回坡底煤矿近距离煤层回采巷道支护技术研究

李 涛

(霍州煤电集团云厦建筑工程有限公司 白龙矿建分公司综采二队，山西 临汾 031400)

随着各矿井逐步实现高产高效安全生产，矿井浅部赋存的上组煤资源逐步枯竭，已经逐步对下部赋存的下组煤资源进行了开采。而一些煤矿下部赋存煤层之间的层间距较近，加之下组煤的埋深较上组煤较深，在对近距离煤层中的下部煤层开采时，将会遇到矿压显现剧烈、布置工作面困难、回采巷道维护频繁、支护效果不理想等问题。因此，需要对在近距离煤层采空区条件下，下部煤层工作面回采巷道的支护技术进行分析研究，以保证井下快速掘进，减少回采巷道维护，从而实现矿井安全高效生产。

1 工作面基本情况

霍州煤电集团回坡底煤矿位于山西省洪洞县西北的刘家垣镇一带，矿井采用斜井开拓的方式，布置4个斜井，产能120万t/a，属低瓦斯矿井，水文地质类型中等，目前对10号煤层和11号煤层进行开采。

11-102工作面位于2号风井保安煤柱以北，地表绝大部分为耕地，区域内无小煤窑、塔架线路等构筑物，地面标高+838～+930 m。井下位于556水平，井下标高+504～+562 m，地处东一采区右侧，北临已完成回采的10-103工作面采空区，西临3条东一采区大巷，东、南部均为未进行采掘活动，上覆已回采结束的10-102工作面采空区，10号、11号煤层之间的层间距6.1 m。

11-102综采工作面对11号煤层进行开采，厚度范围3.2～3.5 m，平均3.35 m；倾角范围1～8°，平均3°；含夹1～3层，其平均厚度为0.3 m；煤种属1/3焦煤。其直接顶岩性为平均厚度3.6 m的泥岩；老顶岩性为平均厚度2.5 m的粉砂岩，老顶向上即为10号煤层10-102工作面采空区；直接底岩性为平均厚度2.5 m的铝质泥岩。相邻的10-103工作面掘进时，已对10-102工作面积水进行了疏放，目前仅在11-1021巷低洼处顶板有少量淋水，水量约为2 m3/h。因此，11-102工作面回采期间不受采空区积水威胁。

11-102综采工作面沿煤层走向方向布置两条回采巷道，其中11-1021巷(正巷)长度为958 m，可采长度为768 m，担负工作面的进风、行人及运煤等任务；11-1022巷(11-1021巷)长度为978 m，可采长度为768 m，担负工作面的回风、行人及进出料等任务；切巷沿倾向方向布置，长度为235 m。

11-102工作面布置及位置示意如图1所示。

2 工作面回采巷道支护方案确定

以11-102综采工作面两条回采巷道作为试验巷道，11-1021巷与11-1022巷均采用矩形断面，巷高3.3 m，巷宽4.6 m，断面积15.18 m2。

1) 将巷道顶板覆岩看作是两段固定在巷帮上的固定梁结构，那么固定梁结构具有的安全跨度Ls，可由公式(1)进行计算：

(1)

式中：[σ]为直接顶自身的许用应力，可通过公式σ=σt/n进行计算。σt为直接顶自身的极限抗拉强度，n为安全系数；h为直接顶平均厚度；q为作用于巷道顶板的单位长度载荷。

2) 根据固定梁结构的受力特点，固定梁在其中部位置处所受弯矩有最大值，可以通过公式(2)进行计算：

M=(1/12)qB2

(2)

式中：B为11-102综采工作面两条回采巷道的巷宽。

将11-102综采工作面两条回采巷道的相关参数代入公式(2)进行计算，得出11-102综采工作面两条回采巷道顶板中部最大应力为M(1/12)×19.85×4.62=35 MPa，但是直接顶的最大抗拉强度仅为25 MPa，所以在综采工作回采过程中，两条回采巷道顶板最先从其中部发生垮落的可能性很大。

根据以上分析，11-102综采工作面两条回采巷道顶板自身的承载能力较差，加之上部还有已结束回采作用的10-102工作面采空区，因此必须采用具有较强主动承载能力的锚、网、索联合进行支护。

3 工作面回采巷道支护参数确定

11-102综采工作面两条回采巷道支护参数设计如下：

3.1 顶板支护

锚杆：采用D20 mm×2 000 mm左旋螺纹钢锚杆，安装CK2340型、Z2360型树脂锚固剂各1支，锚杆预紧扭矩≥300 N·m，每排布置6根锚杆，间排距800 mm×900 mm。

钢带：采用规格280 mm×4 350 mm的W钢带。

锚杆托盘：采用尺寸为150 mm×150 mm×8 mm拱型高强度托盘。

网片规格：采用10号铁丝制做菱形网护顶，网孔规格50 mm×50 mm，网片规格4 600 mm×1 050 mm。

锚索：采用D18.9 mm×5 600 mm钢绞线，安装CK2340型、Z2360型树脂锚固剂各两支，锚索锚固力≥150 kN，每排布置2根锚索，间排距2 400 mm×1 800 mm。

锚索托盘：采用尺寸为300 mm×300 mm×14 mm高强度可调心托板。

3.2 两帮支护

锚杆：采用D20 mm×2 000 mm左旋螺纹钢锚杆，安装CK2340型、Z2360型树脂锚固剂各一支，锚杆预紧扭矩≥300 N·m，每排布置8根锚杆，间排距900 mm×900 mm。

锚杆托盘：采用尺寸为150 mm×150 mm×8 mm拱型高强度托盘。

网片规格：采用10号铁丝制做菱形网护帮，网孔规格50 mm×50 mm，网片规格3 050 mm×950 mm。

11-102综采工作面两条回采巷道支护设计示意，如图2所示。

图2 11-102工作面回采巷道支护设计示意(mm)

3.3 巷道支护理论验算

采用普氏垮落拱理论对巷道支护强度进行校验。

3.3.1 巷道围岩破坏深度

巷道两帮破坏深度的确定：

(3)

巷道顶板最大垮落高度的确定：

(4)

式中：H为11-102综采工作面两条回采巷道的巷高,m；ω为煤层相似内摩擦角，ω=arctanfc；fc为煤层自身的普氏系数，经计算ω=arctan2=63.43°；f为顶板覆岩的普氏系数，取2.5。代入相关参数通过计算得出，c=779.17 mm，b=1 231.67 mm。

3.3.2 锚杆支护参数校验

顶板锚杆利用悬吊理论，两帮锚杆利用加固理论，对支护参数进行验算，则锚杆长度可由公式(5)进行验算：

L≥L1+L2+L3

(5)

式中：L1为锚杆外露的长度，按实际支护取50 mm；L2为锚杆的有效长度，通过上述计算顶板、两帮分别取1 231.67 mm、779.17 mm；L3为锚杆锚进围岩深度，顶、帮锚杆分别取350 mm、400 mm。代入相关参数通过计算得出，支护设计中，顶锚杆长度2 000 mm>1 631.67 mm；顶锚杆2 000 mm>1 229.17 mm，能够满足现场支护要求。

3.3.3 锚索支护参数校验

锚索排距：D≤Ls/2

(6)

锚索数目：n=KW/F

(7)

锚索间距：L=nF/[bBγ-(2Qsinθ)/D]

(8)

式中：Ls为上述支护设计中锚索长度，m；K为安全系数，根据支护设计手册取值2；W为被悬吊顶板覆岩的自重，W=B×∑h悬吊×∑γ×D=B×(B÷2f)×γ×D，γ为被悬吊顶板覆岩容重的平均值，取25 kN/m3，代入相关参数计算得出W=190.44 kN；F为锚索自身破断力最小值，根据支护设计取值280 kN；Q为锚杆自身的锚固力，根据支护设计取值60 kN；θ为顶锚杆和顶板之间所呈角度，根据支护设计取值90°。代入相关参数通过计算得出，支护设计中锚索排距1 800 mm<2 800 mm；锚索数目2个>1.36个；锚索间距2 400 mm<3 854.84 mm，能够满足现场支护要求。

4 回采巷道支护效果矿压监测

每隔15 d对11-102综采工作面11-1021巷掘进期间的巷道表面位移进行支护效果监测，根据矿压监测结果绘制出如图3所示的巷道表面变形量变化曲线。

通过矿压监测数据表明，巷道支护后90 d左右后，围岩可以逐渐趋于稳定，总体上巷道变形收敛率较低，巷道顶底板变形量保持在21 mm左右，为巷道高度的0.64%；两帮变形量保持在17 mm左右，为巷道高度的0.37%。

图3 11-1021巷掘进期间矿压监测结果

5 结 语

回坡底煤矿11-102综采工作面上覆已回采结束的10-102工作面采空区，10号、11号煤层之间的层间距6.1 m，属于近水平煤层。利用固定梁结构理论对回采巷道顶板稳定进行分析后，确定采用具有较强主动承载能力的锚、网、索联合进行支护，并在此基础进行支护参数设计。通过对11-102综采工作面11-1021巷掘进期间进行矿压监测，结果表明巷道总体变形收敛率较低，支护效果良好，可以推广到该矿其他11号煤层综采工作面的回采巷道支护当中。