沙坪煤矿1815回撤巷道支护优化设计

穆效治

（山西晋神能源有限公司沙坪煤矿，山西忻州034000）

煤矿开掘巷道在掘进施工前应当对巷道上覆岩层的地质条件与岩性进行探查分析，查清岩层的性质与岩层厚度，同时，可通过钻孔钻进取芯的方法，实测其硬度系数，为后期支护提供理论依据[1-3]。一般情况下，我国煤矿对于巷道支护主要采取主动支护、被动支护和复合型支护三种形式，依据不同岩层的稳定性与岩石硬度，可因地制宜地选取不同形式的支护方式，以求达到最经济可靠的效果。其中，主动支护可通过打设锚杆、锚索对顶板进行补强；被动支护主要通过架设梯形棚或U 型钢棚来实现顶板支护；近年来多数煤矿普遍适用推广复合型支护方式，即依靠锚网索配合架棚的方式来延长巷道的使用周期，提高顶板围岩支护强度，创造安全施工的作业环境。

1 工作面概况

沙坪煤矿主要开采煤层以8#下煤层为主，与其上部相邻的8#上煤层为近距离煤层。1815工作面顺槽为矿井在施工巷道，布置主辅回撤巷道为工作面采闭后回撤设备支架等服务使用，由于上部8#上煤层已回采结束，设计两条主辅回撤巷道位于8#上煤层遗留煤柱下方，沿8#下煤层底板掘进。1815 工作面8#上、下煤层层间距0.6～4.4m，平均岩层厚度为2.8m，工作面设计走向长度239.7m，对应地面标高1055～1095m，底板标高890～910m，煤层埋深约160～250m。1815 工作面范围对应上覆8#上煤层18205和18207工作面的采空区，考虑到地面沉降影响和尽量多回收煤炭资源，主辅回撤巷道计划布置在18207 采空区和18206 采空区之间的煤柱下方，预留煤柱最宽处88m，最窄处68m，主辅回撤巷道之间的净煤柱留设20m。考虑到上部采空区采闭后动压尚不稳定及预留薄煤柱的支撑强度影响，预计工作面在掘进期间可能面对应力状态较高、巷帮成型较差的管理问题。因此，为了加强工程质量管理，确保施工安全，需要对1815主辅回撤巷道掘进层位进行合理布置与优化设计，1815主辅回撤巷道布置示意图如图1所示。

图1 1815主辅回撤通道布置示意图

2 煤层顶底板岩性

根据初期地面物探资料显示，1815工作面回采、掘进范围内构造简单，无大型褶皱及断层，在局部裂隙密集发育和小断层发育地段，需要调整支护方式为短掘短支，补强巷道支护。煤岩层情况：8#下煤层厚度3.6～5.0m，平均厚度4.2m。1815 工作面区域8#下煤层厚度4.5～5.1m，煤结构简单，稳定夹矸1 层，处于煤层中下部，岩性为白色泥岩，厚度0.1～0.2m。煤层稳定，内生裂隙较为发育，一般为半亮型煤，次为半暗型煤，局部出现暗淡型煤。

8#上、下煤层层间距为0.6～4.4m，平均2.8m，为8#下煤层直接顶，岩性为泥岩，呈黑灰色、致密、具泥质结构，断口平坦。向上为8#上煤层，平均厚度4m；8#上煤层顶板为砂岩，厚度7.6m；砂岩层上为7#煤，厚度0.5m；7#煤顶板仍为砂岩。直接底为泥岩，呈灰黑色、性脆、致密、具贝壳状断口、含星散状黄铁矿，产植物化石，厚度2.8m。

3 围岩强度实测分析

为准确掌握8#下煤层的地应力分布情况，利用类比法，根据1815工作面回撤巷道相邻工作面的1812主回撤巷道应力测站观测数据显示，1#测站最大水平主应力为5.65MPa，最小水平主应力为2.98MPa，垂直应力为2.7MPa。根据应力判断标准划分：0～10MPa 为低应力区，10～18MPa为中等应力区，18～30MPa为高应力区，大于30MPa 为超高应力区[2]。结合测站实测应力数值得出结论，1815 回撤巷道设计布置区域地应力场在量值上属于低应力区。2019 年7 月，沙坪矿在1815 胶运顺槽400m 处进行了顶帮岩层强度测试和结构窥视，从窥视结果分析得出结论：

（1）顶板0～2m为8#下煤层，完整性较好。

（2）2.0～4.9m 为 8#上、下煤层间岩层，层间距2.9m，完整性较好。

（3）4.9～9m为8#上煤层，厚4.1m，完整性较好。

（4）9～12m为砂岩，完整性较好。

除此之外，通过对巷道顶帮强度进行设计测试，收集数据后绘制强度分布图，如图2、图3所示。

图2 1815胶运顶板岩层强度分布图

由图2 可知：8#下煤层直接顶即8#上、下煤层预计层间岩层强度为38.99MPa，8#上煤层强度为22.98MPa；由图3可知：8#下煤层强度为22.62MPa。通过分析：

（1）顶板锚索设计时应尽可能穿过8#上煤层，锚固在质地较坚硬的砂岩中，以便减少顶板移近下沉量；

（2）8#上、下煤层间岩层单轴抗压强度为38.99MPa，强度较高，有利于锚杆预紧力和支护阻力的扩散，结合围岩窥视结果分析，该岩层自身承载能力好，有利于保持巷道顶板稳定；

图3 1815胶运帮部煤体强度分布图

（3）经过现场查看，8#下煤层应力集中时容易片帮，帮部支护需加强，特别是主回撤通道回采帮部出现较严重片帮现象，受到侧帮压力较大。

4 支护参数设计

通过对围岩支护强度的影响因素详细分析，可进一步提出有效措施加强支护强度。为了减少施工难度，选定1815主辅回撤巷道设计断面均为矩形，主辅回撤巷道均沿8#下组煤底板掘进，设计巷道掘进宽度5.5m，高度3.6m。通过类比方法，将原掘进相邻工作面的矿压应力监测数据进行统计分析，并通过布置测点，在回采期间持续观察巷道支护的顶帮位移移近量，以及动压观测结果，对1815 主辅回撤巷道支护参数进行优化调整，与原支护方案相比，顶板锚杆长度由2500mm 增加到3100mm，锚索长度由7900mm 增加到8300mm，两帮锚杆长度由2000mm增加到2500mm，同时也加大支护密度和锚固力，从而起到更加牢固的悬顶固帮效果。巷道支护断面图如图4所示。

图4 巷道支护断面图（单位：mm）

5 结论

（1）通过对8#煤上下煤层及顶底板岩性的探查分析，确定了其赋存厚度及坚硬程度，便于明确巷道布置掘进层位的确定，以及锚杆锚索终孔锚固位置的确定。

（2）对围岩强度经过相邻巷道经验值的比对，以及巷道实测观察数据结果的分析，有效掌握了围岩强度的量值，有助于了解煤岩层的完成性和应力场分布规律，为巷道设计提供理论指导意见。

（3）按照优化后设计进行掘进期间，需增设观测点，随时收集巷道动压、应力、移近量等参数变化情况，及时做出调整，以确保巷道掘进的安全施工，减少片帮离层对巷道支护的影响，提高巷道使用周期，减少巷修工程量。