回采巷道变形破坏特征及支护方案优化

任望生

（汾西矿业正善煤业有限责任公司，山西 孝义 032300）

引言

随着采掘深度增加，煤层赋存更趋复杂，煤炭回采过程中不安全因素影响更趋明显[1-2]。有关统计数据表明，近些年来顶板事故是煤矿主要事故类型，事故发生数以及死亡人数占比分别为52%、37%，确保采掘工作面顶板稳定对提高矿井安全保障能力具有显著促进意义[3-4]。为此，众多的研究学者对回采巷道围岩变形特征以及围岩支护技术展开研究，并提出U 型架棚、注浆、锚网索等方式对围岩进行控制[5-6]。

本文以山西某矿7203 回风巷为工程背景，采用钻孔窥视技术对顶板变形破坏特征进行分析，并优化巷道围岩支护方案，经过现场应用验证，实现了巷道围岩有效控制。

1 7203 工程概况

7203 回风巷断面为矩形，长度1 280 m，巷道与邻近的7201 采空区间留设有15 m 保护煤柱。7203回风巷掘进埋深320 m，7 号煤层厚度均值4.8 m，直接顶复合顶板（厚度1～2 m）、中间夹杂厚度0.1～0.5 m 泥岩，复合顶板上方为基本顶，岩层为K2 灰岩、厚度13.1 m、坚硬。

7203 回风巷净宽4.5 m、净高2.8 m，顶板用锚网索梁、巷帮用锚网梁支护。顶板用Φ20 mm×2 200 mm 螺纹钢锚杆按照间排距均为900 mm 布置，锚索为Φ15.24 mm×5 000 mm 钢绞线，按照间排距2 000 mm、1800 mm 布置。煤柱帮、采面帮分别采用螺纹钢锚杆、玻璃钢锚杆进行支护，其规格均为Φ18 mm×1 800 mm，间排距均为800 mm。巷道围岩采用锚杆、锚索支护的同时配合采用钢筋梯子梁、金属网等护表。

2 围岩变形破坏分析

2.1 围岩变形分析

7203 回风巷在原有支护形式下围岩出现较大变形，在巷道内布置测点对围岩变形进行持续监测，期间发现巷道顶底板、巷帮收敛量最大可分别达到350 mm、760 mm，围岩变形量整体较大。

对原支护方案下顶板锚杆受力情况进行监测，具体结果见表1。从表1 中看出，随着巷道锚杆支护时间增加，锚杆受力呈现先增加后降低趋势；在支护完成5 d 后锚杆受力最高、达到40 kN，支护完成30 d 后锚杆受力降至27 kN，较20 d 锚杆受力降低18%。现场分析发现，锚杆、锚索锚固端未布置在稳定岩层中是导致锚杆受力降低的主要原因。

表1 锚杆受力监测结果

2.2 钻孔窥视

施工探测钻孔并通过钻孔窥视仪对7203 回风巷顶板岩层裂隙、离层情况进行窥视。施工的窥视钻孔孔深28 mm，具体窥视结果见下页图1 所示。从图中看出，7203 回风巷顶板岩层岩性分布复杂，部分区域较为完整，不同层位间出现分布均匀泥岩夹层，泥岩夹层内岩体松散、破碎；巷道顶板硬度较大的K2 灰岩内部裂隙发育、局部区域被白色方解石充填，岩层完整性较差，甚至窥视钻孔探测期间出现塌孔问题。

图1 钻孔窥视成果图

7203 回风巷围岩受到掘进以及邻近采空区顶板岩层垮落影响，导致巷道顶板浅部区域出现一定程度弯曲变形、多处位置出现离层，特别是顶板岩层中夹矸位置离层情况更为显著；顶板裂隙由浅部向深部逐渐扩展，不仅恶化顶板稳定性而且导致变形量增加。从钻孔窥视发现，巷道顶板0～2 m 范围泥岩夹层导致离层，在顶板上覆2 m 离层是该位置处于复合顶板与灰岩交界面、岩性差异大引起；上覆5 m 离层是基本顶K2 灰岩内裂隙发育引起。

3 巷道围岩支护方案优化及效果分析

3.1 支护优化方案

3.1.1 锚杆支护参数优化

从钻孔窥视成果发现，在巷道顶板上覆0～2 m 范围内岩体裂隙发育、破碎，原有锚杆支护方案难以满足需要。为提高巷道顶板浅部岩体支护强度，需增加锚杆长度并适当缩小锚杆间排距，为此，将巷道顶板支护锚杆规格由Φ20 mm×2 200 mm 优化至Φ20 mm×2 600 mm，间排距由900 mm、900 mm 优化为700 mm、700 mm。

3.1.2 锚索支护参数优化

巷道原支护锚索长5 000 mm、锚固力80 kN，顶板变形量可达到350 mm。通过钻孔窥视发现，巷道顶板5 m 位置裂隙发育、破碎，而5 000 mm 以上范围内岩层稳定性明显增加，为此将锚固长度由5 000 mm 优化为6 500 mm，锚索布置间排距保持不变，将预紧力增加至180 kN。

3.1.3 巷帮支护优化

巷道原支护方案中巷帮锚杆长度均为1 800 mm，现场探测发现巷帮破碎深度范围可达1 700 mm以上，同时巷帮锚杆预紧力随着支护时间增加损失可达35%。因此，提出增加锚杆长度优化巷帮支护；考虑到采面帮采用的玻璃钢锚杆容易破断，为此，将巷帮锚杆统一更换为螺纹钢锚杆，锚杆规格为Φ18 mm×2 200 mm，间排距保持不变。具体优化后巷道围岩支护方案如图2 所示。

图2 优化后巷道围岩支护断面图（单位：mm）

3.2 围岩支护效果分析

对7203 回风巷围岩支护方案优化后，对围岩变形进行监测。通过为期60 d 监测发现，巷道顶底板、巷帮变形量分别控制在105 mm、113 mm 以内，同时锚杆以及锚索受力较为均衡。通过对回风巷围岩支护方案进行优化，提高了围岩支护体系强度以及稳定性，可为采面巷道安全使用创造良好条件。

4 结论

7203 回风巷顶板为复合顶板，同时巷道与邻近采面采空区间保护煤柱较小，从而导致巷道围岩存在一定程度应力集中问题。采用钻孔窥视法对巷道顶板岩层裂隙扩展以及离层情况进行探测，发现巷道顶板2 m 范围内岩层离层，顶板5 m 位置岩层破碎，根据钻孔窥视成果以及探测到的顶板岩层情况，提出通过增加锚杆（索）长度、加密锚杆方式对巷道支护方案进行优化，以便提高围岩支护强度并将锚杆、锚索锚固端布置在稳定岩层内。

现场应用后，回风巷顶底板、巷帮变形量分别控制在105 mm、113 mm 以内，同时巷道顶板、巷帮锚杆、锚索受力均衡，现场取得较好围岩控制效果。