近距离下位煤层开采巷道布置及支护技术研究探索

近距离下位煤层开采巷道布置及支护技术研究探索

刘为民

中煤华利公司高家庄煤矿  山西省吕梁市中阳县  033000

摘要：高家庄煤矿属近距离煤层群开采，下位煤层掘进期间受上部采动影响，出现棚梁弯曲、棚腿倾斜失脚、锚杆断裂、巷道顶帮位移量大等强矿压现象。通过研究巷道围岩应力分布，采取外错式布置巷道，并根据层间距变化不断优化短锚索+架棚、新型高强长锚索等支护技术，有效控制了顶板，实现了月度进尺达250m较高水平和“零冒顶”目标。

关键字：近距离；下位煤层；巷道布置；支护技术

引言

高家庄煤矿井田划分为两个煤组，上煤组（2、3、4号煤层）为近距离多煤层开采，开拓大巷联合布置，现开采区域2#煤层已回采完毕，正在进行下部煤层开采。受上部2#煤层采动影响，3#煤顶板原有的完整可靠性受到一定程度破坏，且2#煤遗留的保护煤柱形成的集中应力向临近下部煤层传递和扩散，3#煤顶板变得破碎不稳定，巷道矿压显现强烈，产生支护难度大、巷道变形明显、支护失效等问题。为避免4#煤掘进期间出现同样问题，通过合理确定巷道布置位置，并根据层间距变化调整支护参数等方法，实现安全生产。

1 高家庄煤矿近距离煤层群开采生产地质条件概况

高家庄煤矿井田面积39.979km²，产能120万吨/年。2#煤层工作面切眼设计长度180米，留设区段煤柱20-30米，3#煤层工作面内错对应2#煤层工作面布置，切眼长度150-160米。2#煤层平均厚度为1.60 m。3#煤层平均厚度为1.30 m，位于山西组2#煤层之下2.17 m ~ 26.85 m，平均间距9.61 m。4#煤层平均厚度为1.04 m，上覆临近煤层为3#煤层，层间距2.6 m ~ 9.0 m之间，平均间距4.3 m。4#煤层平均埋藏深度为545 m，顶板岩性为泥岩或砂质泥岩，局部为中细粒砂岩或粉砂岩。

2上覆采空区近距离煤层群巷道布置

2.1 近距离煤层群巷道布置方式选择

根据矿井临近煤层中下层煤掘进巷道与上层煤遗留的保护煤柱之间的相对位置空间关系，将下层煤工作面布置方式分为内错式布置、外错式布置和重叠式布置三种。

（1）内错式布置是指4#煤层回采巷道向3#煤层遗留煤柱内侧同向移动，位于3#煤层遗留煤柱内侧，整个回采工作面布置于3#煤层采空区下部，该布置方式下4#煤层回采工作面较3#煤层回采工作面变短，留设的区段保护煤柱变宽，导致煤炭采出率低，资源浪费。如图1所示：

图1  内错式布置

（2）外错式布置是指4#煤层回采巷道向3#煤层遗留煤柱外侧移动，此时4#煤层回采工作面内部上方含有3#煤层遗留煤柱，该布置方式下4#煤层回采工作面较3#煤层回采工作面变长，但4#煤层回采工作面开采期间易受3#煤层遗留煤柱应力影响，出现片帮、漏顶等支护难问题，需确定合理的错距。如图2所示：

图2  外错式布置

（3）采用重叠式布置时，4#煤层回采巷道位于3#煤层回采巷道正下方，该布置方式下4#煤层回采巷道受3#煤层老巷底板破碎不稳定和遗留煤柱应力集中影响较大，在深部高应力作用下易出现围岩变形破坏、顶板破碎漏顶难控制等现象，需超前维护顶板，造成单进水平低。如图3所示：

图3  重叠式布置

根据高家庄煤矿实际采掘布置情况，3#煤层留设了49 m的边界保护煤柱和超过40m的区段保护煤柱，煤炭资源浪费损失量较大。为保证矿井设计生产能力，提高煤炭回收率，4#煤层工作面采用外错式布置方式。为降低3#煤层遗留煤柱集中应力对4#煤层工作面回采巷道的影响，同时综合考虑经济效益和生产安全，需确定4#煤层回采工作面巷道布置时的合理错距。

2.2 近距离煤层群下位煤层巷道合理布置位置

受3#煤层回采工作面开采影响，4#煤层巷道顶板在遗留煤柱应力作用下出现应力集中现象，3#煤采空区下部4#煤层处于卸压状态，采空区影响范围内的煤层处于应力降低区。为确保回采巷道围岩稳定，4#煤层在布置工作面回采巷道时应尽可能避开3#煤层遗留的区段煤柱底板应力影响区域。经与相关科研院校合作现场监测分析，3#煤层工作面回采巷道与4#煤层工作面回采巷道的水平错距在6.0 m时较为合理。

3#煤层遗留的区段保护煤柱宽度为40m，为了降低3#煤层遗留煤柱和工作面回采后对4#煤层开采造成的影响，同时综合考虑遗留煤柱导致煤炭资源浪费带来的经济损失以及3#煤层回采巷道破底掘进等因素影响，将4#煤层首采工作面4201工作面巷道采用外错布置方式，布置在3#煤层3201工作面两巷保护煤柱煤壁外侧采空区边缘水平距离6 m处，同时综合考虑合理的工作面开采长度，因此将4#煤层回采工作面切眼长度选择在220 m-250 m之间。跨3#煤层工作面遗留煤柱开采，4#煤层留设区段保护煤柱宽度设定为20m左右。

3不同层间距下4#煤层工作面回采巷道巷内支护技术方案

结合矿井3#煤层开采经验，考虑到锚索具有锚固深度大、承载能力高、可施加较大预应力等优点，确定4#煤层工作面回采巷道巷内支护技术为掘巷时期的短锚索支护技术、新型高强长锚索加固技术以及工字钢架棚加强护顶技术。根据生产地质条件确定4#煤层工作面回采

巷道短锚索采用Φ17.8mm的1×7预应力钢绞线，长度取值范围：2200 mm-3000mm；新型高强长锚索采用Φ21.8mm的1×19结构的预应力钢绞线锚索，强度与普通短锚索相比大幅增加，其选用长度根据现场实际揭露的顶板条件确定。根据3#煤层工作面回采时对4#煤层层间距的钻探结果，需根据不同层间距或岩石破碎情况进行分类确定支护方式和参数，后续根据现场实践和巷道围岩变形破坏的具体情况及时调整优化支护方案。

（1）当煤层层间距在3.8m以内时，考虑到该情况下采用工字钢架棚加强支护，为方便架棚将4#煤层工作面回采巷道断面形状设计为梯形断面，巷道净上宽3.7m，净下宽4.8m，净高2.6m，净断面积11.05㎡。棚梁和棚腿均采用12#矿用工字钢，棚距为1200 mm，架棚之间两侧梁头及两侧棚腿底部各打设一根撑木，柱窝深度为150mm。

①当煤层层间距在3.3m以下时巷道支护参数：①巷道顶板短锚索采用Φ17.8mm×L2600mm的1×7预应力钢绞线，锚索间排距均为800mm，每排布置4根，中间2根锚索垂直顶板支设，两侧肩窝处锚索分别向外倾斜10°支设，短锚索预紧力不小于150kN，外露长度为0.2m。②巷道帮部采用Φ20 mm×L2400 mm的左旋全螺纹等强度金属锚杆，间排距800mm×800mm，每排布置3根锚杆，上部2根锚杆垂直煤壁打设，下部1根锚杆向下倾斜10°打设，锚固力不小于120kN，外露长度为0.2m。如图4所示：

图4 4#煤层工作面回采巷道支护方案（层间距小于3.3 m）

②当煤层层间距位于3.3 m-3.8 m之间时巷道支护参数：与层间距小于3.3m时巷道支护参数相比，巷道顶板短锚索参数调整为Φ17.8mm×L3000mm的1×7预应力钢绞线，锚索间排距、帮锚杆等其他支护参数不变。如图5所示：

图5  4#煤层工作面回采巷道支护方案（层间距3.3 m-3.8 m之间）

（2）当煤层层间距超过3.8m时，4#煤层工作面回采巷道支护参数如下：

该阶段不再使用工字钢架棚加强支护，为提高巷道掘进效率将巷道断面设计成矩形，巷道宽4600mm，净高2.6m。

短锚索支护参数：顶板短锚索采用Φ17.8mm×L2600mm的1×7预应力钢绞线，间排距均为800mm，每排安设6根短锚索，均垂直顶板施工，预紧力不小于150kN。

新型高强长锚索加强支护参数：顶板长锚索采用Φ21.8mm×3600mm的1×19结构的预应力钢绞线锚索加强支护，间排距为1600mm×1600mm，每排铅垂向上对称布置2根新型高强长锚索，新型高强长锚索打在2排短锚索中间，新型高强长锚索预紧力不小于250kN。同时每隔5~10m设置一根木点柱作为信号柱。如图6所示：

图6  4#煤层工作面回采巷道支护方案（层间距超过3.8m）

4特殊地段4#煤层工作面回采巷道巷内支护技术方案

4.14#煤层工作面巷道位于实体煤区域

考虑4#煤层工作面回采巷道掘进初期位于2#煤、3#煤层大巷保护煤柱附近，该段在设计的锚索支护基础上采用工字钢架棚进行加强支护，棚梁和棚腿均采用12#矿用工字钢，棚距为1.6 m。

4.2 无法使用锚索支护地段

当层间距较小，不足2.8m时，此时无法充分发挥锚索支护优势，采用锚杆主动支护+12#矿用工字钢架棚加强支护的形式支设，铺设金属菱形网护顶，地质条件发生变化时根据现场情况进行注浆加固。

4.3 断层破碎段

该段在设计的原锚杆锚索支护基础上采用钢筋梯子梁代替钢带进行护表加强支护，钢筋梯子梁采用14#矿用钢筋梯子梁。如图7所示：

图7 顶板钢筋梯子梁加工图

5 结语

高家庄煤矿基于在3#煤开采期间的顶板支护经验，在开采4#煤期间，针对不断变化的煤层层间距，采取了不同的支护方式，增加了顶板支护强度，有效提升了掘进速度，缓解了采掘接续紧张局面。如4201工作面掘进巷道与上覆3#煤3201工作面顺槽外错6m布置，层间距2-7m，计划月进尺180m，实际月单进210m，最高月进尺达250m的较高水平，实现了“零冒顶”安全目标，为矿井高产高效夯实了基础。

参考文献

[1]徐永圻。采矿学。中国矿业大学出版社，2003年1月.

[2]金珠鹏。近距离煤层开采覆岩运动规律及围岩变形机理研究。应急管理出版社，2022年8月.

[3]严国超。近距离煤层群联合开采理论与工艺研究。煤炭工业出版社，2013年4月。

[4]孟浩。近距离煤层群下位煤层巷道布置优化研究。煤炭科学技术，2016,44（12）:44-50。