大斷面軟巖巷道煤壁片幫機(jī)理及控制技術(shù)

張寅偉

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)安全監(jiān)察局，山西 霍州 031400）

大斷面軟巖巷道在掘進(jìn)過(guò)程中受集中應(yīng)力、支護(hù)設(shè)計(jì)以及圍巖穩(wěn)定情況等影響，巷道兩幫易出現(xiàn)片幫現(xiàn)象。傳統(tǒng)主要采用單一錨桿對(duì)巷幫進(jìn)行維護(hù)，但是錨桿主要起到組合拱作用，當(dāng)煤壁片幫破碎后，錨桿聯(lián)合支護(hù)形成的組合拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，對(duì)巷幫煤柱剪切應(yīng)力達(dá)不到有效的抵抗作用。所以對(duì)于巷道片幫采取合理有效的支護(hù)作用，對(duì)巷道掘進(jìn)效率、巷道成型率以及安全施工具有重要的意義[1-5]。

1 概述

山西焦煤霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦2131 巷位于井田二采區(qū)系統(tǒng)巷道北側(cè)，西南側(cè)為2-211 工作面。2131 巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1010 m，設(shè)計(jì)寬度為4.5 m，高度為4.2 m。2131 巷開(kāi)口位置位于2-2131 巷19#點(diǎn)前6 m 處，以6°上山掘進(jìn)40 m，再以10°上山掘進(jìn)250 m 見(jiàn)2#煤層，然后沿2#煤層掘進(jìn)443 m，再以39°2′方位角掘進(jìn)720 m 到達(dá)設(shè)計(jì)位置。2131巷掘進(jìn)的2#煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組，煤層穩(wěn)定可采，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含兩層夾矸，其中第二層夾矸層位較穩(wěn)定。2#煤層平均厚度為4.1 m，平均傾角為5°。2#煤層頂?shù)装鍘r性見(jiàn)表1。

表1 2#煤層頂?shù)装鍘r性匯總表

由于2131 巷從290 m 后沿2#煤層頂板掘進(jìn)，2#煤層及巷道圍巖穩(wěn)定性差，巷道屬大斷面軟巖掘進(jìn)。在前290 m 段巷道圍巖相對(duì)穩(wěn)定，從290 m 后巷道進(jìn)向左側(cè)幫出現(xiàn)局部片幫現(xiàn)象，片幫位置位于頂板往下1.5 m 范圍內(nèi)。巷道掘進(jìn)至350 m 時(shí)巷幫出現(xiàn)滑坡式片幫，最大片幫深度達(dá)1.4 m，片幫后頂板兩側(cè)空頂距達(dá)1.2 m，導(dǎo)致巷道成型效果差，巷幫支護(hù)難度大。

2 片幫機(jī)理分析

（1）支護(hù)不及時(shí)。2131 巷采用EBZ260 型掘進(jìn)機(jī)，最大掘進(jìn)深度為1.0 m，采用“兩掘一支”施工工序，每班掘進(jìn)量為4.0 m。巷道掘進(jìn)后雖然對(duì)頂板進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，但是施工人員忽略了護(hù)幫支護(hù)重要性，巷道掘進(jìn)期間護(hù)幫支護(hù)滯后嚴(yán)重，最大滯后距離達(dá)7.0 m，從而增加了兩幫煤柱裂隙發(fā)育時(shí)間，導(dǎo)致巷幫煤柱片幫現(xiàn)象。

（2）圍巖穩(wěn)定性差。2131 巷掘進(jìn)的2#煤層穩(wěn)定性差，煤層內(nèi)夾矸削弱了煤體力學(xué)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，而巷道掘進(jìn)后巷幫與頂板之間的肩角煤柱對(duì)頂板形成穩(wěn)定的承載梁結(jié)構(gòu)具有重要作用。且該區(qū)域煤巖體受力最大，當(dāng)該區(qū)域煤巖體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定或支護(hù)效果差時(shí)，巷道開(kāi)挖后應(yīng)力重新分配期間該區(qū)域煤巖體在剪切應(yīng)力作用下，很容易出現(xiàn)片幫現(xiàn)象。

（3）地質(zhì)構(gòu)造影響。2131 巷在390 m 處預(yù)計(jì)揭露一條F25 斷層，斷層落差達(dá)2.7 m，傾角為48°，斷層與巷道以37°斜交。隨著巷道掘進(jìn)與該斷層距離縮短，斷層處的構(gòu)造應(yīng)力沿巷道頂?shù)装鍘r體向開(kāi)挖空間釋放。構(gòu)造應(yīng)力在釋放過(guò)程中對(duì)圍巖產(chǎn)生水平張拉破壞作用，致使圍巖產(chǎn)生高密度裂隙，從而導(dǎo)致巷幫煤柱片幫現(xiàn)象。

（4）支護(hù)設(shè)計(jì)不合理。2131 巷巷幫煤柱主要采用單螺紋鋼錨桿支護(hù)，支護(hù)長(zhǎng)度為2.0 m，錨桿采用端頭錨固方式。而巷幫煤柱出現(xiàn)裂隙發(fā)育后，在煤柱體內(nèi)部存在圍巖松動(dòng)圈，隨著裂隙不斷擴(kuò)張，松動(dòng)圈范圍不斷擴(kuò)大，從而形成應(yīng)力卸壓空間。而采用單一錨桿支護(hù)時(shí)錨桿錨固段位于松動(dòng)圈內(nèi)，錨固質(zhì)量差，導(dǎo)致支護(hù)失效、煤壁片幫現(xiàn)象。

3 巷道片幫聯(lián)合控制技術(shù)應(yīng)用

為了達(dá)到有效控制片幫的目的，根據(jù)煤壁片幫機(jī)理決定從提高煤柱整體穩(wěn)定性以及削弱煤柱剪應(yīng)力兩方面進(jìn)行控制維護(hù)。

3.1 柔性-注漿加固技術(shù)

3.1.1 柔性-注漿加固原理

采掘工作面破碎煤巖體采用傳統(tǒng)注漿加固時(shí)，雖然注漿液能夠在巖體裂隙內(nèi)進(jìn)行滲透并進(jìn)行粘接作用，對(duì)破碎巖體實(shí)現(xiàn)二次重組，但是傳統(tǒng)注漿液凝固后形成的凝固體韌性及強(qiáng)度較低，注漿后的煤巖體在二次動(dòng)壓作用下會(huì)造成注漿凝固體斷裂變形，導(dǎo)致注漿后的煤巖體再次出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，達(dá)不到對(duì)失穩(wěn)圍巖的控制作用。

柔性-注漿加固技術(shù)主要對(duì)破碎煤巖體內(nèi)安裝柔性棕繩，然后再進(jìn)行注漿施工。注漿材料凝固后即能對(duì)破碎煤體實(shí)現(xiàn)粘接作用，又實(shí)現(xiàn)了棕繩全長(zhǎng)錨固作用。棕繩通過(guò)注漿材料可牢牢與煤體粘接在一起，同時(shí)柔性棕繩注漿后具有一定的伸長(zhǎng)率和一定剛度，可以有效防止二次動(dòng)壓下煤巖體出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，對(duì)破碎圍巖具有較好的控制作用。

3.1.2 柔性-注漿施工工藝

（1）棕繩類(lèi)型選擇。2131 巷片幫煤壁安裝的棕繩初步設(shè)計(jì)采用直徑為17 mm、19 mm 和24 mm三種類(lèi)型。對(duì)三種類(lèi)型棕繩分別采用電液伺服拉力試驗(yàn)機(jī)拉拔試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，三種棕繩的平均抗拉強(qiáng)度為38.9 MPa、31.2 MPa、57.5 MPa，平均延展率為9.7%、8.1%和14.8%，由此可見(jiàn)直徑為24 mm 的棕繩對(duì)在大應(yīng)力圍巖中具有很好的應(yīng)用效果。所以對(duì)2131巷片幫煤壁決定采用直徑為24 mm、長(zhǎng)度為4.8 m的棕繩。

（2）施工工藝：① 首先采用手持式鉆機(jī)對(duì)片幫煤壁施工一排棕繩安裝孔，孔深4.5 m，直徑為32 mm，鉆孔施工在距頂板0.7 m 處，間距為3.0 m，鉆孔垂直煤壁布置；② 鉆孔施工完后對(duì)鉆孔內(nèi)安裝棕繩以及注漿軟管，然后采用膨脹水泥對(duì)孔口進(jìn)行封孔處理；③ 棕繩安裝后將注漿軟管與注漿泵連接，并進(jìn)行馬麗散注漿施工，注漿完成后及時(shí)對(duì)巷幫安裝護(hù)幫支護(hù)。

3.2 桁架梯形梁支護(hù)

傳統(tǒng)桁架錨桿（索）支護(hù)雖然對(duì)圍巖內(nèi)部應(yīng)力起到有效的減弱作用，但是對(duì)圍巖變形控制效果相對(duì)較差，研究決定在原桁架支護(hù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)2131 巷采用桁架梯形梁支護(hù)。

（1）支護(hù)結(jié)構(gòu)。桁架梯形梁支護(hù)在原桁架錨桿（索）支護(hù)的基礎(chǔ)上增加了一架聚氨酯柔性梯形梁。該支護(hù)主要包括2 根長(zhǎng)度為2.5 m、直徑22 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼，兩根長(zhǎng)度為1.3 m、直徑18 mm桁架拉桿，一個(gè)長(zhǎng)度為0.4 m 張拉器以及一架聚氨酯柔性梯形梁。梯形梁長(zhǎng)度為1.5 m，寬度為0.4 m，由聚氨酯材料通過(guò)模具一次性澆筑而成。該梯形梁與傳統(tǒng)鋼材梯形梁相比具有較強(qiáng)的韌性，不易變形。

（2）支護(hù)工藝：① 片幫煤壁待柔性注漿完全凝固后，在易片幫區(qū)域施工兩個(gè)斜角錨桿鉆孔，鉆孔深度為2.5 m，鉆孔與片幫煤壁夾角為75°，每組鉆孔間距為2.5 m；② 鉆孔施工完后依次安裝錨桿、桁架欄桿以及柔性梯形梁，并采用張拉器對(duì)梯形梁進(jìn)行預(yù)緊，保證梯形梁與片幫煤壁接觸嚴(yán)實(shí)，如圖1；③ 片幫煤壁梯形梁支護(hù)間距為1.0 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煤壁片幫情況適當(dāng)調(diào)整支護(hù)高度。

圖1 2131 巷片幫煤壁聯(lián)合支護(hù)平面、斷面示意圖

4 應(yīng)用效果

（1）2131 巷片幫煤壁采用柔性注漿加固技術(shù)后，棕繩在注漿液作用下形成全長(zhǎng)錨固支護(hù)體，且縱向、橫向延展率及載荷能力遠(yuǎn)大于普通錨桿（索），同時(shí)形成的柔性支護(hù)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于煤巖體所受的剪應(yīng)力，從而有效地防止煤壁片幫。

（2）2131 巷煤壁采用的桁架梯形梁支護(hù)具有支護(hù)效果好、抗應(yīng)力強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)該支護(hù)可有效削弱圍巖體內(nèi)部應(yīng)力，降低圍巖變形、破碎幾率，提高圍巖整體穩(wěn)定性。

（3）2131 巷煤壁采用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，巷道在后期掘進(jìn)過(guò)程中片幫現(xiàn)象得到有效控制，最大片幫長(zhǎng)度為0.7 m，片幫深度不足0.3 m，提高了巷幫煤柱整體穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了巷道安全快速掘進(jìn)。