上层煤柱下回采巷道布置位置及支护技术研究

锚梁网支护作为一种主动支护形式，不仅能及时加固围岩，提高围岩的强度和承载能力，而且还能显著提高巷道支护效果，降低支护成本，减轻工人的劳动强度，加快巷道的成巷速度，提高巷道断面利用率及简化采煤工作面上下出口维护［１－３］。近年来，顾北矿１３槽煤巷锚梁网支护技术已经取得了成功。然而由于１２４２（１）工作面开采的是１１－２煤层，布置在开采１３－１煤层的１２３２（３）工作面正下方，平均间距大约６８ｍ。目前矿井对于多煤层缺乏开采经验，因此，开展回采巷道的矿压显现规律和支护对策研究，可以为淮南矿业集团顾北煤矿多煤层开采方法选择、生产系统布置、岩层控制方法、工作面合理开采顺序及区段煤柱留设等提供理论依据。１工作面概况

１２４２（１）工作面标高－６４５～－５３６．４ｍ，

地面标高＋２４．２ｍ，属于北一（１１－２）下采

区，上侧（西侧）为１２３２（１）工作面，右侧

（北侧）为１１－２煤层露头、煤层风氧化带及

１１－２煤防水煤柱线，下侧（东侧）为顾桥顾

北井田边界，工作面下顺槽与井田边界保

留煤柱３０ｍ，左侧（南侧）为北一（１１－２）下

采区１１－２煤胶带机上山及回风上山。

１２４２（１）工作面开采１１－２煤层，１１－２

煤层为黑色，弱油脂～油脂光泽，夹少量

镜煤条带，普氏硬度０．７～１．５，煤层厚度

１．５～３．８ｍ，平均厚度３．１ｍ，煤层倾角２～

１２°，平均５°。１２４２（１）工作面六线以北

直接顶为泥岩～砂质泥岩，且向北有增厚

趋势，厚度０～４．０ｍ，平均厚度１．１ｍ，六

线以南直接顶以中细砂岩为主。老顶为中

砂岩，厚度９．９７ｍ，直接底为泥岩，厚度

５．２４ｍ，老底为泥岩，厚度５．９６ｍ。

２回采巷道支护参数优化设

计

２．１　两巷支护载荷分析

对于层状顶板实体煤巷道，巷道支

护载荷按照岩层形变压力破坏假说确定

［４］。岩层形变压力破坏假说认为：能够承

受上位岩层形变压力而不破坏的顶板岩层

称为承载岩层，承载岩层下面的岩层的重

量被确定为巷道支护的载荷。所以，确定

巷道支护载荷的关键就是要确定巷道支护

的承载层。

设第ｎ层岩层所能承受的最大载荷为

ｑ

ｎ

ｍａｘ，第ｎ层所释放的形变压力为σ

放

ｎ，第

ｎ＋１层所释放的形变压力为σ

放

ｎ＋１，顶板

岩层形变压力为Ｐ

，若

则第ｎ＋１层的变形释放被阻止，第ｎ

层岩层即为承载层。

以１２４２（１）两巷为设计对象，以六

１３

钻孔资料为设计计算依据，１１－２煤层顶板

物理力学性质参数见表１所示。

表１ １２４２（１）两巷顶板岩层

物理力学性质

巷道地层压力Ｐ＝ｒｈ＝６７９×２．５×１０－

２＝１７ＭＰａ，巷道设计宽度４．８ｍ，　考虑到

１１槽煤质松软，巷道掘进后煤帮松动，因

此岩梁的计算尺寸Ｌ＝６ｍ（巷道两帮松动范

围按０．６ｍ考虑）。因第１层直接面临巷道

空间，可认为其形变全部释放，故第１层

没有剩余形变压力，第１层所能承受的最

大均布载荷：

按照上述方法依次计算，第５层是承

载层，故１２４２（１）两巷支护的载荷为第

１～第４层岩层重量，岩层高度ｈ＝０．４７＋０．

上层煤柱下回采巷道布置位置及支护技术研究

刘乐枝１，２

１．　安徽理工大学能源与安全学院 ２３２００１

２．　淮浙煤电公司顾北煤矿 ２３２１５１

ＤＯＩ：

１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８９７２．２０１０．１９．０２６

２＋０．５＋３．１＝４．２７ｍ，岩层压力ｑ＝ｒｈ＝４．２７×２５＝１０７Ｋｐａ，每米巷道锚梁网支护的载荷ｐ＝ｑ×Ｌ＝１０７×６＝６４２ＫＮ。

２．２　两巷锚梁网支护参数设计

由上节分析可知，１２４２（１）两巷支护的载荷岩层高度ｈ＝４．２７ｍ，由于锚索锚固段必须位于顶板深部４．２７ｍ范围以外，且锚固段范围要达到１．５ｍ左右，因此在此次方案设计中锚索长度设计为６．３ｍ。

根据上述分析并借鉴临近的顾桥矿１１槽煤巷锚梁网支护实践，如果１２４２（３）两巷锚杆排距初步设计为８００ｍｍ，则每排锚杆与锚索的支护力应不小于５１３．６ＫＮ，按照锚梁网支护的组合岩梁理论计算，顶板岩层的压力主要由锚杆和锚索共同承担，如果锚杆间排距设计为８６０ｍｍ×８００ｍｍ，则顶板支护的安全系数：

Ｎ＝ａτ（１．４４７２ｄ）２／ｑｂｓｒ　＋　ｎＱＳ／Ｑ式中：ＱＳ－锚索额定承载力，选用直径１８ｍｍ锚索，则ＱＳ＝２５０ＫＮ；

Ｑ－顶板载荷，Ｑ＝５１３．６ＫＮ；ａ－锚杆有效长度，ａ＝２．４ｍ；

τ－锚杆杆体材料的抗剪强度，τ＝２８０Ｍｐａ；

ｄ－锚杆直径，ｄ＝２０ｍｍ；ｂ－巷道计算宽度，ｂ＝６ｍ；ｓ－顶板锚杆间距，ｓ＝８６０ｍｍ；ｒ－顶板锚杆排距，ｒ＝８００ｍｍ；

ｎ－每排锚索数目，ｎ１＝３（动压影响区段）；ｎ２＝２（无动压影响泥岩顶板区段）；ｎ３＝１（无动压影响砂岩顶板区段）。将计算参数代入上式得：

Ｎ１＝２．４×２８０×１０３×１．４４７２２×０．０２２／（１０７×６×０．８６×０．８）　＋　３×２５０／５１３．６＝２．７３；

Ｎ２＝２．４×２８０×１０３×１．４４７２２×０．０２２／（１０７×６×０．８６×０．８）　＋　２×２５０／５１３．６＝２．２４；

Ｎ３＝２．４×２８０×１０３×１．４４７２２×０．０２２／（１０７×６×０．８６×０．８）　＋　１×２５０／５１３．６＝１．７５。

２．３　两巷锚梁网支护技术方案

由于１２４２（１）运输顺槽和回风顺槽巷道断面完全一样，因此此次锚梁网支护设计中两巷方案基本相同。而锚索布置则根据顶板岩性结构及巷道是否受动压影响采用分区段方法设计。

２．３．１　顶板支护

顶板支护结构包括３部分：

第一部分由锚杆和Ｍ５钢带组成。Ｍ５钢带安装在巷道中部，每根Ｍ５钢

带上安装６根锚杆，锚杆穿过Ｍ５钢带垂直锚入巷道顶板。

第二部分由１４＃槽钢和锚索组成。动压影响区段：锚索按“３－３”布置，槽钢安装在巷道中部，并位于两根钢带之间。槽钢梁长２．６ｍ，每根槽钢梁上安装３根锚索，槽钢梁上所有锚索均垂直顶板布置。

无动压影响直接顶为泥岩区段：锚索按“３－０”布置，槽钢安装在巷道中部，并位于两根钢带之间。槽钢长２．６ｍ，每根槽钢梁上安装３根锚索，槽钢梁上所有锚索均垂直顶板布置。

无动压影响砂岩老顶直覆区段：锚索按“２－０”布置，槽钢安装在巷道中部，并位于两根钢带之间。槽钢长１．９ｍ，每根槽钢梁上安装２根锚索，槽钢梁上所有锚索均垂直顶板布置。

第三部分是１２＃金属网。

金属网紧贴顶板铺设，并沿纵向搭接，搭接长度１００～１５０ｍｍ。搭接处除用铁丝（１４＃）扎结外，还必须用钢带压茬。

２．３．２　巷帮支护

巷帮支护包括２部分：

第一部分由Ｍ５钢带和锚杆组成。Ｍ５钢带沿巷道竖直方向铺设，高帮Ｍ５钢带长２．９ｍ，低帮Ｍ５钢带长２．７５ｍ，其中，动压影响区段巷帮锚杆规格：Φ２２×２２００ｍｍ；无动压影响区段巷帮锚杆规格：Φ２０×２０００ｍｍ。两帮每排均布置４根锚杆，为避免巷帮锚杆受巷帮Ｍ５钢带

的剪切，巷帮钢带上锚杆均垂直巷帮锚入巷帮煤体。

第二部分是１２＃金属网。

金属网沿煤帮竖直铺设，并沿纵向搭接，搭接处用铁丝扎牢，并用钢带压茬。在地质构造带区域调整锚梁网支护参数或采用Ｕ型钢架棚支护。１２４２（１）两巷锚梁网支护设计见图１所示。

３回采巷道合理位置选择

为减少上覆煤层开采后对下煤层工作面的影响，需解决好下煤层回采巷道的合理布置等问题，以实现下部煤层安全、高效开采［５－６］。利用ＦＬＡＣ３Ｄ数值分析软件，分两类情况（一类情况为上覆煤层开采时留设２０ｍ煤柱，另一类情况为上覆煤层开采时留设４ｍ煤柱）分别讨论了下煤层巷道采用外错式、重叠式、内错５ｍ、内错２０ｍ几种布置方式时巷道的围岩变形破坏特征。限于篇幅限制，本文仅列出了留设２０ｍ煤柱，下层煤回采巷道采用外错式布置时的围岩变形破坏特征。

１２３２（３）工作面回采后，在１２４２（１）工作面回采时回采巷道支承压力分布云图如图２所示，支承压力分布如图３所示。从图２可见，在１２４２（１）工作面回采时，上覆煤层中所留煤柱内的支承压力将通过煤层底板传递到１２４２（１）回采工作面，使得１２４２（１）工作面回采巷道处于支承压力集中区。从图３可以看出，在工作面距离测点大约８０多米处测点应力开始缓慢增加，在工作面推进到距测点５０ｍ

时，支承压力增加明