近距离保护层开采下矿山巷道布置及支护技术研究

近距离保护层开采下矿山巷道布置及支护技术研究
李子琛
（龙矿集团大恒煤业，山西　朔州　０３６００２）
摘 要：随着我国能源开采量的逐渐增加，浅层赋存条件好的矿产资源储量在逐渐减少，因此要向藏深、赋存条件差的近距离保护层矿产资源开采，由此会带来的一系列问题，矿山巷道安全问题较为严重。

本文首先对近距离保护层开采进行了简单的概述，分析了近距离保护层开采下矿山巷道位置选择影响因素与确定方法，最后针对现场实施情况展开了深入的研究。

关键词：近距离保护层；开采；矿山巷道；支护
中图分类号：ＴＤ７１３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－５０６５（２０２０）０４－００６０－２
Study on mine roadway layout and support technology under close protection layer mining
LI Zi-chen
（Ｄａｈｅｎｇ　ｃｏａｌ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ｏｆ　ｌｏｎｇｋｕａｎｇ　ｇｒｏｕｐ，Ｓｈｕｏｚｈｏｕ　０３６００２，Ｃｈｉｎａ）
Abstract: Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｇｒａｄｕａｌ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ　ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｏｕｒ　ｃｏｕｎｔｒｙ，　ｔｈｅ　ｒｅｓｅｒｖｅｓ　ｏｆ　ｍｉｎｅｒａｌ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ｗｉｔｈ　ｇｏｏｄ　ｓｈａｌｌｏｗ　ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｇｒａｄｕａｌｌｙ　ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ．　Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，　ｉｔ　ｉｓ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｔｏ　ｍｉｎｅ　ｔｈｅ　ｍｉｎｅｒａｌ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｌｏｓｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｌａｙｅｒ　ｗｉｔｈ　ｄｅｅｐ　ａｎｄ　ｐｏｏｒ　ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，　ｗｈｉｃｈ　ｗｉｌｌ　ｂｒｉｎｇ　ａ　ｓｅｒｉｅｓ　ｏｆ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ，　ｍｉｎｅ　ｒｏａｄｗａｙ　ｓａｆｅｔｙ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｒｅ　ｍｏｒｅ　ｓｅｒｉｏｕｓ．　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｆｉｒｓｔ　ｇｉｖｅｓ　ａ　ｂｒｉｅｆ　ｏｖｅｒｖｉｅｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｉｎｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｌｏｓｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｌａｙｅｒ，　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒｓ　ａｎｄ　ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｉｎｅ　ｒｏａｄｗａｙ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｍｉｎｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｌｏｓｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｌａｙｅｒ，　ａｎｄ　ｆｉｎａｌｌｙ　ｍａｋｅｓ　ａｎ　ｉｎ－ｄｅｐｔｈ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ．
Keywords:　ｃｌｏｓｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｌａｙｅｒ；　ｍｉｎｉｎｇ；　Ｍｉｎｅ　ｒｏａｄｗａｙ；　ｓｕｐｐｏｒｔ
本文以宁武矿为研究对象，矿田总面积约为3000平方千米，地理坐标为东经112°28′11″~112°30′54″，北纬39°26′06″~39°28′11″。

石炭二叠纪近海型矿层厚度达到180m，包括上石炭统本溪组、太原组和下二叠统山西组，由碎屑岩、泥质岩夹石灰岩组成。

含矿地层达到10余层，主要位于太原组内，其中可采矿层5层~8层，矿层总厚度20m~30m，从北往南变薄。

随着浅部矿产资源开采完毕，急需向深部矿层进行开采，而在实际开采过程中面临一些技术难题，近距离保护层开采便是其中之一。

为了安全进行矿层的回采工作，同时提高采区回采率，对近距离保护层开采巷道布置及支护参数进行深入研究。

1 近距离保护层概述
近距离保护层的开采顺序有下行式和上行式两种：一般情况下都采用下行开采；在特定的地质和开采条件下，采用的上行式开采顺序时，其考虑的主要因素是下层的开采不能影响上层正常的准备和回采[1]。

近距离保护层群下进行采矿活动，层间隔层的厚度越小，采掘时相互影响越大，特别是当间隔层厚度很小时，下层巷道掘进前间隔层的完整性已经受到上层采动损伤破坏，间隔层的性质己受到采空区水环境的影响。

上层回采后直接顶冒落，老顶断裂，区段矿柱造成的底板局部应力集中，覆岩水下矿压显现的情况导致间隔层应力环境和结构发生变化，这些情况的出现使得下矿山巷道掘进支护面临许多问题。

2 近距离保护层下矿山巷道位置选择影响因素与确定方法
2.1 影响因素
矿柱用于支撑上覆围岩和保护巷道的稳定，矿柱的稳定性对于上覆围岩的控制至关重要，研究表明：矿柱在近距离矿层中是下部矿山巷道稳定性的重要影响因素，矿柱宽度决定巷道受采动影响的损伤程度。

在进行矿柱设计时需要注意以下几个方面：①矿柱支承压力，即矿柱承受的上部围岩荷载；②矿柱的受力状况，即矿柱所受荷载作用而在矿柱内产生的应力特征；③矿柱自身的承载能力，即矿柱在保证自身稳定情况下承受的最大荷载；④根据巷道重要性和工程因素而考虑的一定量的安全系数。

对于垂直和水平应力，按照矿柱投影区域内外大致可分为矿柱投影内应力升高区、矿柱投影外应力升高区和应力降低区。

对于近距离保护层开采下矿山回采巷道可供选择的内错、重叠、外错三种布置方式，巷道分别位于以上三个区域。

根据下层回采巷道布置到应力降低区有利于巷道维护的原则，以应力降低区作为巷道布置的主要研究对象。

对于矿柱投影区外的底板存在着应力升高区和应力降低区，为了确定巷道位置，我们需要确定应力升高区与降低区的范围，需要确定应力降低区距离矿柱边缘的最小距离和应力降低区的划分范围。

我们确定等于原岩应力的应力等值线作为划分应力降低区的标准，以井壁投影线的夹角作为应力传递角。

通过大量的实践得知，近距保护层开采下矿山回采巷道尽管布置在了应力降低区，但是巷道仍然发生比较大的变形，这与应力分布的非线性造成应力变化率剧烈变化有关，在此我们称作垂直应力变化的梯度。

2.2 下矿山巷道位置的确定方法
作为回采巷道，其层位已经基本确定，即矿柱到下层资源的距离是一定，所以巷道位置的选择主要取决于距离矿柱的水平距离。

水平位置的判定标准：应力降低区分界线距矿柱边缘水平距离x f，梯度降低区距离矿柱边缘的距离x t。

为保证巷道围岩稳定性，且易于维护，我们选取两者之间的较大值作为巷道位置确定的水平参数。

（下转62页）
收稿日期：２０２０－０２
作者简介：李子琛，男，生于１９７３年，汉族，大学，高级工程师，研究方向：井工煤矿开采技术、煤矿生产技术。

3 巷道支护参数优化
3.1 原方案
原方案采用锚喷支护技术，支护所用锚杆的直径为18mm，长度为2000mm，间距、排距为800mm，锚杆托盘的规格为150mm×10mm×150mm，材质为碟形钢板，锚固剂为MSK2350，金属网的网格大小为50mm，规格为1200mm×2000mm，梯子梁的长度为3400m，锚喷体系的厚度为70mm。

经过测算以及参考既往经验，发现该方案对巷道成型质量的控制效果不理想，返修率极高。

3.2 方案优化
选择数字模拟技术分析不同支护参数条件下的实际支护效果，为巷道支护体系的合理优化提供可靠参考数据。

该矿区针对巷道掘进生产实际情况提出多种模拟方案，最终得出方案：①锚杆排距缩短100mm，锚杆直径增加2mm，锚固力控制在7t±1t；②锚索全面补强，布置方式为“三花”模式，直径为15.24mm，爆破孔内的药卷数控制在5个左右，托盘尺寸增加20mm，预紧力控制为11t~13t。

4 施工组织优化
受人员数量限制、时间条件限制、控制条件限制，巷道掘进过程中，必须要保证人员、工序、施工顺序出游相互制约、相互联系的状态，从而达到合理控制掘进速度的目的。

根据现场的基础施工条件以及施工水准情况，以原“两掘一
喷”施工技术方案为基础，优化方案为“三掘三喷”，主要措施方法为：①拌料方式为地面拌料；②迎头7m安装耙装机；[1] 刘凤文,蓝盛,张盛.钱家营煤矿巷道掘进瓦斯突出治理及冒落区超前
锚注修复技术[J].安全与环境学报, 2019(4):1154-1161.
③设置专业掘进小组和复喷小组作业；④编制完善的“三掘三喷”作业循环计划。

5 技术实施效果
多向聚能爆破技术的落实大幅度优化了爆破效果，初步统计，现场材料消耗减少了10%~20%。

支护体系采用“十字监测法”，巷道中共设置四个监测站点揭示围岩变形发展情况。

对比既往的支护案例，发现不同的支护方式对于巷道的支护有着显著影响，围岩变形程度在不同支护方式下有着不同表现，优化后的方案顶板下沉量大约减少42%，两帮的偏移量大约减少60%，底鼓的变形量减少60%，尤其是在巷道初期支护时，表现出良好的稳定性、安全性。

6 结语
综上所述，深部巷道掘进改变传统的垂直楔形掏槽技术，采用双楔形复式掏槽模式。

改善支护参数是提高巷道稳定性的重要因素，该矿区支护参数优化后有效改善了围岩的变形情况，提高了巷道围岩控制效果。

文章上述的技术主要是改善了爆破能的释放环境，在有基础的技术保障后，对施工技术方法、组织方案进行有效梳理。

（上接60页）
应力降低区分界线距矿柱边缘水平距离x f可按下式求得：
（1）式中：x f-应力降低区分界线到矿柱边缘的水平距离；
h f-距矿层底板深度；α-矿层倾角；δ-底板垂直应力传递角；X f0-应力降低区距矿柱边缘的最小距离。

按照巷道位置尽量布置到垂直应力梯度降低区的要求，巷道距离矿柱边缘的最低距离要大于x t。

因此，我们取Max[x f，x t]，作为巷道距矿柱边缘的最小水平距离。

这样就可以完全确定下矿山回采巷道的位置。

在应力降低区范围内布置回采巷道时，如果受能源回收率所限，无法完全把巷道布置到垂直应力梯度降低区内时，可在巷道支护时考虑应力梯度带来的影响，以达到更好的支护效果。

3 现场实施情况
井田总体为向斜构造，北部构造复杂类型属中等，南部构造复杂类型属简单。

2018年，完成了4号、9号矿层配采项目验收，允许回采矿层为4号、9号矿层。

通过调查研究，矿井正常涌水量为40m3/h。

未出现低温低压等异常现象。

结合矿井以往的支护经验，我们在矿井4号一采区和9号一采区的42107工作面、91101工作面选择合理的布置方式和支护参数，有效降低了巷道的变形破坏程度，实现了工作面安全回采。

3.1 选取的巷道支护形式
顶板锚杆间排距1000mm×1200mm，顶板每排打设5根锚杆，锚杆规格为Φ18×2000mm螺纹锚杆，每根锚杆使用1块2360型树脂锚固剂，锚固力要求不小于6t；帮部每排每帮各打设3根锚杆，第一根锚杆打设在顶板下400mm处，锚杆间排距900×1000mm，锚杆规格为Φ18×2000mm螺纹锚杆，每根锚杆使用1块2360型树脂锚固剂，锚固力要求不小于4t，并挂设金属网；顺巷每隔2排锚杆在巷中位置打设1组（2根）Φ15.24×8000mm 锚索，锚索布置在前后两排锚杆之间，锚索间排距2000×2400mm，每根锚索使用2块2360型树脂锚固剂，锚索预应力要求不小于10t。

3.2 现场实施效果
（1）对比以往采用的在上方矿层工作面矿柱下方垂直对应布置巷道的方式，采取内外错的布置方式后，大大减少了巷道的变形量，满足了下方工作面安全回采的需要。

（2）下层能源与上层能源回采区域的布置方式有效的避开了应力叠加区域，巷道在掘巷初期呈现出一定变形后即趋于稳定，在回采动压影响期间变形量处于可控程度，能够满足现场生产需要。

（3）通过两个工作面的现场实践，采取的巷道支护设计对矿井各矿层的开采具有指导意义。

4 结语
通过对近距离保护层开采下矿山巷道布置及围岩控制技术的研究，科学地进行回采工作面布置、矿山压力控制，解决了近距离保护层能源开采中存在的实际问题，保证了巷道稳定性，保证了矿山安全、高效开采。

[1] 徐仁桂,翟春佳,刘丽民,李常浩.倾斜厚煤层沿空梯形巷道煤柱合理
宽度研究[J].煤矿安全,2020,51(04):72-76.。