茨沟营煤矿近距离下部煤层回采巷道布置及支护研究

贺海鹰

（晋能控股煤业集团公司云冈矿，山西 大同 037017）

茨沟营煤矿批准开采3 号、4 号、5 号煤层，现主采4 号和5 号煤层，两层煤层间距很小（平均层间距4.50 m），属于开采后相互影响剧烈的近距离煤层。近距离煤层的开采已经有丰硕的研究成果，袁亮等[1-3]提出对近距离煤层顶板动压影响的因素包括顶底板的破坏特征、围岩矿山压力分布、顶板悬露面积等；伍永平等[4-6]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，也是导致下煤层围岩力学变化及破坏的主要原因。本文以茨沟营煤矿4 号和5号近距离煤层开采为工程背景，以3 采区3501 工作面为例，通过理论分析确定了采空区下5 号煤层运输平巷和回风平巷的合理位置，提出了合理的巷道支护形式和支护参数。

1 工程概况

3501 采面是5 号煤层3 采区的第1 个综采工作面，位于上部煤层采空区下面，其上是4 号煤层3401 工作面，采用综合机械化一次采全高采煤技术。开采的4 号煤层上距3 号煤层24.8～35.06 m，平均27.23 m，煤层厚度2.30～3.0 m，平均厚2.50 m，煤层倾角3°～7°，平均4.5°，含0～1 层泥岩夹矸，结构简单。煤层稳定，赋存区大部可采，仅在井田中东部DJ06-07 号钻孔附近尖灭。煤层顶板为泥岩，底板为石灰岩、砂质泥岩。工作面长度150 m，护巷煤柱宽度15 m，运输平巷宽度4.20 m，回风平巷宽度3.80 m。回采结束时间为2018 年3 月，至今2年整，其顶板活动已经稳定。3501 工作面开采的5号煤层厚度2.80～3.50 m，平均为3.0 m，煤层倾角2°～6°，平均4°；上距4 号煤层2.80～6.23 m，平均层间距4.50 m，煤层结构属于简单～中等类型，含0～3 层夹矸，厚度有一定变化，煤层稳定，赋存区可采；煤层顶板为石灰岩、炭质泥岩，底板为泥岩。3 采区煤岩物理力学参数见表1。

表1 煤层及其顶底板物理力学参数

3501 采面对应的地面位置是茨沟营村北荒漠的丘陵山地，地面沟谷纵横，没有建筑物，偶有少量的灌木杂树，煤层埋藏深度356 m。3501 综采工作面北邻2 采区采空区，南部为5 号煤实体煤，东部为3 采区回风上山，西部为茨沟营矿界煤柱。3501工作面采用走向长壁全部垮落、一次采全高采煤方法，选择综合机械化采煤工艺。

2 下部煤层工作面巷道位置的确定

3 采区5 号煤层均厚3.0 m，3501 采面回采后垮落带与上部4 号煤层的采空区沟通，两层煤属于开采后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，应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，如图1。内错水平距离的计算公式为：

图1 确定下层煤巷道内错距离

式中：α为煤层倾角，（°）；θ为β余角，θ=90°-β；β为应力传播影响角，43°；z为煤层间距，m。

4 号煤层和5 号煤层平均层间距为4.5 m，4 号煤层倾角平均4.5°，应力传播影响角43°。将各参数代入上式，得S≥3.92 m。根据理论分析计算结果，5 号煤层回采巷道的内错距离4 m。

综合理论分析和数值模拟结果，通过对本矿区条件类似工作面巷道布置调研，确定5 号煤层回采巷道内错距离为5 m。5 号煤层运输平巷和回风平巷布置如图2。

图2 下部煤层回采巷道剖面图

3 巷道支护形式和参数设计

3.1 4 号煤层开采底板破坏深度

3401 采面为走向长壁开采，开采高度为2.5 m，远小于150 m 长的开采宽度。利用弹性理论，由下式求得4 号煤层开采后采场边缘底板岩体最大屈服破坏深度：

式中：Rrmc为岩体的单轴抗压强度，MPa；L为工作面长度，m；γ为上覆岩层平均容重，kN/m3；H为煤层埋深，m。

4 号煤层3401 采面煤层埋深349.5 m，覆岩容重25 kN/m3，3401 工作面长度150 m，岩石节理裂隙影响系数0.41，岩石单轴抗压强度57.20 MPa。

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：J为岩体节理裂隙影响系数；Rc为实验室岩块单轴抗压强度，MPa。

将上述参数代入计算公式，得出hmax=8.20 m。由此可知，4 号煤层的开采对底板的破坏深度远远超过了两层煤的层间距(4.5 m)，不仅破坏5 号煤层的顶板，也对5 号煤层造成了破坏，给5 号煤层回采巷道的掘进和支护工作带来困难。

3.2 巷道支护形式及支护参数

5 号煤层上距4 号煤层2.80～6.23 m，平均层间距4.50 m，煤层顶板的厚度变化很大。由于受到上部4 号煤层开采后对底板破坏的影响，5 号煤层顶板的承载能力降低，需要采用金属网、锚杆、锚索、钢带联合支护的形式；同时针对不同厚度区域的顶板支护形式和参数要区别对待，采用分段支护来保证支护效果。即采用联合支护和分段支护才能保证巷道的正常、安全使用。

（1）层间距4.0 m 及以下巷道支护

3501 工作面掘进巷道层间距离小于等于4.0 m的地段，使用金属网、锚杆、钢带进行初次支护，而后使用工字钢棚加强支护。5 号煤层回采巷道断面为矩形，掘宽×掘高=3600 mm×2600 mm；顶板挂网，采用锚杆、钢带联合支护，每排5 根锚杆，锚杆间排距800 mm×800 mm，锚杆材料采用左旋无纵筋螺纹钢，锚杆规格为Ф20 mm×2000 mm，托板规格：150 mm×150 mm×10 mm。锚杆使用MSCK-2360 树脂锚固剂，每根锚杆使用2 卷树脂锚固剂。工字钢架棚加强支护使用矿用11 号工字钢，棚梁长度为3600 mm，棚腿高度为2600 mm，棚距为1600 mm。帮锚杆间排距800 mm×800 mm，锚杆规格为Ф18 mm×1800 mm。巷道支护布置如图3。

图3 金属网钢带锚杆加工字钢棚支护

（2）层间距4.0 m 以上巷道支护

3501 工作面掘进巷道层间距离4.0 m 以上的地段，使用金属网、锚杆、钢带、锚索进行联合支护。顶板挂网，采用锚杆、钢带、锚索联合支护，每排4 根锚杆，锚杆间排距800 mm×800 mm，锚杆采用左旋无纵筋螺纹钢，规格为Ф20 mm×2000 mm，托板规格：150 mm×150 mm×10 mm。锚索为钢绞线预应力锚索，型号为SPK18-1/1860，锚索规格：Ф18 mm×3800 mm，锚索间距1600 mm，排距1600 mm，每排布置2 根锚索，锚索托板规格：250 mm×250 mm×20 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。帮锚杆间排距800 mm×800 mm，锚杆规格为Ф18 mm×1800 mm。巷道支护布置如图4。

图4 金属网钢带锚杆锚索联合支护

4 结语

茨沟营煤矿首次进行近距离煤层开采，3501 综采工作面从切眼推进到停采线，距离1050 m，除工作面运输平巷因在断层破碎带维修影响生产48 h外，其余时间一切正常，保证了巷道的正常安全使用。

3501 综采面的顺利回采说明采用理论计算、工程类比确定的巷道位置合理，设计分段支护方案和支护参数符合现场实际条件，为本矿类似条件工作面的开采提供了有益的借鉴。