孟碧坤

（晋能控股煤业集团云冈矿，山西 大同 037000）

近距离煤层群的开采属较为复杂的开采活动，采用下行开采方式时，上部煤层开采完后应力重新分布，下部煤层受到上覆采空区等影响，下部煤层巷道的合理布置、巷道的支护方式都尤为重要[1-4]。近年来，较多学者和技术人员在近距离煤层采空区下巷道位置确定、支护方式等方面做了许多研究[5-7]。本文针对云冈矿12#和12-2#近距离煤层，采用数值模拟手段合理确定采空区下方8403 工作面5403 运输巷的布置位置，并对5403 巷进行了支护设计，保障矿井的采掘接续关系正常。

1 工程概况

8403 工作面主采12-2#煤层，工作面煤厚为0.2～5.0 m，平均为2.82 m。煤层为原生构造煤，结构简单，煤层倾角4°～5°。8403 工作面煤层顶底板情况见表1。8403 工作面和8401 工作面之间采用沿空留巷布置方式，在8403 工作面回采过程中，采用切顶卸压沿空留巷技术将5403 巷保留下来，作为8401 工作面5401 巷（回风巷）使用。采用沿空留巷技术后，工作面之间不留煤柱，两工作面总长度283.7 m，5403 巷的布置对两工作面的合理长度影响重大。

表1 8403 工作面煤层顶底板情况

5403 巷上方12#煤层8411 工作面和8413 工作面，平均煤厚3.18 m，区段煤柱宽度12.7 m。根据层间8403 工作面层间距等值线图，5403 巷与12#煤层间距为2.57～8.45 m，平均层间距6.24 m。

2 5403 巷合理位置研究

2.1 12#层煤柱对12-2#层的影响

应用FLAC3D软件建立一个走向长300 m、宽540 m、高38 m 的模型。模型中包括12#层、12-2#层与其顶底板岩层，其中12#层煤层布置三个工作面，相邻工作面间保留12.7 m 区段煤柱，煤层边界留设40 m 煤柱。数值模型图如图1。

图1 数值模型图

根据12#层工作面的开采状态，模拟过程首先开采12#层的工作面，并用垮落法对采空区进行处理，如图2。研究12#层开采对12-2#层顶底板的影响特征，对采空区及煤柱下方的应力分布进行分析。

图2 12#煤层开采后采场围岩垂直应力分布云图

12#层工作面开采后，剩余煤柱处于两面采空状态，顶板岩重集中在工作面前方和采空区两侧的煤柱上，从而使煤柱及其两侧一定范围内的应力集中程度更强，且同一水平面上Z 方向垂直应力以煤柱中心线处最大，达到33 MPa，在工作面顶板和底板出现应力降低情况，在采空区下方接近原岩应力，如图3。

图3 12#层煤柱顶底板应力分布

从模拟结果中可以得出以下结论：

（1）在采空区下方垂直应力为7.25 MPa，与原岩应力无明显区别；

（2）12#层煤柱正下方12-2#层顶板受力最大，最大应力33 MPa，应力值高，应力集中系数5.65；

（3）12#层煤柱与采空区边缘处，应力变化梯度大；

（4）12#层煤柱引起的应力增高区为煤柱正下方及煤柱两侧各7.5 m 范围。

2.2 5403 巷合理位置

12#层煤柱引起的应力增高区为煤柱正下方及煤柱两侧各7.5 m 范围，为了安全起见，在煤柱正下方和边缘两侧各15 m 为煤柱影响区，5403 巷布置在该区域外。

（1）如果5403 巷布置在12#层8411 工作面的采空区之下，那么12-2#层8401 工作面的长度为187.2 m，而8403 工作面长度为106 m，两者的长度相差太大。

（2）如果5403 巷布置在12#层8413 工作面的采空区之下，则12-2#层8401 工作面的长度为144.5 m，而8403 工作面的长度为148.7 m，两者的长度相近。

基于上述分析，建议5403 巷布置在12#层8413 工作面采空区下方，与12#层煤柱距离15 m，5403 巷位置布置示意图如图4。

图4 5403 巷布置位置示意图（m）

3 5403 巷支护方案设计

3.1 支护方式及参数

根据8403 工作面布置情况，5403 巷总长度615.6 m。根据巷道上方12#煤层8413 工作面层间距情况，将巷道分为层间距大于7 m 时和层间距小于7 m 时两种情况。巷道断面选用矩形断面，掘进断面长为4.5 m，宽为3.0 m，沿12-2#煤层顶板掘进。

（1）5403 巷与12-2#煤层间距大于7 m 时，采用“锚网索+钢带”支护方式（图5）

图5 煤层间距大于7 m 的巷道支护图（mm）

① 顶板支护

锚杆：采用Φ18 mm 的螺纹钢锚杆，长度为1800 mm，间距为900 mm，排距为1000 mm，每排5 根，垂直顶板布置。锚索：设计采用Φ17.8 mm钢绞线，长为6000 mm，间距为1800 mm，排距为3000 mm，每排2 根，垂直顶板布置。W 钢带：长×宽×高=4100 mm×280 mm×3 mm。

② 两帮支护

锚杆：采用Φ18 mm 的螺纹钢锚杆，锚杆长度为1800 mm，间距为1100 mm，排距为1500 mm，每排3 根，垂直帮部布置。W 钢带：长×宽×高=450 mm×280 mm×4.75 mm。

（2）5403 巷与12-2#煤层间距小于7 m 时，采用“锚网索+钢带+架棚”支护方式（图6）

图6 煤层间距小于7 m 的巷道支护图（mm）

① 顶板支护

锚杆：采用Φ18 mm 的螺纹钢锚杆，锚杆长度为1800 mm，间距为900 mm，排距为1000 mm，每排5 根，垂直顶板布置。W 钢带：长×宽×高=4100 mm×280 mm×3 mm。锚索：设计采用Φ17.8 mm 钢绞线，长度根据层间距调整，层间距2.5～3.5 m 时，锚索长度为2 m；层间距3.5～4.5 m 时，锚索长度为3 m；层间距4.5～5.5 m 时，锚索长度为4 m；层间距5.5～6.5 m 时，锚索长度为5 m；层间距6.5～7 m 时，锚索长度6 m；间距1800 mm，排距2000 mm，每排2 根，垂直顶板布置。工钢对棚：顶梁采用11#矿用工字钢，长度为4150 mm；棚腿采用11#矿用工字钢，长度为2950 mm；双腿双梁，中间用U 型卡固定，棚间距为1000 mm。

② 两帮支护

锚杆：采用Φ18 mm 螺纹钢锚杆，锚杆长度为1800 mm，间距为1100 mm，排距为1500 mm，每排3 根，垂直帮部布置。W 钢带：长×宽×高=450 mm×280 mm×4.75 mm。

3.2 效果检验

截至2021 年9 月30 日，5403 巷已完成掘进，通过现场观测，采用分层间距联合控制技术增加锚杆间排距，减少单位面积锚杆数，缩短了施工时间，提高了日进尺，加快了掘进进度。巷道支护效果好，能保证矿山生产、采掘的连续正常进行，5403 巷能够满足巷道通风、行人、运输等回采要求。

4 结论

（1）5403 巷的合理布置位置为12#层8413 工作面采空区下方，与12#层煤柱距离15 m。

（2）提出了5403 巷采用分类联合支护技术，层间距大于7 m 时采用“锚网索+钢带”支护方式，层间距小于7 m 时采用“锚网索+钢带+架棚”支护技术，现场监测验证了5403巷围岩控制效果较好，保障了矿井的正常采掘。