浅埋煤层回采巷道变形破坏特征与围岩控制研究

张晓昆

（山西洪洞西山光道煤业有限公司，山西 临汾 041000）

引言

光道矿作为资源整合矿井，随着地表埋藏较浅煤层开采殆尽，采掘逐步向埋藏较深的煤层推进，工作面在工作采掘过程中，受上覆围岩应力影响，巷道顶板变形严重，保证采掘工作面巷道顶板围岩稳定性具有非常重要意义。为此，国内诸多学者开展相关研究，戴晨[1]针对恒昇矿9102 工作面沿空掘进巷道受采空区覆岩运动的影响，巷道变形迅速,位移量大,通过现场围岩变形观测、钻孔窥视、瑞利波探测等方式，设计提出联合支护技术加固巷道围岩，保证矿井的安全回采。本文以光道矿9101 运输顺槽为工程背景，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 矿井概况

西山光道矿位于洪洞县城北50 km 西龙门村处，井田面积15.72 km2，开拓开采方式：地下开采、斜井开拓，生产规模120 万t/a，9101 工作面位于矿井南五盘区，现主要开采太原组9#煤层。9101 运输顺槽断面为矩形，长度1 280 m，巷道与邻近的9102 采空区间留设有15 m 保护煤柱。9101 运输顺槽掘进埋深320 m，9#煤层厚度均值4.8 m，直接顶复合顶板（厚度1 m～2 m）、中间夹杂厚度0.1 m～0.5m 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。9101 运输顺槽净宽4.5 m、净高2.8 m，顶板用锚网索梁、巷帮用锚网梁支护。顶板用椎20 mm×2 200 mm 螺纹钢锚杆按照间排距均为900m m 布置，锚索为椎15.24 mm×5 000 mm 钢绞线，按照间排距2 000 mm、1 800 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，其规格均为椎18 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 围岩变形破坏机理分析

2.1 巷道围岩变形机理分析

9101 运输顺槽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。

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。

2.2 岩层裂隙、离层监测

施工探测钻孔并通过钻孔窥视仪对9101 运输顺槽顶板岩层裂隙、离层情况进行窥视。施工的窥视钻孔孔深28 mm。9101 运输顺槽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[2-3]。

9101 运输顺槽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 m～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

从钻孔窥视成果发现，在巷道顶板上覆0 m～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[2-3]。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椎20 mm×2 200 mm 优化至椎20 mm×2 600 mm，间排距由900 mm、900 mm 优化为700 mm、700 mm。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。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，锚杆规格为椎18 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1 所示。

图1 优化后巷道围岩支护断面图（单位：mm）

4 监测效果分析

对9101 运输顺槽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。通过对运输顺槽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]。

5 结论

光道矿9101 运输顺槽顶板为复合顶板，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[5]，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，运输顺槽顶底板位移量75 mm，两帮位移量96 mm，巷道围岩变形减小，保证矿井的安全回采。