極近距離煤層群下層煤回采巷道復合支護技術研究

邱文華

（山西省中陽榮欣焦化有限公司，山西 呂梁 033400）

近距離煤層群下行開采時，上層煤的底板變成下層煤的頂板，受上層煤采動影響，下層煤圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育擴張，完整性受到破壞，整體承載能力下降，下層煤巷道普遍存在支護困難、后期維護工作量大、成本高、安全性差的問題。

根據(jù)礦山壓力的分布規(guī)律，下層煤巷道普遍采用內(nèi)錯布置的方式，即下層煤的回采巷道布置在上層煤的采空區(qū)下。高家莊煤礦首次開采3 號煤層，回采巷道在2 號煤采空區(qū)下施工，該礦經(jīng)過實踐和探索，總結(jié)出一套復合支護方式，取得良好的支護效果。

1 概 況

高家莊井田位于柳林礦區(qū)的南部，即位于鄂爾多斯聚煤盆地東緣的河東煤田中段南部，礦區(qū)的主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，二疊系下統(tǒng)山西組是一套由砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖和煤層組成的陸相含煤建造，其中的2、3、4、5 號煤層為可采煤層，礦井先期開采地段的一、二盤區(qū)內(nèi)2 號煤層厚1.4 ～2.2 m，3 號煤層厚1.1 ～1.9 m，層間距1.9 ～6.0 m，屬于極近距離煤層，3號煤煤層結(jié)構(gòu)簡單。層間巖柱以泥巖為主，層間距較厚處，泥巖中間局部賦存泥質(zhì)砂巖或粉砂巖，3號煤底板巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖或粉砂巖。

2 巷道支護技術研究

2.1 初期單棚支護方案和實際支護效果

2.1.1 回采巷道單純的單棚支護方案

設計巷道斷面為梯形斷面，礦用12 號工字鋼架棚支護，棚距700 mm，棚梁長度為3.8 m，棚腿長度2.6 m，立柱斜度12°，沿3 號煤頂板施工，背板幫部4 塊、頂部8 塊，均勻布置，幫頂使用金屬網(wǎng)護幫護頂。采用鋼管連板進行架間連鎖，提高架棚的整體性。

2.1.2 單棚支護實際支護效果

通過觀察，發(fā)現(xiàn)巷道及架棚的變形情況如下。棚梁滯后掘進工作面約10 棚距離，棚梁開始出現(xiàn)彎曲變形，隨著掘進工作面的推進，巷道后路的工字鋼棚梁的彎曲變形繼續(xù)加劇，同時出現(xiàn)頂板背板斷裂，巷道中間背板斷裂尤為嚴重；兩幫側(cè)壓開始顯現(xiàn)，兩幫上側(cè)煤體凸出，擠壓棚腿登出，有的棚腿出現(xiàn)彎曲或立柱斜度變小，甚至出現(xiàn)負的立柱斜度，幫部背板出現(xiàn)斷裂，兩肩部的背板斷裂尤為嚴重；底鼓顯現(xiàn)，頂?shù)装迤骄七M量600 mm，為了確保頂板安全，隨著向前掘進，后路必須采取補打中柱，臥底，幫部拆幫后，將棚腿復位或更換棚腿等工程，后路的整改工程量增大，基本形成了前掘后修的狀況。

2.2 改進后的對棚支護方案和實際支護效果

2.2.1 回采巷道對棚支護方案

針對架棚損壞，棚梁彎曲較為嚴重的現(xiàn)狀，高家莊煤礦在加強支架強度和減小支架變形方面，對使用對棚支護和改為U 型鋼拱形可伸縮支架支護進行了對比分析，雖然拱形巷道U 型鋼可伸縮支架架棚支護在控制頂板變形、防止棚梁彎曲方面有一定的優(yōu)越性，但是針對采空區(qū)下回采巷道有較多的不適用性，因為拱形巷道在掘進過程中需要切割一定厚度的頂板泥巖，在頂板較薄的前提下，再次切割容易降低頂板承載力，拱肩兩處的煤巖體自穩(wěn)能力差，容易片落，直接影響施工安全，且不利于巷道成型，架棚的背板工作量大，U 型鋼可伸縮支架對兩幫側(cè)壓的抵抗有一定的局限性，又考慮到在回采期間，拱形巷道在進行超前支護時，支架回撤困難，填頂坑木消耗量較大，因此放棄拱形巷道U型鋼可伸縮支架支護，改為對棚支護。對棚支護仍為12 號工字鋼架棚支護，斷面不變，對棚的棚距改為800 mm，幫頂背板數(shù)量不變，均勻布置，背板靠近幫頂仍使用金屬網(wǎng)護幫護頂，如圖1 所示。

圖1 工字鋼架棚支護Fig.1 Support of i-shaped steel frame shed

2.2.2 對棚支護實際支護效果

對棚支護后，棚梁彎曲跟進掘進工作面的距離有所加大，后路棚梁彎曲的嚴重程度有所減輕，但是仍然出現(xiàn)頂板下沉、棚梁彎曲、背板斷裂的現(xiàn)象，側(cè)壓顯現(xiàn)明顯，出現(xiàn)幫部鼓出、棚腿登出的現(xiàn)象，底鼓依然沒有改觀；對棚支護還存在費用高、進度慢、支護時間長、頂板易掉落、不利于頂板管理的弊端。

考慮到回采時架棚的回收復用問題，單純的架棚支護，在巷道大變形且頂幫破碎又無臨時支護的狀況下，架棚回撤勢必會造成漏頂、攤幫，因此無法回撤架棚，綜合考慮無論單棚支護還是對棚支護，均不能有效解決極近距離煤層群下層煤回采巷道的支護問題，還需要進一步優(yōu)化支護方式。

2.2.3 架棚支護礦山壓力和巷道變形分析

結(jié)合礦山壓力理論，認為巷道開挖后，頂板泥巖薄板結(jié)構(gòu)在被開挖的短時間內(nèi)，能夠暫時處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，因此在工作面架棚過程中，僅有局部的偽頂?shù)袈?，能夠在短時間內(nèi)完成架棚支護的各工序，隨著施工的前掘，頂板泥巖薄板結(jié)構(gòu)在開挖后失去下部支撐的狀態(tài)下，在上部自重應力及采空區(qū)應力的作用下，開始逐漸出現(xiàn)彎曲變形，頂部泥巖薄板結(jié)構(gòu)裂隙不斷擴展，頂板中部首先受拉破壞，泥巖薄板結(jié)構(gòu)的完整性遭到破壞，待頂板裂隙貫穿整個泥巖薄板后，泥巖薄板結(jié)構(gòu)的殘余支撐壓力顯著下降，頂板的彎曲變形隨之加劇，頂板的彎曲下沉直接作用在棚架背板上，然后傳遞給棚梁，棚梁彎曲后支撐作用明顯降低，隨著應力傳遞的加大，棚梁彎曲愈來愈嚴重，棚梁的支撐作用隨著自身彎曲撓度的增加，其支撐阻力逐漸降低，支撐作用越來越小，因此出現(xiàn)棚梁嚴重彎曲、背板嚴重斷裂的現(xiàn)象；同時由于巷道開挖和棚架支撐作用的降低，頂板應力傳遞給巷道兩幫附近的煤巖上，兩幫上側(cè)的煤體強度低于周圍巖體，首先煤體發(fā)生塑性變形，表現(xiàn)為外凸，直接對幫部支護造成損壞。隨著應力傳遞的加大，兩幫煤體塑性區(qū)向圍巖深部發(fā)展，兩幫大面積擠出，因此出現(xiàn)嚴重的幫部變形、支護受損的現(xiàn)象。頂板應力傳遞給巷道兩幫附近的煤巖上，又傳遞給巷道的底板，因此出現(xiàn)巷道大面積底鼓現(xiàn)象。

通過以上分析，單純依賴架棚的支撐阻力，其控制圍巖變形和壓力傳遞作用非常有限，要約束頂板泥巖薄板結(jié)構(gòu)的變形，首先要重新構(gòu)建提高圍巖自身承載能力，減緩頂板壓力傳遞，其次是增加幫部強度，發(fā)揮圍巖殘余支撐能力，減小側(cè)向變形和橫向推力，同時利用架棚給于破碎巖體充足的圍壓，保證架棚結(jié)構(gòu)恒定支護阻力，控制巷道變形。

錨桿支護是將煤層的圍巖施以預應力使巖體產(chǎn)生懸吊、組合梁作用，對頂板進行加固，對于極近距離煤層下部巷道支護可以采取錨桿和鋼帶、金屬網(wǎng)共同支護的方式，重新構(gòu)建并提高圍巖自身的承載能力，從而起到加固頂板的作用。

2.3 錨網(wǎng)帶+架棚支護方案和實際支護效果

2.3.1 錨網(wǎng)帶+ 架棚支護方案

錨網(wǎng)帶支護的頂板錨桿長度2.5 m，（長度可根據(jù)層間距調(diào)整為1.8 m 或1.6 m 等） 間距0.85 m，排距0.7 m，并配套BHW-280-3.00 礦用W 型鋼帶和金屬網(wǎng)，幫部錨桿長度2.5 m，間距0.8 m，排距0.7 m，并配套BHW-280-3.00 礦用W 型鋼帶和金屬網(wǎng)，頂部5 根錨桿，幫部3 根錨桿。

架棚采用12 號礦用工字鋼梯形棚單棚支護。架棚支護要素同上述的單棚支護，如圖2 所示。

圖2 錨網(wǎng)索和架棚聯(lián)合支護Fig.2 Combined support of anchor cable and shelf

2.3.2 錨網(wǎng)帶+ 架棚支護效果

增加了錨網(wǎng)帶支護后，距離工作面100 m 范圍內(nèi)的巷道變形基本得到控制，但是后路變形依然存在，主要表現(xiàn)在隨著頂板的下沉，直接造成頂板中間的背板斷裂，棚梁出現(xiàn)彎曲的現(xiàn)象，幫部的變形基本得到控制，兩幫煤層的外凸和棚腿登出現(xiàn)象幾乎沒有出現(xiàn)。通過觀測分析，在層間距較薄的區(qū)段棚梁先期出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，在層間距較厚的區(qū)段棚梁基本不變形，基本上符合層間距小于3 m 時，棚梁彎曲嚴重，大于3 m 時棚梁變形量小或不變形的規(guī)律，由于巷道的服務周期長，回采過程中，還要經(jīng)受回采超前壓力的影響，因此，為了防止棚梁彎曲、頂板下沉，必須采取進一步的加固措施。

2.3.3 錨網(wǎng)帶+ 架棚支護礦山壓力和巷道變形分析

上部煤層開采后，下部煤層的巷道頂板尚未完全破碎，且具備足夠的厚度作為錨固體。巷道頂板選用錨桿支護是可行的，錨桿支護是一種主動支護，不僅起到組合梁加固頂板完整性的作用，而且起到對泥巖薄板結(jié)構(gòu)下部巖層的懸吊作用，在掘進過程中單一錨桿支護可以短期內(nèi)確保巷道圍巖穩(wěn)定，但是由于層間距小，無法進行錨索支護，因此層間距巖柱的薄板結(jié)構(gòu)整體失去了用錨索將錨桿組合梁進行懸吊的作用，泥巖薄板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了滯后彎曲現(xiàn)象，直接造成巷道中間的背板斷裂，進而使棚梁彎曲，這就要求棚架能發(fā)揮最大的支撐作用，也要求在壓力較大的情況下架棚能夠讓壓，防止折損，保持對破壞圍巖恒定的抵抗力。層間距巖柱的薄板結(jié)構(gòu)雖然經(jīng)過錨桿支護后，本身具備一定的自身承載能力，但是泥巖薄板結(jié)構(gòu)隨著厚度的變化，承載能力不均勻，因此要針對層間距相應較薄的區(qū)域進行加固。

2.4 錨網(wǎng)帶+架棚讓壓補強支護方案和實際支護效果

2.4.1 錨網(wǎng)帶+ 架棚讓壓補強支護方案

錨網(wǎng)帶支護和架棚支護要素同上述，架棚的讓壓措施是減少支架頂部的背板塊數(shù)，由原來的8 塊減為4 塊，中間的4 塊背板不再支護，兩幫各減少2 塊背板，即背板形成幫二頂四，棚梁的上方中間部分留出讓壓空間，針對層間距小于3 m 的區(qū)段采取巷道中間補打單體液壓支柱進行加固的方案，采用單體柱+一字鉸接頂梁支護，單體直徑不得低于100 mm，在巷道施工中，即使層間距大于3 m 的區(qū)段，如果發(fā)現(xiàn)壓力較大時，需及時補打中柱，防止頂梁損壞，如圖3 所示。

圖3 錨網(wǎng)索和架棚補強支護Fig.3 Reinforcement support of anchor cable and shelf

2.4.2 錨網(wǎng)帶+ 架棚讓壓補強支護效果

通過采取讓壓措施和單體支柱加固措施，棚梁不再彎曲，對于層間距較小的區(qū)段頂板彎曲下沉和棚梁的彎曲也得到了有效控制，單體支柱補強支護可以當做回采順槽的超前支護，回采巷道拆除工字鋼支護時再回撤單體支柱，由于頂板下沉和棚梁彎曲得到控制，巷道具有成型好、后期拆除快捷、勞動消耗小、工字鋼重復利用高的特點。

2.4.3 錨網(wǎng)帶+ 架棚讓壓補強支護礦山壓力和巷道變形分析

通過巷道棚梁上方留有一定的變形空間，使頂部的泥巖薄板結(jié)構(gòu)中部的彎曲不再直接作用在背板和棚梁上，頂部的泥巖薄板結(jié)構(gòu)得到有限變形并釋放了一定的能量后，使其穩(wěn)定或達到變形極限，不再彎曲變形，經(jīng)過能量釋放后，即使再作用在棚梁之上，棚梁的受力也相應減小，使棚梁不再彎曲，對于層間距較小的區(qū)段，由于自身的承載能力下降，可能先期彎曲變形，作用在棚梁上的地應力相對較大，但是由于中間補打了單體支柱，減小了棚梁的跨度，單體支柱不但起到支撐作用，同時增加了棚梁的支撐力，使棚梁不再彎曲變形。

3 結(jié) 語

極近距離煤層群在經(jīng)受上層煤采動應力以及殘余應力的影響下，下層煤巷道穩(wěn)定性較差，巷道變形嚴重，上下層煤層中間特殊的泥巖薄板結(jié)構(gòu)是巷道支護的重點，錨桿支護約束頂板變形，重新構(gòu)建并利用圍巖自身的承載能力，減小減緩頂板壓力的傳遞是重要的支護手段。架棚結(jié)構(gòu)可靠的支撐阻力和讓壓性是確保巷道穩(wěn)定的關鍵，單體支柱分段支護是重要的補強支護措施，現(xiàn)場實踐證明，回采巷道大面積破壞的現(xiàn)象基本消失，錨網(wǎng)帶+架棚讓壓補強支護的復合支護方式控制頂板效果明顯，即經(jīng)濟又安全，值得推廣。