回采巷道全锚索组合支护过地质构造带技术实践

邢晓栋

（山西高平科兴云泉煤业有限公司，山西 高平 048400）

煤炭开采期间，若遇到地质构造带时未合理地对巷道进行加固支护并做好安全防护措施，势必会引起重大安全事故，对人身安全和国民经济都会造成严重损害[1]。回采和挖掘煤矿期间，需要经过复杂的小巷道完成煤炭运输，因而巷道安全至关重要，在一定程度上影响着施工效率[2]。为避免煤矿开采引发安全事故而引发人员伤亡和经济损失，需强化安全生产防护工作力度[3]，进一步加强巷道保护，自始至终秉承预防安全隐患、提高安全作业能力的核心理念[4]。山西高平科兴云泉煤业有限公司1502综采工作面顶底板均为强度极底的软岩，受秋沟背斜张拉及采动影响，巷道顶板较为破碎，离层量较大，基底软岩受水作用后[5]，强度和稳定性发生变化，严重影响端头支架拉移工作。因此，对1502 综采工作面提出了过地质构造带技术方案，运输顺槽顶板和底板进行加强支护，使其形成一个稳定的整体[6]，提高围岩的自承能力，确保工作面顺利通过地质构造[7]。

1 工程概况

山西高平科兴云泉煤业有限公司正在开采15号煤层，煤层倾角为2°～7°，厚度为2.03～4.96 m，平均3.42 m，煤层厚度变化规律性明显[8]，结构简单，局部夹矸厚约0.25 m。1502 综采工作面煤层厚度沿走向由开口6.8 m 向里至约250 m（秋沟向斜轴部）逐渐变厚为3.5 m（运顺侧），由250 m（秋沟向斜轴部）向里至约900 m（秋沟背斜轴部）逐渐变薄为2.03 m，由900 m（秋沟向斜轴部）向里至约1690 m 逐渐变厚为4.96 m（回顺侧）。根据煤厚等值线图及附近钻孔资料预测工作面煤层中间薄两侧厚，背斜影响区域1206～720 m，轴部为NW～SE 向，据实际揭露背斜轴部位于巷道开口向里约920 m 处，开阔对称，幅度约35 m，背斜倾角北东翼约3°～9°，倾伏约170 m，西南翼约2°～8°，倾伏约150 m。背斜构造受到张拉作用，煤层厚度由翼部向轴部逐渐变薄，轴部最薄约2.1 m。1502 综采工作面运输顺槽净宽5.6 m，净高3.7 m，巷道断面为20.72 m2。在回采过程中，顶板破碎出现离层、底板底鼓量明显增大[9]，由于原支护参数不合理，导致回采过程中围岩应力较集中[10]，顶底板围岩最大移近量和两帮围岩最大移近量增加明显，巷道围岩变形问题亟待解决[11]。

2 巷道变形破坏分析

根据1502 综采工作面工程条件建立数值模拟模型，模拟1502 综采工作面运输顺槽在回采阶段的围岩塑性区分布情况。图1 为巷道塑性区分布图。由图1 可以看出，回采影响阶段巷道破坏形式主要以剪切破坏和剪切破坏-拉伸破坏为主[12]，塑性区范围接近3 倍的巷道半径。其中，0～0.5 m 主要以剪切-拉伸破坏为主，0.5～4 m 处主要以剪切破坏为主，底板塑性区范围较大，底板最大塑性破坏深度为4 m。

图1 巷道塑性区分布图

利用FLAC3D模拟巷道在工作面回采阶段的底板变形规律[13]，图2 为底板底鼓位移变化图。由图2 可知，巷道底板最大位移量在巷道中部，回采影响阶段巷道最大底鼓量为85.6 mm。

图2 底板底鼓位移变化图

根据现场观测1502 综采工作面运输顺槽顶板离层仪数据，运输顺槽在工作面过秋沟背斜期间顶板离层量较大，深部离层量最大值为180 mm，浅层离层量最大值为30 mm，综合离层量最大值为210 mm。

3 过地质构造带原支护问题及围岩控制方案

3.1 原支护存在的问题

1502 运输顺槽原支护采用锚杆+锚索支护，未采用底板加固方案，顶板未配备W 型钢带，导致顶板围岩不稳定性增大。

现场观测发现，由于工作面巷道破碎段较多，原支护设计顶板和两帮锚杆排距为1000 mm，排距过大导致现场支护效果不佳。

3.2 围岩控制方案

在分析原支护不足基础上，提出了超前支护+长短全锚索+底板加固支护围岩控制方案。图3 为运输顺槽长短全锚索支护示意图。具体的支护参数如下：

图3 运输顺槽长短全锚索支护示意图（mm）

1）超前支护。运顺超前从工作面煤壁向外50 m 采用单体液压支柱走向配合铰接顶梁支护，横向人行侧使用道木，皮带侧使用工字钢梁进行支护[14]。单体液压支柱采用DW-31.5-200/100，铰接顶梁采用DJB1200-300，每排布置3 根单体液压支柱，第一根距左侧煤壁1.0 m，第二根距右侧煤壁1.7 m，第三根距右侧煤壁0.5 m，移设步距1.2 m。

2）顶板及两帮支护。巷道顶板短锚索采用规格为Φ15.24 mm×3500 mm 钢绞线锚索，每排布置8 根，配合“W”型钢带进行补强支护，间排距为700 mm×800 mm；采用规格300 mm×3000 mm×14 mm 拱形锚索托盘，每根使用一节K2335树脂锚固剂[15]和2 节K2360 树脂锚固剂。单根锚索预应力不小于120 kN。顶板长锚索采用规格为Φ21.8 mm×7100 mm 钢绞线锚索，按“5-5”矩形布置，间排距布置为1300 mm×800 mm，设计锚索预紧力250 kN。巷道帮部采用短锚索配合异形钢带网支护，帮部第1、3、5 根锚索规格为Φ21.8 mm×3500 mm 钢绞线锚索，配套使用300 mm×300 mm×16 mm 碟形托盘[16]，帮部第2、4 根锚索为规格Φ15.24 mm×3500 mm 钢绞线锚索，配套使用180 mm×180 mm×12 mm 碟形托盘，间排距800 mm×800 mm，两帮每侧每排布置5 根，设计单根锚索预应力不小于120 kN。两帮网片采用12#铁丝编制而成的菱形网，网规格为3000 mm×1400 mm，网格50 mm×50 mm，网片间搭接100 mm，每隔200 mm 联网2 道，每隔100 m 铺2排绝缘网[17]。

3）底板加固。对底板软岩进行起底，使巷道高度达到设计高度要求，再采用“砂岩+圆木+锚杆+钢带+混凝土”硬化底板，横向增设一排原木，规格为3 m×0.3 m×0.3 m，再使用锚杆配合“M”型钢带沿着巷道走向在圆木两端进行固定，每根锚杆使用一根K2360 锚固剂、一根K2335 锚固剂。然后使用强度为C20 混凝土进行加固、硬化，厚度200 mm。底板加固可以有效减缓巷道底鼓量，解决底板软化问题。

4 支护效果分析

1）为检验1502 综采工作面过地质构造带时运输顺槽采用围岩控制方案后的支护效果，选取有代表性围岩，在运输顺槽中布置3 个测点来分别观测巷道围岩顶底板和两帮移近量，观测周期为50 d，监测频率为2 d/次。图4 为围岩变形监测图。

图4 围岩变形监测图

由图4（a）可知，测点1、测点2 和测点3 监测的顶底板移近量变化规律大致相同。3 测点都是在监测前10 d 变形量变化较大，在观测22 d 后3测点顶底板移近量开始趋于稳定，测点1、测点2和测点3 顶底板移近量分别稳定在34 mm、32 mm和29 mm。由图4（b）可知，测点1、测点2 和测点3 监测的两帮移近量变化规律大致相同，3 测点都是在监测前15 d 变形量变化较大，在观测20 d 后3 测点两帮移近量开始趋于稳定，测点1、测点2 和测点3 顶底板移近量分别稳定在22 mm、24 mm 和21 mm。

2）在1502 综采工作面运输顺槽使用矿用电子窥视仪对巷道左帮和右帮进行窥视，观测采用加固支护围岩控制方案后巷道两帮裂隙发育情况。观测数据显示：钻孔深入巷道左帮3 m 处可见煤层较稳定，无裂隙发育；钻孔深入巷道右帮3.5 m 处可见煤层较稳定，无裂隙发育。说明两帮短锚索和帮部煤岩可以构成完整的锚固体，锚固效果好。

综上监测结果表明，1502 综采工作面过地质构造带时运输顺槽采用支护方案后，巷道围岩顶底板和两帮变形量明显得到有效控制，变形量稳定在可控范围内，支护效果较好。

5 结论

1）数值模拟分析了1502 综采工作面过地质构造带巷道围岩塑性分布区分布状态和变形趋势，巷道底板最大底鼓量为85.6 mm，最大塑性破坏深度为4 m。

2）提出了超前支护+长短全锚索+底板加固支护围岩控制方案，对巷道顶板和底板进行加强支护，提高了巷道围岩整体的稳定性，可以有效防止顶板离层和底鼓量。

3）3 个测点的顶底板和两帮移近量平均分别稳定在31 mm 和22 mm，钻孔窥视仪显示两帮无裂隙，表明该围岩控制方案能够有效控制围板变形量，支护效果良好。