赵 鹏

（西山煤电股份有限公司西铭矿，山西 太原 030052）

近距离煤层开采时，上、下煤层相互影响较大，尤其是煤层间距较小时，上煤层的开采造成围岩应力的重新分布，煤层底板受支承压力影响而损伤破坏，导致下煤层开采前顶板完整性受到严重破坏，给下煤层的开采以及回采巷道的维护管理带来了较大的困难[1-3]。

西铭矿属于西山煤电集团旗下主力矿井，位于山西省太原市附近，主采煤层包括2#、3#、8#以及9#煤层，其中，8#和9#煤层间距仅0.5～6.9m，平均1.8m，开采时相互影响较大，属于极近距离煤层。8#煤层厚度平均为4.2m，9#煤层厚度平均为2.8m，层间岩层岩性以砂质页岩为主，强度较差，受8#煤层回采影响，9#煤层回采巷道极易发生冒顶，给矿井生产带来安全隐患。

1 上煤层底板应力分布特征

上煤层开采后，底板应力重新分布，图1所示，底板岩层由上至下依次分为拉伸破裂区、剪切滑移区和损伤破裂区。

图1 煤层底板应力分布图

对于下煤层回采巷道，其顶板大多位于损伤破裂区或剪切滑移区，而底板岩层内一点所受应力大小，与上煤层残留煤柱以及该点所处位置有着直接关系。如图2所示，当煤柱宽度较小时，底板应力峰值位置处于煤柱中心线处，随着煤柱宽度的增加，底板应力分布呈现“马蹄形”，应力峰值位置出现在煤柱两侧边缘处。下煤层回采巷道布置时，要注意尽量避开应力集中区域，便于巷道的管理维护。

2 采空区下巷道变形破坏特征

上煤层开采后，引起底板损伤破坏，其破坏最大深度可由式（1）表示[4]。

式中：

h-煤层底板破坏最大深度，m；

γ-上覆岩层平均容重，取25kN/m3；

H-煤层埋深，取450m；

L-工作面长度，取180m；

R-煤层单轴抗压强度，取22MPa。

将数据代入式（1），可得煤层底板破坏最大深度为18.47m，远大于层间岩层厚度1.8m。因此，8#煤层开采后，底板完整性受到严重破坏。

将9#煤层回采巷道布置在上煤层采空区下应力降低区内，可以保持较小的矿山压力，但由于上煤层底板已完全破坏，9#煤层顶板可能位于剪切滑移区，甚至拉伸破坏区内，即使巷道布置避开了应力集中区域，巷道的矿压显现仍会十分剧烈，围岩变形也可能比较严重。因此，确定合理的支护方案对围岩控制十分重要。

图2 煤柱载荷作用下底板岩层应力分布

3 下煤层巷道围岩控制技术

3.1 破碎顶板支护特点

8#煤层开采后，其底板完整性遭到破坏，导致9#煤层巷道顶板较为破碎，与一般条件相比，破碎顶板本身强度较低，承载能力较差。9#煤层巷道支护时，需注意以下几点：

（1）由于巷道顶板较为破碎，且层间岩层过薄，锚杆对围岩的控制能力大幅降低，若垂直顶板布置锚杆，锚固区可能位于压力拱内，承载能力较低，无法达到预期的支护效果；若倾斜布置锚杆，两帮岩块受挤压严重，巷道中部极易发生较大变形。因此，在9#煤层回采巷道围岩相对破碎的区段，应通过注入马丽散等方法加固，提高围岩承载能力，保障巷道稳定；

（2）对于破碎巷道的支护，往往在支护产生效果前便发生较大变形，因此应注意加大支护的初期强度，避免围岩在支护初期便破碎失稳；

（3）地下水会降低围岩强度，影响锚杆杆体以及锚固剂的自身性质，造成巷道围岩发生较大变形，因此，必须注意地下水患的防治，尤其是8#煤层采空区内积水，做好探放水工作，加强水的管理。

3.2 支护参数的确定

根据西铭矿9#煤层实际生产条件，确定工作面回采巷道为梯形断面，上宽3.1m，下宽4.2m，高3.2m，净断面积11.68m2。通过前面的分析，上、下煤层层间距平均仅为1.8m，回采巷道布置在采空区下锚索支护无法产生应有效果。因此，考虑破碎巷道支护原则和本矿实际面临的问题，确定选择为锚网加工字钢棚联合支护方式，利用锚杆和金属网加固顶板，提高围岩完整性，再利用工字钢棚进一步加固顶板，避免发生顶板的整体滑落失稳。

（1）锚杆参数的确定

由于层间岩层厚度平均仅有1.8m，因此锚杆长度最大为1.8m。锚杆直径可由式（2）表示：

式中：

d-锚杆直径，mm；

Q-锚杆拉拔力，可取60kN；

σ-杆体设计抗拉强度，取420MPa。代入式（2），可得锚杆直径为：

由于围岩较为破碎，考虑一定安全系数，顶板与两帮锚杆直径均取为22mm。

按照锚杆所能承载的压力计算锚杆间排距。锚杆排距为：

式中：

Dr-锚杆排距，mm；

L-锚杆长度，取1.8m。

代入可得锚杆排距为：

Dr=0.5×1.8=0.9m

锚杆间距为：

式中：

K-安全系数，取2；

γ-岩层平均容重，25kN/m3；

b-冒落拱最大高度，有

式中：

H-巷道高度，取3.2m；

f-煤体普氏系数，取2.1；

B-巷道宽度，取3.65m；

fd-巷道顶板普氏系数，取3。

将数据代入式（5）、（6），可得冒落拱高度为1.15m，将得数代入式（4），可得：

通过计算结果，确定顶锚杆间排距为0.8m×0.8m，中间两根垂直顶板布置，两侧锚杆向两帮倾斜15°布置，帮锚杆间排距为1.0m×1.0m，顶部锚杆距离顶板0.6m，底部锚杆距离底板0.6m，每排每帮布置3根，均水平布置。

（2）其他参数的确定

顶板锚杆锚固剂采用1支K2355和1支Z2355，加长锚固段长度，两帮采用1支Z2355树脂锚固剂，托盘规格均采用120mm×120mm×8mm的方形托盘，金属网采用8#铁丝网，网片规格为1.2m×2.5m；工字钢棚采用11#架棚，棚距为1.0m。巷道断面支护图如图3所示。

图3 巷道断面支护图（单位：mm）

4 结语

（1）上煤层开采后，底板应力重新分布，当上煤层区段煤柱宽度较大时，底板应力分布呈“马蹄形”，在煤柱两侧位置出现应力峰值；

（2）对上煤层底板破坏深度进行计算，破坏最大深度可达18.47m，远超层间岩层厚度1.8m，所以9#煤层巷道顶板完整性受到破坏，较为破碎，承载能力降低；

（3）根据研究结果，分析9#煤层回采巷道围岩变形特点，对回采巷道进行支护设计，为工作面的安全高效生产奠定基础。