基于松动圈现场测试的非对称变形巷道支护技术研究

苏士龙，高海海，周康乐

(1.华晋焦煤有限责任公司，山西 吕梁 033000；2.华晋吉宁煤业有限责任公司，山西 临汾 042100)

我国作为世界上主要的煤炭资源生产大国和消费大国，煤炭资源的战略性地位不可忽视。我国经济的发展促进了煤炭资源的大规模开采利用，尤其在浅部煤炭资源面临枯竭的严重形势下，提高煤炭资源回收率逐步成为促进我国煤炭工业可持续发展的重要举措[1-2]。其中，沿空掘巷技术通过在煤体边缘留设3～5 m的小煤柱，再掘进下区段回采巷道[3-4]，既避开了上覆顶板集中压力的影响，又减少了煤柱留设造成的资源浪费，在我国各大矿区得到普遍的推广和应用。近年来，随着煤炭资源开采力度的加大，以及厚煤层综合机械化采煤技术的发展，采动导致的矿山压力显现突出，且由于我国煤层赋存条件的复杂性，以及窄煤柱沿空巷道与传统的宽煤柱回采巷道所处应力环境的差异性，沿空巷道围岩的稳定性控制问题成为广大采矿工作者关注的焦点之一[5-8]。

本文以山西吉宁煤矿2103轨道顺槽为工程背景，采用超声波测试方法对巷道围岩松动圈监测和分析的基础上，鉴于巷道所处围岩应力环境的复杂性，对巷道围岩破碎明显的非对称变形段进行了有针对性的支护方案优化设计，通过对巷道围岩变形、锚杆索受力及围岩裂隙发育的钻孔成像监测进行了支护效果评价。研究结果对相似地质及开采条件下的巷道围岩稳定性控制具有重要的指导意义。

1 工程背景

1.1 地质概况

吉宁煤矿所处井田位于华北板块鄂尔多斯地块河东区块的南部边缘，河东区块东部以离石断裂为界，西部为黄河，南部和北部为沉积带边缘。井田总体为向西倾斜的单斜构造，以褶曲为主，次级褶曲走向主要为南北向，较少断裂，未见大规模的岩浆活动。地层由老到新，自东南向西北出露有二叠系上石盒子组下段、中段、上段及石千峰组地层。2103工作面处于2#煤层，该煤层松软、节理裂隙发育。图1为2#煤层及顶底板岩层综合柱状图。

图1 煤系地层综合柱状图Fig.1 Stratigraphic comprehensive column map

1.2 工作面布置

目前正在进行2#煤层一盘区右翼的开采工作，工作面布置情况如图2所示。一盘区右翼有采空区2101工作面和2206上分层采面、2204上分层采面、2202上分层采面。为提高煤炭资源采出率和建设资源浪费，矿方将上述工作面整合为2103后综采面、2101后综采面和2206下综采面、2202下综采面，为此，需要开掘新的巷道，以将煤炭资源采出。由于煤层赋存条件及开采技术条件的复杂性，2103工作面轨道顺槽掘进过程中，巷道两帮破碎及顶板围岩变形破坏严重，尤其临空侧帮部的变形最为突出，表现出沿空巷道非对称变形特点。

2 围岩松动圈现场测试

2.1 测点布置

为获得吉宁煤矿回采巷道围岩松动破碎情况，考虑到施工作业的方便性和巷道环境的代表性，采用超声波测试法对2103工作面轨道顺槽进行巷道围岩松动圈测试和支护参数优化设计[9-10]。在2103工作面轨道顺槽内布置1#、2#两个监测站，分别位于距2103工作面轨道顺槽1 050 m、650 m位置，具体布置位置如图2所示。其中，1#钻孔站位置巷道一帮为2103工作面实体煤，另一帮为2103工作面与2101工作面采空区之间的窄护巷煤柱，2#钻孔位置巷道两帮均为实体煤。

图2 一盘区右翼采面布置示意图Fig.2 Schematic layout of right-wing mining face

2.2 测试结果及分析

将测得数据转换成波速，并对异常数据剔除或修正，对钻孔测点波速数据进行分析，得到2103工作面轨道顺槽两个监测断面的测孔不同深度处波速变化情况，分别如图3和图4所示。由图3和图4可知，波速随孔深基本呈逐渐增大的趋势，且在某一点波速会出现较大波动，可将此点作为围岩松动区与完整区的分界。图3观测结果显示，煤柱侧钻孔松动破坏区大小约为1.6 m，实体煤侧钻孔测得的松动破坏区大小约为1.2 m，即2103工作面轨道顺槽煤柱段的围岩松动破坏情况明显比实体煤段严重。图4观测结果显示，非煤柱段巷道两帮钻孔测得松动圈范围分别为1.0 m、1.1 m，说明该段巷道围岩破坏情况较轻。总体而言，煤柱段和实体煤段巷道两帮围岩的松动破坏范围均未超过2 m，巷道围岩破坏深度较小，回采巷道煤柱段松动破坏范围略大于实体煤段，监测结果可为回采巷道支护设计合理支护参数的选取提供参考。

图3 1#钻孔孔深与波速的关系Fig.3 Relationship between the depth of 1# drilling and wave velocity

图4 2#钻孔孔深与波速的关系Fig.4 Relationship between the depth of 2# drilling and wave velocity

3 围岩支护优化

3.1 支护方案

吉宁煤矿2103工作面轨道顺槽断面为矩形，掘进断面宽×高为4 400 mm×3 700 mm。在原有支护方案的基础上，为有效控制顶板下沉及沿空巷道两帮围岩的非对称变形，采取非对称支护方案。优化后的支护方案如图5所示，巷道临空侧帮采用Φ20 mm×2 200 mm的高强蛇形螺纹钢让压锚杆和Φ17.8 mm×4 300 mm的普通螺纹钢锚索，锚杆、锚索间排距分别为800 mm×800 mm、1 800 mm×1 600 mm；实体煤侧采用Φ20 mm×1 800 mm的玻璃钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm；顶板采用Φ20 mm×2 400 mm和Φ17.8 mm×6 300 mm的普通螺纹钢锚杆和锚索，锚杆、锚索间排距分别为800 mm×800 mm、2 400 mm×1 600 mm，并且在锚杆锚索联合支护的基础上支护增加JW型护表钢带。

图5 2103工作面轨道顺槽支护示意图Fig.5 Schematic diagram of track entry support in 2103 work face

3.2 矿压显现监测

3.2.1 锚杆受力监测

通过测试锚杆在支护过程中受力状态，评价锚杆的支护特性，并可结合位移监测结果，对巷道支护系统的优化效果进行评价。锚杆受力测试可以采用锚杆测力计进行测试，用于测试锚杆的轴向锚固力。对2103工作面轨道顺槽每隔10 m布置一组测点，在200 m巷道范围内布置20组，从1#～20#顺序编号，测试断面内锚杆受力情况，连续监测60 d，每天采集一次数据。其中，每个测试断面布置6套锚杆测力计(MCJ-30)，分别布置于巷道顶板两侧和两帮。

由表1可知，71.7%的锚杆轴力在30～60 kN之间，远小于锚杆承受能力，锚杆能够充分发挥其支护作用，约1.7%的锚杆受力接近锚杆承受极限，而极少数锚杆由于锚固端头岩体的破碎、预应力托盘的松弛等原因未能发挥其支护作用，表现出异常。

表1 锚杆轴力统计结果Table 1 Statistics of bolt axial force

3.2.2 围岩变形监测

在进行锚杆受力监测的同时，在每个巷道断面内采用十字交叉法布置围岩变形监测计，分别监测巷道顶底板和两帮围岩的移近量。图6和图7为巷道支护参数优化前后的顶底板及两帮变形量监测结果，其中，支护参数优化后的巷道两帮移近量在70～100 mm之间，平均值为80.5 mm；顶底板移近量在50～90 mm之间，平均值为70.1 mm；顶底板及两帮的最大移近量分别占巷道横断面尺寸的2.1%和2.4%，较原支护形式的巷道最大移近量降低幅度分别为55%和56%。另外，原支护形式下的巷道煤柱侧与实体煤侧的平均变形量差值为33.4 mm，而支护参数优化后的差值仅为9.05 mm。由此可知，支护参数优化后的巷道顶底板及两帮变形量明显降低，其变形量在保证巷道安全使用的允许范围内，并且煤柱侧与实体煤侧的非对称变形得到有效控制。

图6 巷道两帮变形量Fig.6 Deformation of two sides of roadway

图7 巷道顶底板变形量Fig.7 Deformation of roadway roof and floor

3.3 试验巷道围岩裂隙扩展

利用钻孔成像技术可以直观化观测巷道围岩裂隙发育情况。图8和图9分别为试验巷道支护参数优化前后两帮围岩裂隙扩展情况对比。通过对巷帮围岩2.2 m范围内围岩裂隙扩展监测可以看出，同一测点，在支护参数优化后巷帮围岩裂隙程度明显较小(图8)。支护参数优化后，巷道两帮围岩没有出现明显的塌孔现象，但是相比于实体煤侧巷道裂隙情况，煤柱侧围岩裂隙数量和发育程度更为严重(图9)。由此可知，支护后围岩裂隙主要集中于巷道表面1.2 m范围内，小于巷道帮部锚杆的长度，蛇形锚杆端部具有较好锚固力。

图8 3#测点煤柱侧的裂隙发育规律Fig.8 Fracture development law of coal pillar side at 3# measuring point

图9 8#测点的裂隙发育规律Fig.9 Fracture development law at 8# measuring point

4 结 论

1) 巷道两帮围岩松动圈的超声波探测结果表明，吉宁煤矿2103综采沿空巷道受煤柱高应力作用，临空侧帮的围岩松动范围约为1.6 m，相比于实体煤侧的松动范围增加25%，表现出巷道两帮非对称变形的特点。同时，基于超声波探测的巷道围岩松动破坏情况可为巷道围岩的变形控制提供重要的参考数据。

2) 针对吉宁煤矿煤柱侧变形量较大的非对称变形现象，在临空侧帮采用高强蛇形螺纹钢锚杆支护作用下，巷道两帮围岩的非对称变形得到有效控制。支护参数优化后，巷道围岩变形基本上控制在了50～100 mm之间，最大变形变达到2.4%，且锚杆受力基本维持在30～60 kN之间。并且裂隙主要集中于巷道表面1.2 m范围内，小于巷道帮部锚杆的长度，锚杆端部具有较好锚固力，97%的锚杆能够充分发挥支护作用。

3) 由巷道两帮围岩钻孔成像可知，虽然煤柱侧帮裂隙数量和发育程度较实体煤帮严重，但围岩裂隙主要集中于巷道表面1.2 m范围内，远远小于巷道帮部锚杆的长度，进一步验证了“高强蛇形让压锚杆+锚网索+JW型钢带”联合支护优化方案控制高应力沿空巷道围岩变形的有效性。