内岩体发生塑性破坏，膨胀挤压过渡区岩体，部分岩体发生破坏，进而推动被动极限区岩体向上发生变形，巷道中显现出底臌现象。

图1 底板屈服破坏范围

根据极限平衡理论[4-5]，底板屈服破坏最大深度 hmax为：

式中：φf为底板岩层的内摩擦角，取34°；x0为根据极限平衡理论计算煤壁的塑性区宽度。

式中：m为煤层厚度，取12号煤层厚度平均值，2.86 m；φ为12号煤层煤体内摩擦角，根据实验结果取28°；C为12号煤层煤体内聚力，取1.3 MPa；K为应力集中系数，取3.0；γ为岩层平均重度，取25 kN/m3；H为12号煤层埋藏深度，取350 m；P1为支护结构对煤帮的支护阻力，取1 MPa；根据计算可知，x0=1.5 m，hmax=2.74，底板岩体最大破坏深度距巷帮的水平距离

以12号煤层、14号煤层最近处计算，14号煤层顶板下部稳定区域厚度，占到总厚度的76%，可见12号煤层开采对14号煤层顶板的整体性影响程度较有限，后者的整体性表现良好。再者，底板岩体最大破坏深度距巷帮的水平距离1.85 m，根据应力分布特点，岩体的破坏必然引起应力向以外岩体传递，将14号煤层51105巷布置在其顶板上部、有限破坏段的下方，对顶板的稳定性控制有较强优势。14号煤层51105巷道设计宽度3.8 m，约为的2.05倍；因此14号煤层81105面采用零内错布置是合理可行的，见图2。

图2 14号煤层81105面平面布置图

3 钢带锚杆支护设计

由于14号煤层51105巷顶板岩层分布均匀完整，顶板破坏时可简化为简支梁计算[7-9]，见图3，顶板下表面受拉应力最大值σtmax为：

式中：b 为巷道的宽度，3.8 m；q=γh=8.75 MPa其余参数同上。

图3 顶板力学计算示意图

根据计算，由于超前支承压力的作用，巷道顶板表面最大拉应力，远大于岩体的抗拉强度，因此需要支护手段，金属网是解决这一问题常用的支护材料，然而由于金属网变形量较大，当顶板发生较大变形后才能起到支护作用，此时顶板岩体多因过大变形而产生大量的拉裂缝，岩体裂隙发育，整体性下降。为了迅速提高顶板表面的抗拉强度，可在14号煤层51105巷顶板的稳定性控制中引入钢带锚杆，在钢带上钻取相应的锚杆钻孔，通过锚杆及其托盘，将钢带紧密地与顶板密贴在一起，顶板稍有变形，钢带则迅速受力，分担顶板表面的大部分拉应力；相反，锚杆通过钢带连接成一个整体，使彼此锚杆轴力分布更加均匀。

结合四台矿多年工程经验，14号煤层51105巷支护方案，见图4。取钢带的抗拉强度235 MPa，则钢带为顶板表面提供的拉应力：235×220/1000=51.7 MPa＞σtmax，进一步验证了巷道支护的可靠性。

图4 14号煤层51105巷支护横断面图

4 工程实践结论

1）工程实践：自2013年10月18日开工以来，累计完成了14号煤层51105巷300 m多的掘进量，掘进中巷道顶板没有发现明显变形，最大下沉量仅18.3 mm。

2）工程结论：①根据极限平衡理论，算得12号煤层开采对底板的最大破坏深度2.74 m，距巷帮水平距离1.85 m，使14号煤层51105巷顶板保留了足够岩层，且释放顶板上部分应力，保障了14号煤层81105面的零内错布置的成功实施。②通过钢带锚杆的支护作用，14号层51105巷顶板表面最大拉应力承载能力达到51.7MPa，远大于超前支承压力时的拉应力承受值，进一步验证了巷道支护的可靠性。③工程实践表明，掘进中巷道顶板没有发现明显变形，最大下沉量仅18.3 mm。再者，由于采用零内错布置，按回采800 m，煤体密度1 500 kg/m3，按内错距离6 m（每条顺槽各内错3 m）计算，仅81105工作面就可多采原煤20 592 t，取得了较大的经济效益和社会效益。

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