回采巷道變形破壞特征及支護方案優化

任望生

（汾西礦業正善煤業有限責任公司，山西 孝義 032300）

引言

隨著采掘深度增加，煤層賦存更趨復雜，煤炭回采過程中不安全因素影響更趨明顯[1-2]。有關統計數據表明，近些年來頂板事故是煤礦主要事故類型，事故發生數以及死亡人數占比分別為52%、37%，確保采掘工作面頂板穩定對提高礦井安全保障能力具有顯著促進意義[3-4]。為此，眾多的研究學者對回采巷道圍巖變形特征以及圍巖支護技術展開研究，并提出U 型架棚、注漿、錨網索等方式對圍巖進行控制[5-6]。

本文以山西某礦7203 回風巷為工程背景，采用鉆孔窺視技術對頂板變形破壞特征進行分析，并優化巷道圍巖支護方案，經過現場應用驗證，實現了巷道圍巖有效控制。

1 7203 工程概況

7203 回風巷斷面為矩形，長度1 280 m，巷道與鄰近的7201 采空區間留設有15 m 保護煤柱。7203回風巷掘進埋深320 m，7 號煤層厚度均值4.8 m，直接頂復合頂板（厚度1～2 m）、中間夾雜厚度0.1～0.5 m 泥巖，復合頂板上方為基本頂，巖層為K2 灰巖、厚度13.1 m、堅硬。

7203 回風巷凈寬4.5 m、凈高2.8 m，頂板用錨網索梁、巷幫用錨網梁支護。頂板用Φ20 mm×2 200 mm 螺紋鋼錨桿按照間排距均為900 mm 布置，錨索為Φ15.24 mm×5 000 mm 鋼絞線，按照間排距2 000 mm、1800 mm 布置。煤柱幫、采面幫分別采用螺紋鋼錨桿、玻璃鋼錨桿進行支護，其規格均為Φ18 mm×1 800 mm，間排距均為800 mm。巷道圍巖采用錨桿、錨索支護的同時配合采用鋼筋梯子梁、金屬網等護表。

2 圍巖變形破壞分析

2.1 圍巖變形分析

7203 回風巷在原有支護形式下圍巖出現較大變形，在巷道內布置測點對圍巖變形進行持續監測，期間發現巷道頂底板、巷幫收斂量最大可分別達到350 mm、760 mm，圍巖變形量整體較大。

對原支護方案下頂板錨桿受力情況進行監測，具體結果見表1。從表1 中看出，隨著巷道錨桿支護時間增加，錨桿受力呈現先增加后降低趨勢；在支護完成5 d 后錨桿受力最高、達到40 kN，支護完成30 d 后錨桿受力降至27 kN，較20 d 錨桿受力降低18%。現場分析發現，錨桿、錨索錨固端未布置在穩定巖層中是導致錨桿受力降低的主要原因。

表1 錨桿受力監測結果

2.2 鉆孔窺視

施工探測鉆孔并通過鉆孔窺視儀對7203 回風巷頂板巖層裂隙、離層情況進行窺視。施工的窺視鉆孔孔深28 mm，具體窺視結果見下頁圖1 所示。從圖中看出，7203 回風巷頂板巖層巖性分布復雜，部分區域較為完整，不同層位間出現分布均勻泥巖夾層，泥巖夾層內巖體松散、破碎；巷道頂板硬度較大的K2 灰巖內部裂隙發育、局部區域被白色方解石充填，巖層完整性較差，甚至窺視鉆孔探測期間出現塌孔問題。

圖1 鉆孔窺視成果圖

7203 回風巷圍巖受到掘進以及鄰近采空區頂板巖層垮落影響，導致巷道頂板淺部區域出現一定程度彎曲變形、多處位置出現離層，特別是頂板巖層中夾矸位置離層情況更為顯著；頂板裂隙由淺部向深部逐漸擴展，不僅惡化頂板穩定性而且導致變形量增加。從鉆孔窺視發現，巷道頂板0～2 m 范圍泥巖夾層導致離層，在頂板上覆2 m 離層是該位置處于復合頂板與灰巖交界面、巖性差異大引起；上覆5 m 離層是基本頂K2 灰巖內裂隙發育引起。

3 巷道圍巖支護方案優化及效果分析

3.1 支護優化方案

3.1.1 錨桿支護參數優化

從鉆孔窺視成果發現，在巷道頂板上覆0～2 m 范圍內巖體裂隙發育、破碎，原有錨桿支護方案難以滿足需要。為提高巷道頂板淺部巖體支護強度，需增加錨桿長度并適當縮小錨桿間排距，為此，將巷道頂板支護錨桿規格由Φ20 mm×2 200 mm 優化至Φ20 mm×2 600 mm，間排距由900 mm、900 mm 優化為700 mm、700 mm。

3.1.2 錨索支護參數優化

巷道原支護錨索長5 000 mm、錨固力80 kN，頂板變形量可達到350 mm。通過鉆孔窺視發現，巷道頂板5 m 位置裂隙發育、破碎，而5 000 mm 以上范圍內巖層穩定性明顯增加，為此將錨固長度由5 000 mm 優化為6 500 mm，錨索布置間排距保持不變，將預緊力增加至180 kN。

3.1.3 巷幫支護優化

巷道原支護方案中巷幫錨桿長度均為1 800 mm，現場探測發現巷幫破碎深度范圍可達1 700 mm以上，同時巷幫錨桿預緊力隨著支護時間增加損失可達35%。因此，提出增加錨桿長度優化巷幫支護；考慮到采面幫采用的玻璃鋼錨桿容易破斷，為此，將巷幫錨桿統一更換為螺紋鋼錨桿，錨桿規格為Φ18 mm×2 200 mm，間排距保持不變。具體優化后巷道圍巖支護方案如圖2 所示。

圖2 優化后巷道圍巖支護斷面圖（單位：mm）

3.2 圍巖支護效果分析

對7203 回風巷圍巖支護方案優化后，對圍巖變形進行監測。通過為期60 d 監測發現，巷道頂底板、巷幫變形量分別控制在105 mm、113 mm 以內，同時錨桿以及錨索受力較為均衡。通過對回風巷圍巖支護方案進行優化，提高了圍巖支護體系強度以及穩定性，可為采面巷道安全使用創造良好條件。

4 結論

7203 回風巷頂板為復合頂板，同時巷道與鄰近采面采空區間保護煤柱較小，從而導致巷道圍巖存在一定程度應力集中問題。采用鉆孔窺視法對巷道頂板巖層裂隙擴展以及離層情況進行探測，發現巷道頂板2 m 范圍內巖層離層，頂板5 m 位置巖層破碎，根據鉆孔窺視成果以及探測到的頂板巖層情況，提出通過增加錨桿（索）長度、加密錨桿方式對巷道支護方案進行優化，以便提高圍巖支護強度并將錨桿、錨索錨固端布置在穩定巖層內。

現場應用后，回風巷頂底板、巷幫變形量分別控制在105 mm、113 mm 以內，同時巷道頂板、巷幫錨桿、錨索受力均衡，現場取得較好圍巖控制效果。