孟庆妮

(平顶山天安煤业股份有限公司，河南 平顶山 467000)

通常将层间距小于10m的煤层称为近距离煤层，近距离煤层开采时，临近层围岩应力会发生改变，造成临近层围岩整体性遭到破坏和稳定性出现下降，提高了临近层工作面巷道支护难度[1-6]。平煤六矿主采煤层为戊8、戊9和戊10煤层，其中戊二采区戊9和戊10煤层层间距平均为0.4m，采用合层开采，而戊8和戊9煤层层间距平均为5.6m，因此戊8、戊9和戊10煤层属于近距离煤层群。根据六矿瓦斯治理方案，戊8煤层作为保护层首先开采，戊9和戊10作为解放层进行合层开采，这样戊9和戊10合层工作面巷道需要在近距离煤层采空区下进行掘进和支护。以往，六矿近距离煤层采空区下工作面巷道支护多采用架设U型钢或者矿工钢棚进行支护，虽然该支护形式能够满足安全生产需求，但是工序繁琐，施工速度慢，材料成本较高，不利于巷道的快速掘进和缓解矿井采掘接替。以六矿戊9-10-22310工作面回风巷道为工程背景，研究六矿戊二采区近距离煤层采空区下工作面巷道支护，以期解决该条件下工作面巷道支护难题，为矿井科学支护提供理论和实践经验。

1 工作面概况

平煤六矿戊9-10-22310工作面位于戊二采区东部，北部为戊9-10-22290工作面进风巷，南部为实体煤，上部为戊8-22290和戊8-22310工作面采空区，其中戊8-22290工作面于2017年11月回采结束，戊8-22310工作面于2013年5月回采结束。戊9-10-22310工作面所采煤层为戊9和戊10煤层合层，戊9和戊8煤层间距平均为5.6m，戊9和戊10煤层合层均厚3.2m，煤层倾角平均为6°，上部戊8煤层工作面煤层均厚2.1m，煤层倾角平均为6°。戊9-10-22310工作面设计走向长度为1680m，倾斜长度为260m，顶板自下而上分别为均厚2.1m的砂质泥岩和3.5m的细粒砂岩，底板均厚4.7m的泥岩-砂质泥岩，工作面进风巷和回风巷均沿顶板掘进，设计规格高×宽为3.7m×4.4m。

2 巷道支护影响因素

2.1 上部煤层开采影响

煤矿开采理论认为，工作面在回采过程中会在周围形成动压场，在动压场动力的影响下，一定范围内的底板围岩会遭到破坏产生大量的裂隙，其直接影响便是造成底板围岩整体性和强度大幅度下降[7-11]。现采用塑性滑移线场理论对戊8煤层开采后底板破坏深度H1依照公式(1)进行计算，工作面底板塑性破坏结构如图1所示[12]。

式中，M为采高，取2.1m；k为应力系数，取2.8；γ为上覆岩层容重，取25kN/m3；h为采深，取860m；C为煤体内聚力，取1MPa；φ为煤层内摩擦角，取22°；f为煤层与底板摩擦系数，f=tanφ；S为三轴应力系数，S=(1+sinφ)/(1-sinφ)；φf为底板围岩内摩擦角，取40°。

Ⅰ—受力主动区；Ⅱ—力的过度转移区；Ⅲ—被动挤压膨胀区图1 工作面底板塑性破坏结构示意图

由式(1)计算可得，戊8煤层开采后底板破坏深度H1=15.2m。

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》相关规定，同时根据六矿戊8煤层工作面开采经验，得出工作面底板破坏深度H2的经验计算公式(2)：

H2=0.0085h+0.1665α+0.1079L-4.3612

(2)

式中，h为采深，取860m；α为煤层倾角，取6°；L为工作面采长，m。

以戊9-10-22310工作面上部戊8-22290工作面为例，戊8-22290工作面设计采长L=230m，计算H2=28.7m。

综上所述，戊9-10-22310工作面上部戊8煤层开采后，戊8煤层工作面底板破坏深度为15.2～28.7m，远超过戊8煤层与戊9-10-22310工作面层间距。因此，戊9-10-22310工作面顶板围岩已经遭到破坏。为了进一步验证戊8煤层工作面回采后底板破坏具体情况，在戊二采区戊9-10-22290工作面进风巷向上部采空区施工窥视钻孔，分析结果可知，戊9-10-22290工作面顶板裂隙发育程度较高，部分裂隙已经沟通两层煤层。因此，戊9-10-22310工作面巷道掘进施工和支护难度会相对较大。

2.2 其他影响因素

通过对戊9-10-22310工作面上覆岩层取样测试可得，砂质泥岩节理发育，强度处于27.9～31.2MPa范围内；细粒砂岩强度处于53.8～78.8MPa范围内，局部离层，存在裂隙带和破碎区；戊9-10煤层平均强度为19.6MPa，为中硬煤层，受到上部开采影响，局部松散。上部戊8煤层开采后形成的采空区存有积水，会对戊9-10-22310工作面顶板形成软化作用，对于巷道支护不利，且积水会沿着上部煤层开采或者原生裂隙向下渗出，造成岩体强度降低，影响巷道施工和支护。

3 工作面巷道支护实践

3.1 支护体系选择

鉴于戊9-10-22310工作面巷道布置在近距离煤层采空区下，且巷道宽超过4.5m，巷道顶板围岩的破坏拉伸宽度较大，且顶板围岩完整性较差，岩体强度主要由碎裂岩块挤压摩擦产生，肩角处围岩受剪切破坏较明显，施工过程中会造成顶板明显下沉，而普通“锚网索”支护锚固点处围岩不稳定，且普通锚固体只能提供单向挤压力，锚固效果较差，“锚网索”支护难以发挥其应有作用。基于此，决定采用“桁架锚索+锚网”支护戊9-10-22310工作面巷道，“桁架锚索+锚网”支护体系主要包括高预应力钢绞绳、专用连接器、锁具、锚固剂、桁架锚索、普通锚杆、金属网等组成，其中桁架锚索支护结构如图3所示。“桁架锚索”支护利用桁架锚索斜穿肩角处，其水平分力可以抵肩角处剪切力，且通过“桁架锚索”锚固在巷道上下两肩窝，锚固点随顶板弯曲下沉出现适度内移，可与巷道围岩形成闭锁结构，围岩受力过程变缓；桁架锚索较长，具有很好的抗剪效性能和较大预应力，提高围岩抵抗变形破坏能力，确保支护体系处于三向应力平衡状态，且桁架锚索锚固点位于两帮上方深部稳定岩体中，可有效保障支护体系的稳定性，确保对巷道形成有效支护[13-16]。

3.2 支护参数的确定

鉴于有限元软件的计算原理和数值模拟计算效果，结合戊9-10-22310工作面地质条件和围岩组成，采用FLAC3D数值模拟软件建立数值模型对桁架锚索角度、长度、孔口帮距和每排锚杆数量不同的条件下对戊9-10-22310工作面巷道支护效果进行数值模拟计算，计算结果如图2—图5所示。由图2—图5可知，随着桁架锚索角度由40°增加至60°时，巷道顶板下沉量和两帮收缩量均逐渐减小，底鼓量变化不大，当锚索角度进一步增加后，顶板下沉量和两帮收敛量逐渐增加，确定桁架锚索最佳安设角度为60°；随着桁架锚索长度的增加，巷道顶板下沉量和两帮收敛量均逐渐减小，底鼓量变化不大，考虑到戊9-10煤层与上部戊8煤层层间距和锚索成本，确定桁架锚索长度最佳为5m；随着孔口帮距由0m增加至0.2m时，巷道下沉量和两帮收敛量大幅度降低，底鼓量变化不大，随着孔口帮距由0.2m增加至0.5m时，顶板下沉量和两帮收敛量逐渐增高，确定桁架锚索孔口帮距最佳值为0.2m；随着每排锚杆数量的增加，顶板下沉量和两帮收敛量均不断减小，底鼓量变化不大，但是当锚杆由5根逐渐增加后，顶板下沉量和两帮收敛量变化较缓，考虑到锚杆成本投入，确定每排锚杆数量最佳为5根。综上所述，桁架锚索安设最佳角度为65°，锚索长度为6m，孔口帮距为0.2m，顶板最佳锚杆数量每排为5根。

图2 巷道围岩变形与桁架锚索角度关系

图3 巷道围岩变形与桁架锚索长度关系

图4 巷道围岩变形与桁架锚索孔口帮距关系

图5 巷道围岩变形与顶板锚杆数关系

图6 戊9-10-22310工作面巷道支护方案(mm)

3.3 支护效果分析

戊9-10-22310工作面巷道掘进和回采期间巷道表面变形观测结果如图7所示，由图7可知，掘进期间巷道顶板下沉量和底鼓量分别为16mm和10mm，左帮和右帮移近量分别为10mm和22mm，顶底板移近量和两帮移近量分别为设计高度和宽度的0.7%和0.7%；回采期间巷道顶板下沉量和底鼓量为142mm和20mm，左帮和右帮移近量分别为33mm和82mm，顶底板移近量和两帮移近量分别为巷道设计高度和宽度的4.3%和2.6%；掘进期间，巷道收敛变形主要发生在距离掘进迎头60m范围内，回采期间巷道收敛变形主要发生在距离采场煤壁35m范围内，因此在掘进期间要对迎头60m范围内进行加强支护，在回采期间要对超前35m范围的巷道进行加强支护。

图7 工作面巷道在掘进和回采期间表面位移变化曲线

4 结 语

近距离煤层上部工作面开采后会对下部工作面顶板造成破坏，给下部工作面巷道的施工支护增加难度。在进行近距离煤层采空区下工作面巷道支护时，要掌握顶板破坏情况，并根据现场实际选取合理的支护方式，以确保巷道支护效果。戊9-10-22310工作面巷道支护实践表明，采用“桁架锚索+锚网”支护效果较好，巷道未出现明显变形，可实现近距离煤层采空区下巷道支护预期目的。另外，在近距离煤层采空区下巷道掘进时要加强瓦斯监测和上部采空区积水观测，以避免在掘进施工过程中出现瓦斯和水害事故。