回采巷道过断层长短锚索组合优化支护技术研究

何雷雷

（山西高平科兴云泉煤业有限公司，山西 高平 048400）

云泉煤业15102 运输顺槽过断层时原支护方案不能有效控制巷道围岩变形，巷道顶底板及两帮围岩破碎、支护困难。为解决巷道围岩变形量，提出过断层时采用长短锚索组合优化支护方案[1-4]。全锚索的支护形式在过断层巷道中的有效应用，能够确保煤矿巷道过断层围岩稳定性[5-7]，创造安全的作业条件。

1 概况

山西高平科兴云泉煤业有限公司开采的15 号煤层倾角为2°～7°，厚度为2.03～3.86 m，平均3.22 m，煤层结构相对简单。15102 综采工作面南邻15 号回风大巷，北邻实体煤，西邻15116 运输顺槽，东邻实体煤。15102 工作面煤层顶板为厚6.33～12.89 m的石灰岩，抗压强度为54.60～60.57 MPa，底板为厚1.86～3.93 m 的泥岩，抗压强度9.36～13.00 MPa。

15102 工作面运输顺槽设计长度为1600 m，沿着15 号煤煤层顶板掘进，掘宽5000 mm、高3100 mm。掘进至1415 m 时揭露落差1.2 m 的F4 断层，掘进至1505 m 时揭露落差1.9 m 的F2 断层。运输顺槽在F4、F2 断层区域的围岩破碎，巷道变形严重，支护困难。

2 巷道原支护方案及围岩变形破坏特征

2.1 巷道原支护方案

1）顶板支护。巷道顶板锚索采用规格为Φ17.8 mm×6000 mm 钢绞线锚索，每排2 根布置，距巷帮1500 mm，间排距2000 mm×2400 mm，预紧力≥ 210 kN，配套托盘及锚固剂；锚杆采用规格为Φ22 mm×2400 mm 的MG500 高强度螺纹钢锚杆，间排距为1000 mm×1200 mm，边锚杆距巷帮500 mm，向巷帮侧倾斜10°布置，每排布置5 根顶板锚杆。

2）两帮支护。巷道两帮每排布置4 根锚杆，规格为Φ22 mm×2000 mm 的MG500 高强度螺纹钢锚杆，间排距900 mm×1200 mm，上部锚杆距顶板150 mm，向上倾斜10°，下部锚杆距底板250 mm，与巷帮垂直，锚杆的扭矩为200 N·m。

2.2 原支护暴露问题分析

在揭露断层前原支护围岩控制效果良好，但当15102 工作面运输顺槽揭露F4 和F2 断层时，巷道围岩出现破坏，主要破坏特征如下：

1）巷道顶板围岩出现应力集中显现，局部区域破碎，顶板中部有明显下沉，个别锚杆、锚索被剪断，金属网也被破坏，最大变形量为720 mm。

2）巷道两帮出现收敛变形，在揭露断层的第一周，巷道围岩变形速度明显增快，最大移近速率可达55 mm/d，最大变形量为650 mm，局部夹有较薄煤层，已出现局部片帮现象。

3）巷道底板因淋水后围岩软弱，底板中部变形破坏明显，出现底鼓，向两帮侧开始扩展，最大变形量为560 mm。

3 断层带长短锚索优化支护方案

F4、F2 断层带优化后的设计采用长短锚索组合支护方案。顶板采用6 m、3.5 m 两种锚索，配套使用钢带组合进行支护；帮部采用3.5 m 短锚索支护，如图1、图2。支护参数如下：

图1 过断层长短锚索支护断面图（mm）

图2 过断层长短锚索支护平面图（mm）

1）顶板支护。顶板长锚索采用规格为Φ17.8 mm×6000 mm 钢绞线锚索，间排距2000 mm×1200 mm，每排为“212”布置，配套使用托盘及锚固剂，张拉预紧力≥ 300 kN；短锚索每排布置5 根，规格为Φ15.24 mm×3500 mm 钢绞线锚索，间排距1000 mm×1200 mm，配套使用托盘及锚固剂，锚固力≥110 kN，单根短锚索预应力不小于120 kN。顶部短锚索搭配钢带规格为长4900 mm、宽80 mm、厚35 mm，孔间距1000 mm。顶板网片为Φ6 mm 的钢筋焊接，规格为2800 mm×1400 mm，网孔大小为100 mm×100 mm。

2）两帮支护。巷道两帮每排布置4 根短锚索，规格为Φ15.24 mm×3500 mm 钢绞线锚索，间排距900 mm×1200 mm，配套使用托盘及锚固剂，张拉预紧力≥ 250 kN，锚固力≥110 kN，单根短锚索预应力不小于120 kN。两帮搭配帮钢带规格为长2900 mm、宽80 mm、厚35 mm，孔间距为900 mm。两帮网片采用12#铁丝编制而成的菱形网，规格为3000 mm×1400 mm，网格大小为50 mm×50 mm。

4 支护效果

为检验在15102 工作面运输顺槽过F4 和F2 断层带时长短锚索组合优化支护方案后的支护效果，在1450 m 和1550 m 各布置1 个测点来监测巷道围岩顶板下沉、底板底鼓和两帮收缩位移量。2 个测点监测周期都为60 d，监测频率为5 d/次。图3 为测点1 和测点2 巷道表面位移监测结果。

图3 巷道表面位移监测结果

根据图3 可知，两测点围岩顶板下沉、底板底鼓和两帮收缩量总体变化趋势基本保持一致。测点1 和测点2 都是在监测前20 d 内巷道围岩变形速度增快，到20 d 后围边变形量开始逐渐趋于稳定，顶板最大下沉量为158 mm，底板底鼓量最大为92 mm，两帮收缩量最大为166 mm，顶板、底板及两帮围岩变形量分别为原变形量的21.9%、16.4%和25.5%。

结合井下现场观测的顶板离层监测与锚索载荷监测数据表明，运输顺槽顶板离层量为0～1 mm，锚索载荷监测结果如图4。从图4 锚索载荷监测结果可以看出：测站1 和测站2 顶板和两帮锚索受力趋势为观测前期增长幅度大，观测中期锚索受力开始呈下降趋势，观测中期往后锚索受力开始趋于稳定并且有小幅度波动。顶板锚索在观测的1～6 d 内锚索受力增长速度急剧，最大300 kN，在观测的7～12 d 内锚索受力开始逐渐减少，在13～29 d 内锚索受力逐渐稳定，锚索受力值稳定在285 kN 且有小幅度波动。但是，两帮上部和下部锚索的受力值相差明显，两帮上部锚索最大受力值为142 kN，在观测的12 d 后开始逐渐趋于稳定，两帮上部锚索受力稳定在120 kN；两帮下部锚索受力变化趋势大致和上部锚索相同，两帮下部锚索最大受力值为310 kN，在观测的13 d 后开始逐渐趋于稳定，两帮下部锚索受力稳定在275 kN。分析原因，由于15102工作面运输顺槽沿15 号煤煤层顶板掘进，巷道直接底为煤体，煤体受力后变形量远大于顶板岩层变形量，因此下部锚索受力大于上部锚索受力值。通过图4 测站1 和测站2 数据可以看出，锚索受力稳定且承载能力还有较大富余。由此可见，15102 工作面运输顺槽采用长短锚索组合优化支护方案效果较好。

图4 锚索受力监测结果

5 结论

过断层时采用长短锚索组合优化支护方案，增强了15102 工作面运输顺槽巷道围岩的整体性。通过现场支护效果监测可知，顶板、底板及两帮围岩变形量分别为原变形量的21.9%、16.4%和25.5%。结合顶板离层仪和顶板两帮的锚索受力值可知，优化支护方案能够有效控制巷道围岩变形量，锚索受力良好且有富余，效果明显。