近距离煤层回采巷道支护设计

冯 刚，田王健

（1.晋能控股煤业集团泰山隆安煤业有限公司，山西 忻州 036600；2.晋能控股山西科学技术研究院（太原）科学技术研究有限公司，山西 太原 030006）

1 401工作面概述

晋能控股煤业集团泰山隆安煤业有限公司401工作面为11下层四采区首采工作面，工作面设计走向长度为1 400 mm、倾向长度为185 m，工作面布置在11下煤层内，煤层厚度3.7～5.09 m，平均4.5 m，赋煤区煤层由东向西、由北向南逐渐变厚；11上煤层，最大煤层厚度1.9 m，最小煤层厚度1.38 m，平均厚度1.66 m；11上与11下煤层最大层间距为3.46 m，最小层间距为2.01 m，平均层间距为2.74 m，属极近距离开采煤层。11 号煤层直接顶板岩性为泥岩和细砂岩，厚0.92～7.96 m，平均3.90 m，节理裂隙发育，是典型的易冒落的顶板岩石组合；底板岩性为泥岩和砂质泥岩，厚1.12～2.86 m，平均2.10 m，平整无底鼓现象。

2 回采巷道布置方式

为了保证401 工作面安全高效回采，11下煤层工作面煤柱的留设不仅要考虑11上煤层对11下煤层工作面的影响，还要保证11下煤层工作面正常回采及有效衔接。因此通过提出11下煤层回采巷道布置方案，进而确定合理巷道布置方式及煤柱合理留设宽度[1-2]。

2.1 布置方案

1）方案一内错式布置：11下401 工作面回风巷道布置在11上401 采空区下；11下401 工作面运输巷道布置在11上401 采空区下，内错11上401 工作面，内错布置。此方案中，11下401 工作面运输巷及回风巷均布置在11上401 采空区下应力降低区内，围岩应力相对较小，与11上煤层煤柱错距合理，应力不均衡程度相对较低，11下401 工作面区段煤柱留设尺寸较大，11上煤层工作面长度减小，煤炭资源采出率较低。

2）方案二外错式布置：11下401 工作面运输巷与11下401 工作面回风巷均布置在11上401 工作面煤柱下，外错11上401 工作面煤柱边缘一定距离。此方案中，工作面回采期间极易导致该巷道围岩控制难度增大，11下401 工作面区段煤柱留设宽度合理，工作面长度满足生产需求，煤炭采出率较高。

3）方案三同向内错式布置：11下401 工作面运输巷布置在井田边界处，11下401 工作面回风巷布置在11上401 工作面采空区下方，11下403 工作面进风巷布置在11上401 工作面采空区下方，即“同向内错”11上401 工作面布置，如图1 所示。此方案中，11下401 工作面运输巷及回风巷均布置在应力降低区内，有利于巷道掘进，工作面长度延长，煤炭采出率高，但巷道上部无稳定岩层锚固工作面回采期间极易发生应力集中现象，从而导致巷道维护难度增大。

图1 401 工作面顺槽同向内错式平面布置示意图

2.2 应力分析

针对提出的三种巷道布置方案，采用FLAC3D软件对三种方案不同布置方式进行数值模拟计算。

1）方案一：11下工作面回采巷靠近上煤层遗留煤柱侧塑性区，破坏深度为1～3 m，且由于上煤层采空区上覆岩层垮落后逐渐趋于稳定状态，11下401 工作面运输巷底板及两帮屈服破坏不明显，此时有利于巷道维护；11下401 工作面回采巷道最大垂直应力为1.5 MPa，剪切应力最大值为2.5 MPa，且巷道所在区域为应力降低区。

2）方案二：11下401 工作面回采巷道外错上煤层11上401 工作面采空区，两帮塑性区破坏深度超过3 m，且发生剪切破坏和拉伸破坏，顶板破坏深度范围与11上401 工作面围岩破坏范围连成一片，使11下401 工作面运输巷维护难度增大，且不利于安全高效生产的目的；11下401 工作面回采巷道受上煤层遗留煤柱集中应力影响，最大垂直应力达12 MPa，剪切应力最大达5 MPa，处于应力较高区段。

3）方案三：11下401 工作面运输巷均布置于11上401 工作面采空区下，此时巷道底板及两帮剪切破坏及拉伸破坏较轻，顶板破坏深度与11上401 工作面运输巷围岩破坏范围贯通，巷道整体处于应力降低区，不易受到上煤层煤柱影响，有利于巷道围岩控制；11下401 工作面回采巷大部分位于垂直应力降低区，只有靠近上煤层遗留煤柱侧仍然受到集中应力的影响，最大垂直应力为2.5～5 MPa，剪切应力在3.5 MPa，但整体仍处于应力降低区，巷道应力环境良好，易于维护。

综上，结合矿井生产实际及11下煤层回采巷道围岩稳定性分类研究，分析不同巷道布置方案下围岩应力分布规律及塑性区破坏范围，初步确定采用方案三“同向内错”进行巷道布置。

3 回采巷道支护技术

401 工作面回采“同向内错”布置时，考虑巷道施工安全，决定对回采巷道采用注浆锚杆、锚索棚、梯形棚等联合支护。近距离煤层下401 回风巷支护断面、平面示意图如图2 所示。

图2 近距离煤层下401 回风巷支护断面、平面示意图（单位：mm）

3.1 注浆锚杆支护

为了保证近距离煤层下巷道掘进安全，401 回采巷道为梯形状，巷道上边宽度为4.8 m、下边宽度为5.2 m、高度为3.5 m；为了提高顶板稳定性，决定对顶板施工注浆锚杆支护。

1）由于401 回采巷道原顶板主要采用单锚杆（索）支护，顶板锚杆采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆长度为2.5 m、直径为22 mm，锚杆布置间排距为1.0 m；但是由于层间距小，顶板破碎严重，导致原顶板锚杆支护失效现象严重，所以决定对原顶板锚杆进行优化，采用注浆锚杆支护，注浆锚杆与原顶板锚杆配合支护，采用“三二三”布置方式，注浆锚杆布置间排距为2.0 m。

2）注浆锚杆长度为3.5 m、直径为35 mm，注浆锚杆为中孔状，中部孔直径为15 mm，在注浆锚杆四周均匀布置直径为10 mm 注浆射孔，射孔布置间距为0.5 m，为了便于注浆锚杆锚固作用，锚杆段位设置为销尖状。

3）首先在巷道顶板施工锚杆钻孔，钻孔深度为3.5 m、直径为38 mm，钻孔施工完后对其锚注注浆锚杆，然后在锚杆中孔内安装注浆软管，并将注浆软管与注浆泵连接，在锚杆端部安装止浆塞，最后进行注浆施工，注浆液采用马丽散浆液。

3.2 锚索棚支护

为了进一步提高顶板稳定性，决定对401 回风巷采取锚索棚进行加强支护。

1）锚索吊棚主要由槽钢、恒阻锚索等部分组成，槽钢长度为4.2 m、宽度为0.15 m，槽钢上焊制3 个锚索支护孔，孔间距为1.8 m、直径为30 mm；恒阻锚索长度为4.0 m，直径为21.8 mm。

2）锚索吊棚布置间距为2.0 m，首先在相邻两排单锚杆之间对顶板施工3 根恒阻锚索，锚索采用3 支锚固剂进行锚固，锚索锚固后外露长度控制在0.3 m范围内；待3 根锚索安装后安装槽钢，并采用锁具进行预紧[3-5]。

3.3 梯形棚支护

为了进一步提高采空区下巷道两帮煤柱支撑强度，降低顶板破碎现象，决定对采空区下巷道支设梯形钢棚。

1）支设的梯形棚主要由梯形棚顶梁、U29 型棚腿、底座等部分组成。其中梯形棚主要由若干根长度为4.2 m 圆钢组成，圆钢主要采用夹板进行固定，梯形棚两端安装一块钢板，钢板上布置4 个直径为20 mm 的支护圆孔。

2）梯形棚架设顺序为底座→棚腿→顶梁，其中底座采用地锚进行固定，同一架钢棚底座必须固定在同一水平面上；在进行棚腿安装时棚腿与底座之间采用螺母进行固定，棚腿与底座之间安装角度为78°。

4 结语

通过对401 工作面回采巷道布置方案进行合理选择，并对近距离采空区下巷道采取了合理有效的支护技术后，巷道在后期掘进过程中未出现顶板破碎、断裂现象，有效解决了近距离煤层下巷道掘进支护难度大、支护效果差、围岩破碎等技术难题，保证了巷道安全快速掘进，取得了显著应用成效。