采动影响下松软围岩巷道补强支护机理及控制技术研究

赵 凯

（霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿，山西 临县 033200）

1 工程概况

霍州煤电庞庞塔矿5-202工作面位于5#煤二采区，工作面主采5#煤层，煤层均厚为6.1m，平均倾角为25°，煤层平均含两层夹矸，夹矸总厚度约为1.3m，岩性多数为碳质泥岩，局部有少量泥岩。煤层直接顶为泥岩，均厚1.4m，基本顶为砂质泥岩，均厚2.8m，直接底为砂岩，均厚1.2m，基本底为泥岩，均厚2.1m。5-202工作面运输巷沿煤层底板掘进，巷道为矩形断面，巷道宽度5.2m，高度3.5m，采用锚网梁+单体锚索支护。顶部选用Ф20×2500mm左旋螺纹钢高强锚杆，巷道顶板断面内布置锚杆6根，帮部选用Ф18×2000mm玻璃钢锚杆，巷道断面内两帮各布置锚杆3根，顶板及两帮锚杆的间排距均为900mm×800mm。顶板布置2根Ф17.8mm×6.0m的锚索，间距为1800mm，排距为1800mm。运输巷原有支护的具体参数如图1所示。

5-202工作面运输巷顶底板岩层均较软弱，且巷道在掘进过程中受到三条断层的影响，使得巷道围岩松软破碎。巷道围岩在回采动压、工作面支承压力等影响下，出现围岩变形量大、顶板离层等现象，局部变形严重区域顶底板移近量达1.2m，两帮移近量达1m，且煤柱帮的变形量大于实体煤帮，需采取进一步的支护手段对5-202工作面运输巷进行补强加固。

2 采动影响下补强机理及方案设计

2.1 补强机理

5-202综放工作面运输巷在回采动压及覆岩基本顶断裂后回转下沉对煤层的扰动影响下，巷道顶板岩层的变形量主要取决于水平和垂直应力的作用。通过对工作面顶板进行钻孔窥视能够看出，巷道顶板岩层在应力的作用下出现离层和水平错动的情况，并且离层错动现象基本出现在煤层和直接顶中。相关研究表明，影响顶板出现水平错动的主要因素有顶煤的厚度、锚杆长度和采掘关系，影响顶板离层的主要因素为顶煤强度、锚杆长度和采掘关系。根据影响顶板岩层出现离层和水平错动的主要因素，并结合5-202工作面运输巷围岩较松软、具有“离层错动”等的特点，对于此类巷道需采取高预紧力的双向控制支护技术，而普通的锚网支护不具备此特点，故综合确定后拟采用在巷道顶板补设高预应力桁架锚索的方式对巷道围岩进行控制。

图1 5-202工作面运输巷原有支护断面图

高预应力桁架锚索对采动影响下回采巷道顶板岩层的垂直下沉和水平错动的控制均有较好的作用。通过使用桁架锚索对回采巷道顶板进行支护，能够保证在回采期间顶板岩层与桁架锚索始终贴合，提升巷道支护方案对围岩变形的适应性，顶板岩层与桁架结构形成的组合承载体能够有效地降低回采巷道受回采动压的影响程度。

2.2 方案设计

根据5-202工作面在原有支护下巷道围岩的变形情况，并根据补强机理对巷道围岩的补强支护方案进行具体设计，具体补强支护方案如下：

（1）原有支护方案修复。将巷道原有支护下损坏失效的锚杆、锚索以及连接件等支护材料进行全面的替换或整修，需确保原有支护下锚杆、锚索的支护能够起到其自身所具备的作用。

（2）桁架锚索、单体锚索补强支护。在运输巷原支护基础上，在顶板原有支护的每两根锚杆的中部各布置1根Ф17.8mm×8.3m的锚索，共在顶板补设3根单体锚索，间距1800mm，排距1800mm。在巷道顶板原有两排锚索中部增加安装两根Ф17.8mm×9.3m的高强度预应力锚索，巷道顶板表面的桁架锚索孔口间的距离为2.1m，孔帮的距离为1.55m，排距为3.6m。单体锚索及桁架锚索的安装位置及角度如图2所示。在对桁架锚索进行张拉时，起初先进行桁架的锁紧，在锁紧的1h后进行锚索的张拉作业，设置锚索的预紧力为140kN，桁架锚索与垂直方向呈15°安装，桁架锚索在原本两排锚索的中间位置打设，在增设锚索的位置处通过桁架连接器对已经张拉达到设计预紧力的锚索进行连接。

（3）巷帮补强支护。在巷道实体煤帮距离顶板2150mm、950mm的位置分别补打一根Ф20mm×2.0m的玻璃钢锚杆；在煤柱帮距离顶板950m的位置处补打一根Ф18mm×2.0m的螺纹钢锚杆，锚杆的预紧力大于100N·m；在距离底板1m的位置处补打一根Ф17.8mm×6.3m的单体锚索，锚索排距为2.7m，设置锚索的预紧力大于150kN，并采用直径为10mm圆钢焊接。两端头150mm、长度3000mm的钢筋梯子梁作为辅助配件配合锚杆、锚索支护。

（4）单体液压支护。在距离两侧巷帮850mm的位置处采用DW35型单体液压支柱配合Π型钢梁对顶板进行支撑，在巷道两侧Π型钢梁端头的150mm位置处布置一根单体液压支柱，在中间布置两根单体柱，形成一梁四柱的结构，Π型钢梁采用长度为3000mm、强度及刚度满足使用要求的钢梁。

根据补强支护方案所述具体的5-202工作面运输巷补强支护后的支护方式如图2所示。

图2 补强支护方案示意图

3 补强支护效果分析

3.1 补强支护方案数值模拟分析

为有效分析补强支护方案的合理性，根据5-202工作面运输巷的地质条件，建立补强支护方案下的数值模拟模型。根据数值模拟结果对工作面回采期间运输巷在补强支护方案下围岩塑性区的分布状态进行分析，并对距离工作面前方10m和30m位置处巷道塑性区域的分布情况进行出图分析，具体如图3所示。

图3 补强支护方案下运输巷围岩塑性区分布

通过分析图3可知，随着巷道距回采工作面距离的减小，巷道围岩塑性破坏区域的范围会逐渐增大，且煤柱帮的变形程度大于实体煤帮的变形程度。由于工作面回采动压的影响，在超前工作面10～30m的范围内，实体煤锚杆的锚固深度均大于塑性区域的发育深度，煤柱帮塑性区域的发育深度已经超过锚杆的锚固范围，但后期在煤柱帮补强的锚杆对煤柱帮起到了有效的控制作用，巷道顶板在桁架锚索+锚杆+长短锚索的支护下，塑性区域的发育深度基本与锚杆支护深度相同，锚索对顶板支护起到控制作用，且在补强支护方案下，巷道顶板塑性区的发育高度不会随着距回采工作面距离的缩短而变化。

综合上述模拟分析结果，5-202工作面运输巷在补强支护方案下巷道围岩能够得到有效控制，设计的补强支护方案对巷道围岩的强化控制作用效果较为理想，为现场具体应用该补强支护方案提供依据。

3.2 矿压监测分析

在巷道表面布置测站，对巷道围岩的顶底板移近量、两帮移近量进行监测。通过在超前工作面80m的位置处布置位移监测站，对回采期间矿压数据进行持续观测，根据观测结果得出围岩变形量、变形速度与回采工作面距离之间的关系曲线，如图4所示。

通过分析图4能够得出，在工作面回采期间，巷道围岩的变形量及变形速率均随着距回采工作面距离的增大而逐渐减小。超前支撑压力的影响范围大致为40m，在超前支撑压力的影响范围内围岩的变形速度较快，当超出此范围时围岩的变形速率便保持平缓状态。巷道在采用补强支护方案后，在工作面超前支承压力和侧向支撑压力的共同作用下，巷道顶板的最大下沉量为395mm，两帮的最大移近量为685mm，满足回采巷道的使用要求。

图4 5-202工作面回采期间运输巷围岩变形量与变形速率

4 结论

通过对采动影响下5-202工作面运输巷在原有支护方式下巷道围岩大的变形情况进行具体分析，并结合补强机理对巷道的补强支护方案进行具体设计，提出在原有支护基础上增设桁架锚索、单体锚索和单体液压支柱的方式控制巷道围岩变形。根据矿压监测数据可知，补强支护方案实施后，顶板的最大下沉量为395mm，两帮的最大移近量为685mm，有效控制了围岩变形，保证了巷道在回采期间的正常使用。