近距离采空区下回采巷道差异性支护技术应用

孙龙龙

（山西焦煤西山煤电股份有限公司马兰矿，山西 古交 030205）

由于地层复杂的运动特点导致多煤层群煤层间的距离存在差异性，当煤层距离较近时，上部煤层开采必然扰动下部煤层的稳定。受上部采空的影响，下部煤层顶板易出现扰动破坏，围岩体破碎，自身承载能力极差，易出现巷道片帮、冒顶事故，直接影响矿井正常生产[1-5]。马兰矿12702 工作面皮带巷掘进0～519 m 范围内，上部间隔3.2～6.0 m 为10702采空区，为避免12702 工作面皮带巷受采空区影响，出现严重的变形现象，开展近距离采空区下回采巷道差异性支护技术研究与应用，具有显著的现实意义和推广意义。

1 工程概况

西山煤电马兰矿12702 工作面开采2#煤层，位于+910 m 水平南七采区，工作面地面标高1304～1392 m，工作面标高890.1～954.0 m。工作面开采范围内煤层总厚1.74～2.6 m，平均煤厚2.18 m，煤层倾角1°～9°，平均倾角4°，属稳定可采煤层。煤层直接顶为深灰色粉砂质泥岩，厚1.43 m，易破碎，含黄铁矿结核，普氏硬度5.0；基本顶为灰色S2 中粒砂岩，厚5.82 m，上粗下细，泥质胶结，层理发育，成分以石英、长石为主，普氏硬度7.6；直接底为灰黑色粉砂岩，厚0.94 m，含植物根化石，普氏硬度7.1；基本底为灰黑色粉砂岩，厚7.31 m，富含根部化石，夹菱铁矿，普氏硬度6.6。12702 工作面皮带巷服务于12702 工作面，用于工作面进风、原煤运输、供电、供风、供水、排水、注氮、行人等。巷道掘进断面为梯形，掘进高度为2.6 m，上底为3.5 m，下底4.5 m。皮带巷掘进0～519 m 范围内，上部间隔3.2～6.0 m 为10702 采空区。剖面相对位置示意图如图1。

图1 12702 工作面皮带巷剖面相对位置示意图

2 采空区下巷道合理位置分析

上部煤层开采后，在采空区一侧遗留的保护煤柱将产生应力集中区域，若将下部煤层巷道布置在应力集中范围，巷道将出现严重矿压显现[6]。因此，一般将巷道布置在应力降低区范围，远离采空区煤柱。通过模拟分析马兰矿10702 工作面开采后底板支承压力的传递规律，合理分析确定马兰矿12702工作面皮带巷的相对位置。马兰矿10702 工作面开采后的底板岩层应力分布特征如图2，10702 采空区一侧下部煤层应力分布特征如图3。

图2 10702 工作面开采后底板岩层应力分布特征

图3 10702 采空区一侧下部煤层应力分布特征

如图2 和图3 所示， 10702 工作面开采后，采空区侧的煤柱对底板岩层支承压力有显著的影响。在煤柱下方底板岩层应力集中程度最高，随着距煤柱距离的不断增加，支承应力明显衰减，当距煤柱的距离大于3 m 时，底板岩层应力开始小于原岩应力。因此，12702 工作面皮带巷布置在10702 采空区煤柱3.0 m 距离以外。12702 工作面皮带巷距10702 采空区煤柱的距离不同时，巷道左帮的应力分布特征如图4。由图可知，随着巷道距10702 采空区煤柱距离的增加，煤层内部应力显著降低。根据马兰矿采掘规划，目前12702 工作面皮带巷布置在距10702 采空区煤柱距离44 m 处。由图可知，12702 工作面皮带巷左帮10 m 范围内的煤层应力均属于近零应力分布区域，12702 工作面皮带巷围岩应力环境良好。

图4 12702 工作面皮带巷左侧煤层应力分布特征

3 采空区下回采巷道差异性支护技术

12702 工作面皮带巷采用采空区下回采巷道差异性支护技术，巷道采用锚网进行永久支护，采用锚索或工字钢棚进行加强支护。当巷道距上部采空区间距大于4.3 m 时，采用锚索进行加强支护；当巷道距上部采空区间距小于4.3 m 时，采用工字钢棚进行加强支护。具体支护参数如下：

（1）锚网支护

巷道采用锚杆+钢筋钢带、金属网进行主动支护。锚杆采用直径20 mm、长度2000 mm 的左旋高强锚杆，间排距为1000 mm×1000 mm，顶板每排布置4 根，帮部每排布置3 根。锚杆采用钢筋钢带连接，钢筋钢带由14 mm 的圆钢焊接而成，配120 mm×120 mm×12 mm 的蝶形压制托盘，预紧扭矩不低于280 N·m。金属网采用直径3.4 mm 焊接的菱形金属网。

（2）加强支护

① 锚索加强支护

当巷道距上部采空区间距大于4.3 m 时，采用锚索进行加强支护。锚索采用直径18.9 mm、长度4300 mm 的高预紧力锚索，间排距为2000 mm×2000 mm， 每 排 布 置2 根。 锚 索 配300 mm×300 mm×14 mm 的蝶形压制托盘，预紧力不低于40 MPa。支护断面图如图5（a）。

② 棚式加强支护

当巷道距上部采空区小于4.3 m 时，采用工字钢棚加强支护。工字钢棚采用矿用11#工字钢加工，棚梁3500 mm，棚腿2900 mm，棚距1000 mm，棚子架设在两排钢带中间。支护断面图如图5（b）。

图5 加强支护区域巷道支护断面图（mm）

4 巷道变形特征

提出的采空区下回采巷道差异性支护技术应用于12702 工作面皮带巷，皮带巷掘进时采用十字测试法监测巷道围岩位移情况。

图6 给出了12702 工作面皮带巷围岩位移曲线（2 个测点）。由图可知，巷道支护初期巷道顶帮围岩移近速度均较快；巷道掘进15 d 后，巷道顶帮围岩移近速度显著降低，位移曲线趋于平稳；巷道掘进21 d 后，顶帮围岩移近速度趋于 0 mm/d，巷道围岩趋于稳定。此时，巷道顶板最大下沉量在210～220 mm 范围，帮部表面最大位移量在116 mm左右。综上表明， 12702 工作面皮带巷位于采空区应力降低区，其围岩应力环境良好，设计采用的采空区下回采巷道差异性支护技术可有效控制12702工作面皮带巷围岩稳定，证明了采空区下回采巷道差异性支护技术和参数的合理性和可靠性。

图6 12702 工作面皮带巷围岩位移曲线

5 结论

上部煤层开采形成的采空区扰动破坏下部煤层顶板岩层，巷道掘进易出现大变形现象，为此，以12702 工作面皮带巷上部赋存10702 采空区为工程背景，通过分析10702 开采后底板支承压力的传递规律，分析认为目前布置12702 工作面皮带巷处于近零应力分布区域，围岩应力环境良好。基于此，设计了采空区下回采巷道差异性支护技术，12702工作面皮带巷采用锚网进行永久支护，采用锚索或工字钢棚进行加强支护，现场应用证明了采空区下回采巷道差异性支护技术和参数的合理性和可靠性。