張丕林

(汾西新陽煤業(yè)有限責任公司,山西 孝義 032300)

1 下分層回采巷道布置類型

近距離下分層回采巷道布置形式?jīng)Q定了在整個掘進、回采期間巷道支護的難易程度。近距離下分層回采巷道的布置方式主要有3種：重疊式布置、外錯式布置和內(nèi)錯式布置。內(nèi)錯式布置方式為下部煤層回采巷道布置在上部煤層采空區(qū)下方的應力降低區(qū)內(nèi)，巷道壓力小，易于維護，但煤柱大，資源浪費嚴重，回采率低；外錯式布置方式是下部煤層回采巷道布置在上部煤層的煤柱下，巷道圍巖處于煤柱支承壓力作用區(qū)，對巷道維護不利，其優(yōu)點是下部煤層煤柱尺寸減小，回采率高，煤炭損失量??；重疊巷道布置方式為上下煤層回采巷道垂直布置，工作面長度一定，方向易于掌握，圍巖應力處于二者之間，3種布置方式見圖1。

近距煤層群采用分層逐層方法開采后，下部煤層回采巷道不論采用哪種布置方式，都不可避免地處于上部煤層采空區(qū)下方或者殘留煤柱形成的集中應力的臨近區(qū)域內(nèi)，想要完全消除礦山壓力顯現(xiàn)是不可能的；然而，在掌握礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律的基礎上，設法避免或者減輕其危害是可能的。

2 近距離下分層回采巷道的合理布置選擇

選擇巷道的布置形式，主要考慮上部煤層采空區(qū)底板巖層的應力分布特征以及煤柱集中應力在下部煤層頂板的傳遞規(guī)律，以及分析出下部煤層的應力降低區(qū)、應力增高區(qū)以及應力平衡區(qū)等。現(xiàn)代礦壓理論認為，煤柱集中程度對巷道的礦壓顯現(xiàn)程度起決定性作用，將巷道布置在煤柱下方的低應力區(qū)是實現(xiàn)控制巷道穩(wěn)定性的根本途徑。顯然，避開或者減輕煤柱集中應力擴散帶來的影響，有利于維護巷道。

上部煤層殘留煤柱形成的集中應力主要取決于煤柱寬度、煤柱和頂?shù)装鍘r層的性質(zhì)。因此，對于下部煤層巷道的布置方位主要根據(jù)上部煤層開采后，對下部煤層頂板的破壞程度以及上部煤層開采后殘留煤柱集中應力的擴散范圍，二者要綜合考慮。

通過分析，提出了近距離煤層下部回采巷道合理布置形式：

1) 當煤柱寬度L≤2X0時，煤柱整體進入塑性狀態(tài)，煤柱的垂直應力集中程度明顯降低?？刹捎猛忮e式、內(nèi)錯式和重疊式巷道布置形式。其中，L為煤柱寬度；X0為煤柱塑性區(qū)寬度，m,取3。

2) 當上部煤柱寬度2X0≤L≤B時，雖不能形成穩(wěn)定煤柱，但是整體未完全進入塑性狀態(tài)，可采用內(nèi)錯式布置形式或重疊式布置形式。其中，B為穩(wěn)定煤柱的最小寬度，m，取10。

a) 重疊布置

b) 外錯布置

c) 內(nèi)錯布置

3) 當上部煤層的煤柱寬度L>B時，能夠形成穩(wěn)定煤柱，其傳遞的集中載荷在底板形成較大范圍的應力增高區(qū)。巷道布置宜采用內(nèi)錯式布置形式。

3 高陽礦下分層工作面巷道的布置

3.1 下分層工作面臨近采掘概況

高陽礦新一采區(qū)主采9#、10#、11#煤，煤層總厚度平均9.0 m(其中，9#煤層平均厚度1.3 m，10#煤層平均厚度6.4 m，11#煤層平均厚度1.3 m)。新一采區(qū)投產(chǎn)時，布置了901、902兩個高檔普采工作面對9#煤和部分10#煤進行開采，開采厚度平均為2 m。之后，采用一次采全高低位放頂煤采煤法對該采區(qū)內(nèi)的其余工作面進行回采。根據(jù)生產(chǎn)組織安排，需對原兩個高檔普采工作面下方的9#、10#煤進行開采。由于上分層開采結(jié)束已有8年之久，采空區(qū)圍巖活動基本恢復到平穩(wěn)狀態(tài)，由工作面回采引起的礦山壓力活動處于穩(wěn)定狀態(tài)，近距離下部10#、11#煤開采基本不受9#煤采動影響。

3.2 下分層開采工作面布置

1) 該礦102工作面運輸巷布置在902工作面和104工作面殘留煤柱正下方(即采用了外錯布置)，材料巷布置在采區(qū)煤柱下方(見圖2)，902工作面和104工作面間留設大約30 m的凈煤柱，殘留煤柱形成的集中應力對新102工作面巷道布置方式和巷道圍巖壓力顯現(xiàn)產(chǎn)生主要影響，特別是對新102工作面運輸巷巷道支護影響較大。

實際掘進過程中發(fā)現(xiàn)，運輸巷在掘進到150 m左右時，巷道開始變形，當掘進至250 m左右時，巷道內(nèi)圍巖變形嚴重，最大變形量達到500 mm。此時，再改變巷道布置形式已不可能，只有對巷道支護進行深入研究，改變支護參數(shù)和形式，才能滿足巷道變形要求。隨即采取了變更巷道斷面并根據(jù)“三高一低”(即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度)原則進行支護。首先，縮小斷面?；Q工作面運輸巷和材料巷，將外錯布置的運輸巷道變更為材料巷，巷道掘?qū)捰? m調(diào)整為4 m；其次，加強支護。頂板螺紋鋼錨桿直徑由20 mm增加至22 mm，錨索直徑由17.8 mm增加至21.6 mm，巷幫支護的圓鋼錨桿變更為d22 mm的螺紋鋼錨桿，并且預緊力加大至300 N·m。繼續(xù)掘進后，圍巖變形得到了較大的控制。但是，為了保證在回采期間，受采動影響巷道變形小，又增加了U型鋼棚進行加強支護?；夭善陂g，材料巷的U型鋼支架變形嚴重，回收后無法再次使用，還有一部分無法回收，在支護材料方面造成了較大的浪費，并且給兩巷道的超前維護造成困難。該工作面自巷道開掘至回采結(jié)束，投入了大量的財力物力，給生產(chǎn)組織帶來了很大的困難。

2) 新102工作面開采完畢后，經(jīng)過系統(tǒng)的研究、分析，決定新101工作面的巷道采用內(nèi)錯布置，將材料巷、運輸巷均布置在901采空區(qū)下方，見圖3。

圖2 新102工作面概況示意圖

圖3 新101工作面概況示意圖

根據(jù)新101工作面10#、11#煤合并層地質(zhì)、生產(chǎn)條件及巷道布置方式，為了發(fā)揮錨桿支護的作用，提出以下設計原則：

a) 一次支護原則。錨桿支護應盡量一次支護就能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護。

b) 高預應力和預應力擴散原則。預應力是錨桿支護中的關鍵因素，是區(qū)別錨桿支護是被動支護還是主動支護的參數(shù)，只有高預應力的錨桿支護才是真正的主動支護，才能充分發(fā)揮錨桿支護的作用。

c) “三高一低”原則，即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。

d) 臨界支護強度與剛度原則。錨桿支護系統(tǒng)存在臨界支護強度與剛度，如果支護強度與剛度低于臨界值，巷道將長期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖變形與破壞得不到有效控制。

e) 相互匹配原則。錨桿各構(gòu)件，包括托板、螺母、鋼帶等的參數(shù)與力學性能應相互匹配，錨桿與錨索的參數(shù)與力學性能應相互匹配，以最大限度地發(fā)揮錨桿的整體支護作用。

f) 可操作性原則。提供的錨桿支護設計應具有可操作性，有利于井下施工管理和掘進速度的提高。

根據(jù)以上原則和新102工作面的經(jīng)驗，巷道支護采用錨桿、錨索、鋼帶、金屬菱形網(wǎng)、工字鋼棚聯(lián)合支護。

通過采用十字布點法和頂板離層指示儀兩種礦壓觀測手段對巷道礦壓進行觀測，觀測結(jié)果顯示，巷道從開掘至形成切眼，基本未發(fā)生較大的變形，變形量在3～20 mm，達到了支護的目的，確保了巷道的安全施工。

4 結(jié) 語

1) 由于應力集中地區(qū)的圍巖壓力，如果巷道布置不合理，會給安全生產(chǎn)帶來直接的損失，后果嚴重。

2) 施工過程中要小循環(huán)作業(yè)，縮小控頂距，所以，及時支護是必要的，并且錨桿的預緊力應該提高。

3) 不能使棚腿承受煤壁的擠壓力，棚腿與巷道兩幫之間需要留合適的間隙。

4) 做好巷道支護的檢查工作，如果出現(xiàn)煤壁擠壓棚腿現(xiàn)象，要立刻開幫使壓力減小，以免鋼棚無法承受壓力造成變形。

5) 要避免出現(xiàn)頂板將棚子擠壓歪斜或者變形現(xiàn)象，在兩架棚之間安裝雙頭螺栓樣式的撐、拉桿，使棚子連接成一體，提高其穩(wěn)定性。

6) 當近距離下分層回采巷道的布置出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象時，只有合理布置巷道位置、選擇施工斷面、做好支護選型及支護工作，才能保證掘進、回采安全，實現(xiàn)工作面安全、高效生產(chǎn)。