极近距离煤层群下层煤回采巷道复合支护技术研究

邱文华

（山西省中阳荣欣焦化有限公司，山西 吕梁 033400）

近距离煤层群下行开采时，上层煤的底板变成下层煤的顶板，受上层煤采动影响，下层煤围岩节理裂隙发育扩张，完整性受到破坏，整体承载能力下降，下层煤巷道普遍存在支护困难、后期维护工作量大、成本高、安全性差的问题。

根据矿山压力的分布规律，下层煤巷道普遍采用内错布置的方式，即下层煤的回采巷道布置在上层煤的采空区下。高家庄煤矿首次开采3 号煤层，回采巷道在2 号煤采空区下施工，该矿经过实践和探索，总结出一套复合支护方式，取得良好的支护效果。

1 概 况

高家庄井田位于柳林矿区的南部，即位于鄂尔多斯聚煤盆地东缘的河东煤田中段南部，矿区的主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，二叠系下统山西组是一套由砂岩、泥岩、砂质泥岩和煤层组成的陆相含煤建造，其中的2、3、4、5 号煤层为可采煤层，矿井先期开采地段的一、二盘区内2 号煤层厚1.4 ～2.2 m，3 号煤层厚1.1 ～1.9 m，层间距1.9 ～6.0 m，属于极近距离煤层，3号煤煤层结构简单。层间岩柱以泥岩为主，层间距较厚处，泥岩中间局部赋存泥质砂岩或粉砂岩，3号煤底板岩性多为泥岩、砂质泥岩或粉砂岩。

2 巷道支护技术研究

2.1 初期单棚支护方案和实际支护效果

2.1.1 回采巷道单纯的单棚支护方案

设计巷道断面为梯形断面，矿用12 号工字钢架棚支护，棚距700 mm，棚梁长度为3.8 m，棚腿长度2.6 m，立柱斜度12°，沿3 号煤顶板施工，背板帮部4 块、顶部8 块，均匀布置，帮顶使用金属网护帮护顶。采用钢管连板进行架间连锁，提高架棚的整体性。

2.1.2 单棚支护实际支护效果

通过观察，发现巷道及架棚的变形情况如下。棚梁滞后掘进工作面约10 棚距离，棚梁开始出现弯曲变形，随着掘进工作面的推进，巷道后路的工字钢棚梁的弯曲变形继续加剧，同时出现顶板背板断裂，巷道中间背板断裂尤为严重；两帮侧压开始显现，两帮上侧煤体凸出，挤压棚腿登出，有的棚腿出现弯曲或立柱斜度变小，甚至出现负的立柱斜度，帮部背板出现断裂，两肩部的背板断裂尤为严重；底鼓显现，顶底板平均移进量600 mm，为了确保顶板安全，随着向前掘进，后路必须采取补打中柱，卧底，帮部拆帮后，将棚腿复位或更换棚腿等工程，后路的整改工程量增大，基本形成了前掘后修的状况。

2.2 改进后的对棚支护方案和实际支护效果

2.2.1 回采巷道对棚支护方案

针对架棚损坏，棚梁弯曲较为严重的现状，高家庄煤矿在加强支架强度和减小支架变形方面，对使用对棚支护和改为U 型钢拱形可伸缩支架支护进行了对比分析，虽然拱形巷道U 型钢可伸缩支架架棚支护在控制顶板变形、防止棚梁弯曲方面有一定的优越性，但是针对采空区下回采巷道有较多的不适用性，因为拱形巷道在掘进过程中需要切割一定厚度的顶板泥岩，在顶板较薄的前提下，再次切割容易降低顶板承载力，拱肩两处的煤岩体自稳能力差，容易片落，直接影响施工安全，且不利于巷道成型，架棚的背板工作量大，U 型钢可伸缩支架对两帮侧压的抵抗有一定的局限性，又考虑到在回采期间，拱形巷道在进行超前支护时，支架回撤困难，填顶坑木消耗量较大，因此放弃拱形巷道U型钢可伸缩支架支护，改为对棚支护。对棚支护仍为12 号工字钢架棚支护，断面不变，对棚的棚距改为800 mm，帮顶背板数量不变，均匀布置，背板靠近帮顶仍使用金属网护帮护顶，如图1 所示。

图1 工字钢架棚支护Fig.1 Support of i-shaped steel frame shed

2.2.2 对棚支护实际支护效果

对棚支护后，棚梁弯曲跟进掘进工作面的距离有所加大，后路棚梁弯曲的严重程度有所减轻，但是仍然出现顶板下沉、棚梁弯曲、背板断裂的现象，侧压显现明显，出现帮部鼓出、棚腿登出的现象，底鼓依然没有改观；对棚支护还存在费用高、进度慢、支护时间长、顶板易掉落、不利于顶板管理的弊端。

考虑到回采时架棚的回收复用问题，单纯的架棚支护，在巷道大变形且顶帮破碎又无临时支护的状况下，架棚回撤势必会造成漏顶、摊帮，因此无法回撤架棚，综合考虑无论单棚支护还是对棚支护，均不能有效解决极近距离煤层群下层煤回采巷道的支护问题，还需要进一步优化支护方式。

2.2.3 架棚支护矿山压力和巷道变形分析

结合矿山压力理论，认为巷道开挖后，顶板泥岩薄板结构在被开挖的短时间内，能够暂时处于一个相对稳定的状态，因此在工作面架棚过程中，仅有局部的伪顶掉落，能够在短时间内完成架棚支护的各工序，随着施工的前掘，顶板泥岩薄板结构在开挖后失去下部支撑的状态下，在上部自重应力及采空区应力的作用下，开始逐渐出现弯曲变形，顶部泥岩薄板结构裂隙不断扩展，顶板中部首先受拉破坏，泥岩薄板结构的完整性遭到破坏，待顶板裂隙贯穿整个泥岩薄板后，泥岩薄板结构的残余支撑压力显著下降，顶板的弯曲变形随之加剧，顶板的弯曲下沉直接作用在棚架背板上，然后传递给棚梁，棚梁弯曲后支撑作用明显降低，随着应力传递的加大，棚梁弯曲愈来愈严重，棚梁的支撑作用随着自身弯曲挠度的增加，其支撑阻力逐渐降低，支撑作用越来越小，因此出现棚梁严重弯曲、背板严重断裂的现象；同时由于巷道开挖和棚架支撑作用的降低，顶板应力传递给巷道两帮附近的煤岩上，两帮上侧的煤体强度低于周围岩体，首先煤体发生塑性变形，表现为外凸，直接对帮部支护造成损坏。随着应力传递的加大，两帮煤体塑性区向围岩深部发展，两帮大面积挤出，因此出现严重的帮部变形、支护受损的现象。顶板应力传递给巷道两帮附近的煤岩上，又传递给巷道的底板，因此出现巷道大面积底鼓现象。

通过以上分析，单纯依赖架棚的支撑阻力，其控制围岩变形和压力传递作用非常有限，要约束顶板泥岩薄板结构的变形，首先要重新构建提高围岩自身承载能力，减缓顶板压力传递，其次是增加帮部强度，发挥围岩残余支撑能力，减小侧向变形和横向推力，同时利用架棚给于破碎岩体充足的围压，保证架棚结构恒定支护阻力，控制巷道变形。

锚杆支护是将煤层的围岩施以预应力使岩体产生悬吊、组合梁作用，对顶板进行加固，对于极近距离煤层下部巷道支护可以采取锚杆和钢带、金属网共同支护的方式，重新构建并提高围岩自身的承载能力，从而起到加固顶板的作用。

2.3 锚网带+架棚支护方案和实际支护效果

2.3.1 锚网带+ 架棚支护方案

锚网带支护的顶板锚杆长度2.5 m，（长度可根据层间距调整为1.8 m 或1.6 m 等） 间距0.85 m，排距0.7 m，并配套BHW-280-3.00 矿用W 型钢带和金属网，帮部锚杆长度2.5 m，间距0.8 m，排距0.7 m，并配套BHW-280-3.00 矿用W 型钢带和金属网，顶部5 根锚杆，帮部3 根锚杆。

架棚采用12 号矿用工字钢梯形棚单棚支护。架棚支护要素同上述的单棚支护，如图2 所示。

图2 锚网索和架棚联合支护Fig.2 Combined support of anchor cable and shelf

2.3.2 锚网带+ 架棚支护效果

增加了锚网带支护后，距离工作面100 m 范围内的巷道变形基本得到控制，但是后路变形依然存在，主要表现在随着顶板的下沉，直接造成顶板中间的背板断裂，棚梁出现弯曲的现象，帮部的变形基本得到控制，两帮煤层的外凸和棚腿登出现象几乎没有出现。通过观测分析，在层间距较薄的区段棚梁先期出现弯曲现象，在层间距较厚的区段棚梁基本不变形，基本上符合层间距小于3 m 时，棚梁弯曲严重，大于3 m 时棚梁变形量小或不变形的规律，由于巷道的服务周期长，回采过程中，还要经受回采超前压力的影响，因此，为了防止棚梁弯曲、顶板下沉，必须采取进一步的加固措施。

2.3.3 锚网带+ 架棚支护矿山压力和巷道变形分析

上部煤层开采后，下部煤层的巷道顶板尚未完全破碎，且具备足够的厚度作为锚固体。巷道顶板选用锚杆支护是可行的，锚杆支护是一种主动支护，不仅起到组合梁加固顶板完整性的作用，而且起到对泥岩薄板结构下部岩层的悬吊作用，在掘进过程中单一锚杆支护可以短期内确保巷道围岩稳定，但是由于层间距小，无法进行锚索支护，因此层间距岩柱的薄板结构整体失去了用锚索将锚杆组合梁进行悬吊的作用，泥岩薄板结构出现了滞后弯曲现象，直接造成巷道中间的背板断裂，进而使棚梁弯曲，这就要求棚架能发挥最大的支撑作用，也要求在压力较大的情况下架棚能够让压，防止折损，保持对破坏围岩恒定的抵抗力。层间距岩柱的薄板结构虽然经过锚杆支护后，本身具备一定的自身承载能力，但是泥岩薄板结构随着厚度的变化，承载能力不均匀，因此要针对层间距相应较薄的区域进行加固。

2.4 锚网带+架棚让压补强支护方案和实际支护效果

2.4.1 锚网带+ 架棚让压补强支护方案

锚网带支护和架棚支护要素同上述，架棚的让压措施是减少支架顶部的背板块数，由原来的8 块减为4 块，中间的4 块背板不再支护，两帮各减少2 块背板，即背板形成帮二顶四，棚梁的上方中间部分留出让压空间，针对层间距小于3 m 的区段采取巷道中间补打单体液压支柱进行加固的方案，采用单体柱+一字铰接顶梁支护，单体直径不得低于100 mm，在巷道施工中，即使层间距大于3 m 的区段，如果发现压力较大时，需及时补打中柱，防止顶梁损坏，如图3 所示。

图3 锚网索和架棚补强支护Fig.3 Reinforcement support of anchor cable and shelf

2.4.2 锚网带+ 架棚让压补强支护效果

通过采取让压措施和单体支柱加固措施，棚梁不再弯曲，对于层间距较小的区段顶板弯曲下沉和棚梁的弯曲也得到了有效控制，单体支柱补强支护可以当做回采顺槽的超前支护，回采巷道拆除工字钢支护时再回撤单体支柱，由于顶板下沉和棚梁弯曲得到控制，巷道具有成型好、后期拆除快捷、劳动消耗小、工字钢重复利用高的特点。

2.4.3 锚网带+ 架棚让压补强支护矿山压力和巷道变形分析

通过巷道棚梁上方留有一定的变形空间，使顶部的泥岩薄板结构中部的弯曲不再直接作用在背板和棚梁上，顶部的泥岩薄板结构得到有限变形并释放了一定的能量后，使其稳定或达到变形极限，不再弯曲变形，经过能量释放后，即使再作用在棚梁之上，棚梁的受力也相应减小，使棚梁不再弯曲，对于层间距较小的区段，由于自身的承载能力下降，可能先期弯曲变形，作用在棚梁上的地应力相对较大，但是由于中间补打了单体支柱，减小了棚梁的跨度，单体支柱不但起到支撑作用，同时增加了棚梁的支撑力，使棚梁不再弯曲变形。

3 结 语

极近距离煤层群在经受上层煤采动应力以及残余应力的影响下，下层煤巷道稳定性较差，巷道变形严重，上下层煤层中间特殊的泥岩薄板结构是巷道支护的重点，锚杆支护约束顶板变形，重新构建并利用围岩自身的承载能力，减小减缓顶板压力的传递是重要的支护手段。架棚结构可靠的支撑阻力和让压性是确保巷道稳定的关键，单体支柱分段支护是重要的补强支护措施，现场实践证明，回采巷道大面积破坏的现象基本消失，锚网带+架棚让压补强支护的复合支护方式控制顶板效果明显，即经济又安全，值得推广。