近距离下煤层巷道支护优化及支架选型研究

近距离下煤层巷道支护优化及支架选型研究作者：张有狮
来源：《科技传播》2012年第24期
摘要在我国近距离煤层赋存和开采所占比重很大，而吕梁矿区木瓜煤矿层间距小于10m 的可采储量占总储量的80%，所以研究近距离下煤层巷道支护优化具有重要的现实意义。

针对木瓜煤矿近距离煤层采空区、遗留煤柱下巷道支护方案确定的技术难题，基于下分层回采巷道变形破坏机理和锚杆支护理论，采用理论和数值模拟相结合方法，对于不同的层间距采用不同的支护形式与支护参数；并结合10-107的生产技术条件，对巷道进行了支护优化设计，结果表明有效地改善了围岩的应力状态，提高围岩的承载能力；降低了巷道断面的收缩变形，变形控制在25%以内，巷道围岩变形得到了显著的控制，该成果为近距离下煤层安全开采研究具有现场指导意义。

关键词近距离煤层；下煤层；巷道支护；锚杆支护；优化设计；支架选型
中图分类号TD55 文献标识码A 文章编号1674-6708（2012）81-0076-02
0 引言
在我国近距离煤层赋存和开采所占比重很大，而吕梁矿区木瓜煤矿层间距小于10m的可采储量占总储量的80%，所以研究近距离下煤层安全开采技术具有重要的现实意义[1-5]。

近距离煤层上分层开采过程中，引起回采空间周围岩层应力重新分布，不仅在回采空间周围的煤柱上造成应力集中，而且该应力将向底板岩层深部传递，使得煤层底板岩层也会发生一定的变形和破坏，进而对布置在下分层中的回采巷道的支护和维护造成极坏的影响[6-9]。

同时巷道极易发生顶板冒漏事故，冒漏区也易积聚瓦斯，严重影响巷道的掘进和安全生产。

为此对近距离下部煤层回采巷道进行合理有效的支护成为重要的任务。

1 下分层回采巷道变形破坏机理
对于木瓜矿10#煤工作面回采巷道，在上分层9#煤已经开采并保留20m煤柱的情况下，下分层回采巷道破坏机理具有如下新特点：
1）围岩强度低，松散破碎。

10#煤工作面回采巷道处于9#煤煤层采空区下方，经受9#煤开采动压影响，木瓜矿9#煤与10#煤层间距在西二盘区只有2m～10m，层间距较小，根据已有的理论，围岩处在9#煤底板的采动破坏带内，围岩强度降低，尤其对于层间距特别小的范围内，围岩松软破碎，若支护不及时，巷道顶板有整体冒顶的危险；
2）巷道处于非均匀应力状态。

上部煤层采空区底板各点的应力状态差别较大，为非均匀应力分布。

在非均匀载荷作用下，支护体结构更易出现局部过载，产生局部破坏，最终可能导致支护体结构失稳。

工程实践情况表明，极近距离下部煤层回采巷道即使布置在应力降低区
内，也容易出现煤柱侧顶板和巷帮位移量大于另一侧的现象，在支护中也易发生临煤柱侧棚腿折损、破坏及出现巷道底臌现象。

这也正是由于非均匀荷载作用导致极近距离下部煤层回采巷道破坏的主要原因之一。

2 近距离下煤层回采巷道支护方案
2.1 巷道支护形式的确定
通过前面的分析可知：对于不同层间距时，下分层巷道距离9#煤采空区的距离是不同的，所处的围岩应力状态不同，巷道围岩所受扰动破坏也不同，这决定了对于不同的层间距要采用不同的支护形式与支护参数。

对于层间距处于2m～2.5m的下分层回采巷道，在掘进之前已经受到上分层开采的强烈动压影响，处在上分层采空区底板的采动破坏带内，当巷道开掘后，围岩松散破碎，松散破碎的顶板之上是采空区的冒落矸石，顶板及采空区矸石有整体冒落到巷道的危险，且巷道顶板没有稳定的围岩为锚杆支护提供可靠的着力点。

因此，针对这种情况，借鉴目前国内外近距离煤层巷道支护的成功案例，考虑架棚支护。

在层间距为2.5m～5m这一范围内，采用锚杆支护作为基本支护形式，此时顶板厚度仍然较薄且松散破碎，单单采用锚杆支护还是不能够解决破碎围岩冒顶的潜在危险。

而这一顶板厚度不适合打锚索补强。

当层间距大于5m时，完全可以充分发挥锚杆支护的作用，并采用锚索补强的联合支护方式，这可以有效的节约巷道支护成本并提高足够的支护强度。

因此确定巷道的支护形式如表1所示。

表1 不同层间距下下分层巷道支护形式
工作面掘进巷道设计断面为矩形，巷道毛宽4 400mm，毛高3 300mm，巷道净宽4
200mm，净高3 200mm，毛断面面积14.52m2，净断面积13.44m2。

设计巷道的支护参数为：
1）对于层间距为2m～2.5m时，架棚支护采用11号工字钢，棚距0.8m。

在架棚之前，顶板铺设金属网，然后采用工字钢棚支护，并用木楔刹紧背牢，使得工字钢棚与巷道顶板和两帮接触良好，以较早抑制巷道变形；
2）对于层间距为2m～2.5m时，锚杆采用左旋无纵筋螺纹杆锚杆，具体参数如表2所示；顶网为12#铅丝菱形金属网，顶梁、帮梁均采用钢筋梯子梁，架棚支护采用11号工字钢，棚距1.2m；
3）对于层间距大于5m时，锚杆采用左旋无纵筋螺纹杆锚杆，具体参数如表2所示；锚索规格：Ф15.24×5500mm，排距为1.2m，每排2根；顶网为12#铅丝菱形金属网，顶梁、帮梁均采用钢筋梯子梁。

2.2 10-1072巷道支护优化设计
10-107开掘在10号煤中，巷道沿煤层顶板掘进。

层间距大于5m，巷道断面形状设计为矩形，10-1071巷毛宽4.8m，毛高3.4m，掘进毛断面积为16.3m2，10-1072巷毛宽4.8m，毛高3.5m，掘进毛断面积为16.5m2，属于大断面巷道。

10-107轴线位于NE0°方向，留小煤柱护巷，巷道一侧煤柱宽度为20m，受到两侧采动影响。

巷道平均埋深300m。

结合10-107的生产技术条件，从节约巷道支护成本、提高巷道掘进速度以及保证巷道安全生产的角度考虑，对10-107顶板选用20MnSi左旋无纵筋螺纹钢锚杆，其对10-107顶板选用20MnSi左旋无纵筋螺纹钢锚杆，其锚杆规格为φ20×2 500mm，锚杆间距为800mm；对两帮选用20MnSi左旋无纵筋螺纹钢锚杆，其锚杆规格为φ18×2 000mm，锚杆间距为1 200mm。

同时进行锚索补强参数的设计，选取锚索长度7.00m，锚索直径为φ18.9mm，与其相匹配的锚索托盘可选取规格为400×400×16mm平托板，选取锚索排距为3.2m，每排布置2根锚索，锚索间距为1.8m。

3 支架选型设计研究
根据现场实测数据的回归公式计算可知10-107工作面支架需要的支护强度为0.618MPa。

根据支架的支护强度及结构参数，确定支架的额定工作阻力为6 000kN。

根据10-107工作面煤层厚度范围及平均厚度确定支架高度最大为3.5m。

支架的最低结构高度要满足煤层最小采高时的顶板下沉量、采煤机和输送机的配套以及整架运输等要求，确定支架最小高度为1.7m。

综上所述，支架选择型号为ZY7800的双柱掩护式液压支架。

图3 ZY7800型双柱掩护式液压支架
根据上述计算结果和工作面生产能力及配套设备要求，对支架方案进行了详细的设计（如图1），其它主要技术参数如下：
支撑高度（mm）：1 700～3 500；
架中心距（mm）：1 750；
支架宽度（mm）：1 650～1 850；
顶梁长度（mm）：4 195；
支架初撑力（kN）：6 410；
端面距（mm）：340；
最小/最大控顶距（mm）：4 535/5 335；
放顶步距（mm）：800；
所需泵站压力（MPa）：30。

4 结论
近距离下煤层巷道支护研究是探讨巷道变形破坏机理，提出了木瓜矿近距离煤层下分层回采巷道支护方案。

并对木瓜煤矿10-1072巷道进行了支护优化设计，分别得出如下结论：
1）近距离煤层下分层回采巷道支护的发展趋势主要有：单一支护形式向联合支护形式发展；支护方案的多样性；由普通锚杆向高强高预应力锚杆支护发展；注意对破碎围岩的控制；
2）木瓜矿10#煤工作面回采巷道围岩破坏有两个特点：围岩强度低，松散破碎；巷道处于非均匀应力状态；
3）根据木瓜矿的实际情况，提出了不同层间距下，对于下分层回采巷道采用不同的支护形式：层间距为2m～2.5m时采用架棚支护：2.5m～5m时采用锚网梁、架棚联合支护；层间距>5m时采用锚网梁锚索联合支护；
4）结合10-107的生产技术条件，对巷道进行了支护优化设计，结果表明有效地改善了围岩的应力状态，提高围岩的承载能力；降低了巷道断面的收缩变形，变形控制在25%以内，巷道围岩变形得到了显著的控制。

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