极近距离下部煤层回采巷道布置及支护研究

黄庆国

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同0 370003）

大同矿区高山沟煤矿批采的煤层为8#、9#、11-2#、12#、14#号共5 层，现主采11-2#和12#煤层，两层煤的层间距在4～8.7 m，平均6 m，上层11-2#煤开采会对下层12#煤产生强烈的影响（主要包括对下部煤层工作面和巷道的围岩控制以及开采过程中自然灾害防治等）。

近距离及极近距离煤层的开采具有丰硕的研究成果。例如：袁亮等[1-3]提出对近距离煤层顶板动压影响因素包括顶底板的破坏特征；伍永平等[4-8]研究表明上覆煤层的开采对下煤层的开采影响很大，主要表现在上煤层顶板垮落、支架的移动；吴爱民等[9-11]获取不同围岩条件下的近距离煤层群的组合岩体破坏时的临界峰值强度、泊松比、弹性模量与围岩压力的关系，提出了近距离煤层群合理开采的支护理念等。基于近距离及极近距离煤层的开采的特殊性，以高山沟煤矿极近距离煤层开采为工程背景，分析其8111 工作面的具体情况，提出巷道支护形式和支护参数。

1 高山沟煤矿8111工作面概况

高山沟煤矿12#煤层8111 工作面位于该矿一采区，煤层结构简单、赋存稳定，煤层厚度变化范围在1.9～2.1 m 之间，平均厚度2 m，偶含一层夹矸，夹矸平均厚度为0.1 m。煤层倾角2～4°。直接顶板为中细砂岩，厚度1.76～10.24 m，局部为砂质泥岩或砂质泥岩与细砂岩互层，抗压强度53.9～69.60 MPa，抗拉强度4.2～4.31 MPa，抗剪强度5.34 MPa，属较硬岩～坚硬岩。煤层底板为砂质泥岩与细砂岩互层或为细砂岩，厚度1.0～5.22 m，砂质泥岩抗压强度61.5 MPa，抗拉强度3.2 MPa，细砂岩抗压强42.2 MPa，抗拉强度2.04 MPa，抗剪强度2.40 MP a。

采煤工作面地面位置对应于高山镇小窑头村北的山地，地面无任何建筑物，只有少许杨树，盖山厚度276 m，回采对地面基本没有影响。8111工作面北部为同煤集团四台沟煤矿矿界，南部为一采区胶带巷，西部为实体煤，东部为实体煤。

8111工作面采用走向长壁综合机械化采煤工艺，工作面长度87 m，工作面在回采时沿煤层走向推进，采用走向长壁全部垮落、一次采全高采煤方法。工作面选用MG2×125/571WD 型采煤机，根据对综采面液压支架选型计算，工作面内支护选用ZY4600/10/20型掩护式液压支架，端头支护选用ZYG4800/12/28 掩护式液压支架。

2 回采巷道位置的选择

高山沟煤业公司8111 综采工作面位于1#煤层，根据2111 运输顺槽钻探实测，与其上覆11-2#号煤层层间距分别为2 号点7 m、5 号点6.6 m、6 号点4 m、8号点5.76 m，5111顺槽13号点8.7 m。12#煤层平均厚度2 m，工作面回采后垮落带与上部采空区联通，属于开采时相互间具有显著影响的极近距离煤层。

上部煤层开采后在采空区形成卸压区，煤柱下一定范围内为增压区。为了提高下部煤层巷道稳定性，使其处于低应力的卸压区，通常的做法是把下层煤巷道内错一定距离，见图1。内错水平距离的计算公式为：

式中：α为煤层倾角，(°)；β为煤体影响角，在25～55°之间；θ为β的余角，θ=90°-β；z为煤层间距，m。

图1 下层煤巷道内错距离

11-2#和12#煤层的层间距最小4 m，煤层倾角3°，煤体影响角大同矿区45°。将各参数代入上式，得S≥3.81 m。根据计算结果和邻近矿井类似条件工作面的巷道布置调研，确定回采巷道的内错距离5 m。

3 巷道支护形式和参数设计

8111 工作面位于高山沟矿井田北部的一采区，采区巷道布置3 条，分别为采区胶带巷道、采区轨道巷、采区回风巷。8111 工作面开采12#煤层，工作面布置一条运输（进风）顺槽、一条回风顺槽，运输顺槽和回风顺槽内错布置，与其上部11-2#煤层8101 工作面顺槽内错5 m，上覆8101工作面（已采空）。巷道布置，见图2。

图2 工作面巷道布置

3.1 下部煤层顶板受上部煤层开采破坏深度

8111 属于长壁工作面开采，采空区在推进方向上的横断面为矩形，开采高度远远小于开采宽度。利用弹性理论，煤层开采后采场边缘底板岩体最大屈服破坏深度为：

式中：Rrmc为岩体的单轴抗压强度；L为工作面长度；γ为上覆岩层平均容重；H为煤层埋藏深度。

在实际的工程计算中，考虑到岩体节理裂隙影响，底板岩体最大屈服破坏深度可以改写为：

式中：β为岩体节理裂隙影响系数；Rc为实验室岩块单轴抗压强度。

11-2#煤层8101 工作面煤层埋藏深度278 m，上覆岩层平均容重25 kN/m3，8101工作面长度113 m，岩石节理裂隙影响系数0.37，岩石单轴抗压强度51.8 MPa。于是，可以得出hmax=5.8 m。

3.2 巷道支护形式及布置参数

由上知，11-2#煤层的开采对底板的破坏深度约5.80 m，对12#煤层的顶板的完整性造成了严重破坏，给采面顶板管理、巷道掘进支护和安全生产带来隐患。

根据8111工作面的煤层赋存情况和极近距离开采的条件，参照条件类似工作面回采巷道的支护经验，巷道支护选择锚杆、锚索、工字钢棚联合支护的形式。

（1）2111巷断面形状及支护

巷道断面为矩形，掘进断面宽×高为4500 mm×2600 mm；顶板采用锚杆、锚索、工字钢棚联合支护，每排5 根锚杆，锚杆间排距1000 mm×1000 mm，锚杆材料采用左旋无纵筋螺纹钢，锚杆规格为φ20 mm×2000 mm，托板规格为150 mm×150 mm×10 mm。锚索为钢绞线预应力锚索，锚索规格为φ15.24 mm×3800 mm，锚索间距2 000 mm，排距3 000 mm，每排布置2 根锚索，锚索托板规格为250 mm×250 mm×10 mm；锚杆、锚索均使用MSCK-2360 树脂锚固剂，每根锚杆使用2 卷树脂锚固剂，每根锚索使用3 卷树脂锚固剂。工字钢棚为5 m两架。

巷道东帮铺设静压洒水、压风管路、排水管路各一趟，规格均为DN50，管路材质均为钢管；用φ18×500 mm的锚杆配合60 mm×60 mm角钢，将50 mm扁铁制作的多管支架固定于巷道东帮距顶部500 mm处，要求各支架在一条直线上，且与东帮间距为200 mm，再用φ10 mm×60 mm 和φ10 mm×90 mm 的U 型抱箍将风水管路固定于多管支架上，供水管、压风管、排水管由上到下依次排列，管路与管路的间隙为180 mm，支架与支架间距为5 m。每隔20 m 用角钢将支架与巷帮进行固定。该巷为机轨合一巷，主要为8111综采工作面进风，煤炭运输及行人。

（2）5111巷道断面形状及支护

巷道断面为矩形，掘进断面宽×高为4000 mm×2500 mm；顶板采用锚杆、锚索、工字钢棚联合支护，锚杆采用左旋无纵筋螺纹钢，锚杆规格为φ20 mm×2000 mm，锚杆间排距900 mm×1 000 mm，托板规格为150 mm×150 mm×10 mm；锚索为钢绞线预应力锚索，锚索规格为φ15.24 mm×3800 mm，锚索间距1800 mm，排距3 000 mm，每排布置2 根锚索，托板规格为250 mm×250 mm×10 mm。锚杆、锚索均使用MSCK-2360 树脂锚固剂，每根锚杆使用2 卷树脂锚固剂，每根锚索使用3 卷树脂锚固剂。工字钢棚为10 m 2架。

巷道东帮铺设静压洒水、压风管路、排水管路各一趟，规格均为DN50，黄泥灌浆管路一趟，规格均为DN80，管路材质均为钢管。用φ18 mm×500 mm 的锚杆和一定长度的60 mm×60 mm 角钢，将50 mm扁铁制作的多管支架固定于巷道东帮距顶部500 mm处，要求各支架在一条直线上，且与东帮间距为200 mm，再用φ10 mm×60 mm和φ10 mm×90 mm 的U 型抱箍将风水管路固定于多管支架上，供水管、压风管、排水管、黄泥灌浆管由上往下依次排列，管路与管路的间隙为18 cm，支架与支架间距为5 m。每隔20 m 用角钢将支架与巷帮进行固定。巷道主要用于为8111综采工作面回风及行人。

4 结语

高山煤业公司首次开采极近距离煤层，8111 工作面自切眼开采到停采线结束，除回风巷因在断层破碎带维修影响生产3 d 外，其余时间一切正常。通过理论计算、工程类比确定的巷道位置和巷道支护形式和支护参数合理，为类似条件工作面的开采提供有益的借鉴。