松軟破碎圍巖巷道支護(hù)及快速掘進(jìn)研究

王寧

（陽(yáng)煤集團(tuán) 平定裕泰煤業(yè)有限公司，山西 平定 045200）

1 工程背景

裕泰礦主采15#煤層，15#煤層厚4.20～7.89 m，平均5.82 m，平均傾角為2°～5°，二水平軌道大巷長(zhǎng)度為1400 m，頂板為黑色泥巖，有時(shí)含粉砂巖或變?yōu)樯百|(zhì)泥巖，底板為粉砂質(zhì)泥巖或泥巖。煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，一般含l～2層夾矸，單層夾矸厚度為0～0.4 m。二水平軌道大巷采用直墻弧形拱巷道斷面，巷道斷面尺寸（寬×高）為4500mm×3850mm，直墻段高1800mm，采用U25型鋼架棚支護(hù)，棚距800mm，混凝土噴漿層厚度為100mm。

二水平軌道大巷在掘進(jìn)施工過(guò)程中易發(fā)生頂板事故，綜掘機(jī)割巖后空頂區(qū)域易冒頂，最大冒落高度可達(dá)到5 m左右，在架棚前及巷道施工后均有冒頂事故發(fā)生，巷道兩幫圍巖收斂變形期較長(zhǎng)，掘巷完成后25天仍在緩慢變形。

2 二水平軌道大巷圍巖破壞失穩(wěn)原因分析

巷道采用U型鋼支護(hù)，受到圍巖地質(zhì)條件及施工技術(shù)水平影響，造成v型鋼支架受力不均勻，最終導(dǎo)致U型鋼破壞變形，具體原因有[1-3]：

（1）巖石松軟破碎，且遇水膨脹。二水平軌道大巷頂板主要為松軟破碎泥巖，吸水后容易膨脹變形，遇水后強(qiáng)度降低40%左右，體積膨脹超過(guò)60%，容易發(fā)生崩解現(xiàn)象，失去承載能力。而巖石的膨脹變形對(duì)U型鋼產(chǎn)生變形壓力，U型鋼受到偏心載荷的作用后，會(huì)發(fā)生變形破壞，導(dǎo)致柱腿向巷道內(nèi)移動(dòng)。

（2）受到支護(hù)結(jié)構(gòu)和掘進(jìn)施工工藝的影響。U型鋼支架與巷道周邊圍巖有間隙存在，二者無(wú)法有效接觸并作用，導(dǎo)致支架的承載時(shí)間推遲，而圍巖變形又會(huì)對(duì)支架產(chǎn)生偏心載荷，U型鋼支架會(huì)向巷道內(nèi)偏出。

3 二水平軌道大巷巷道支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于二水平軌道大巷圍巖變形原因分析可知，防止支護(hù)結(jié)構(gòu)變形破壞需要解決以下幾個(gè)問(wèn)題：① 改善圍巖物理力學(xué)性質(zhì)，需要采取措施提高其內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角，提高其自承能力，在較小支護(hù)強(qiáng)度下亦能保持圍巖的穩(wěn)定性；② 控制水源，通過(guò)采取降排水措施，減少水對(duì)泥質(zhì)巷道的軟化作用，以提高圍巖的承載能力；③ 對(duì)U型鋼支架與圍巖間空間進(jìn)行充填，使支架與圍巖緊密接觸[4-5]。

3.1 超前支護(hù)方案設(shè)計(jì)

超前支護(hù)采用管棚法，將鋼管沿著巷道輪廓線布置的鉆孔插入，管棚的一端固定在支護(hù)體上，另一端固定在未開(kāi)挖的巖體上，管棚主要支承空頂區(qū)域上覆巖層載荷。由于管棚結(jié)構(gòu)的相互搭接，形成整體支護(hù)結(jié)構(gòu)，可保證巷道掘進(jìn)施工的安全，若發(fā)生冒頂?shù)仁鹿剩瑒t塌落的巖石也是落在管棚上部，可起到有效的緩沖保護(hù)作用。二水平軌道大巷，頂板淋水嚴(yán)重，采用管棚支護(hù)，除能起到正常支護(hù)作用外，還能起到超前探測(cè)作用，對(duì)于水量較大的地質(zhì)構(gòu)造段，管棚可以起到疏水導(dǎo)流的作用。管棚支護(hù)的主要參數(shù)包括管棚尺寸和位置的選擇。

（1）管棚尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)：

① 管棚長(zhǎng)度：可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式確定

式中：L為管棚長(zhǎng)度，m；Φ為巖層的內(nèi)摩擦角，°；H為圍巖垮落高度

根據(jù)二水平軌道大巷圍巖性質(zhì)，取H=2.51 m，Φ=26°，帶入公式（1）計(jì)算可得L=5.6 m。在確定管棚長(zhǎng)度時(shí)，若圍巖巖性較差可適當(dāng)增加管棚長(zhǎng)度，若圍巖巖性較好則可減小管棚長(zhǎng)度，結(jié)合二水平軌道大巷地質(zhì)條件綜合考慮管棚長(zhǎng)度取L=6 m。

② 鋼管規(guī)格：為了便于管棚現(xiàn)場(chǎng)安裝，采用分節(jié)制作及安裝的方法，選用直徑為50mm，壁厚為5mm，每節(jié)長(zhǎng)度為3000mm的無(wú)縫鋼管，將鋼管管端削尖以便于插入圍巖，前后兩根鋼管的搭接部分采用絲扣連接，絲扣長(zhǎng)度不低于100mm，鋼管見(jiàn)圖1。

圖1 鋼管

（2）管棚位置參數(shù)設(shè)計(jì)

① 開(kāi)孔位置：開(kāi)孔位置應(yīng)盡量靠近巷道輪廓線，若管棚直徑較小，則鉆孔中心與巷道開(kāi)挖輪廓線法向距離取300mm為宜。

② 環(huán)向間距：管棚之間的距離受到巷道圍巖穩(wěn)定性及施工精度要求等影響。通常來(lái)說(shuō)，管棚直徑在32～50mm以內(nèi)為小管棚，管棚間距離通常取300～400mm，根據(jù)二水平軌道大巷圍巖性質(zhì)，取管棚間距為300mm，管棚支護(hù)斷面見(jiàn)圖2。

圖2 管棚支護(hù)斷面

③ 傾角：在進(jìn)行鉆孔作業(yè)時(shí)，鉆頭由于受重力作用會(huì)向下垂，為了防止鉆孔侵入巷道內(nèi)，需沿著輪廓線外一定角度進(jìn)行鉆孔施工，以抵消鉆頭下垂的影響，一般來(lái)說(shuō)仰角按1°～5°選取，具體角度根據(jù)管棚長(zhǎng)度來(lái)確定。角度設(shè)計(jì)過(guò)小，則可能導(dǎo)致管棚進(jìn)入巷道輪廓線內(nèi)，影響后期的正常施工；角度設(shè)計(jì)過(guò)大，則可能導(dǎo)致管棚離巷道輪廓線過(guò)遠(yuǎn)，無(wú)法控制管棚下部巖體坍塌，給后期的開(kāi)挖支護(hù)帶來(lái)困難。長(zhǎng)度較短管棚角度按5°～15°選取，中等長(zhǎng)度管棚角度按2°～8°選取，長(zhǎng)度較長(zhǎng)管棚角度按1°～3°選取，本次超前支護(hù)選取管棚長(zhǎng)度為6 m，綜合考慮確定管棚長(zhǎng)度為5°。

④ 搭接長(zhǎng)度：二水平軌道大巷U型棚排距為800mm，為使前后兩根鋼管搭接長(zhǎng)度按1200mm選取，鋼管搭接見(jiàn)圖3。

圖3 管棚搭接

3.2 注漿加固方案設(shè)計(jì)

注漿加固可將圍巖內(nèi)部裂隙密閉，提高圍巖強(qiáng)度，同時(shí)將涌水通道封堵，防止巖石受水的侵蝕而軟化使強(qiáng)度降低。通過(guò)注漿和噴漿的組合作用，可將U型棚和巷道圍巖緊密貼合，改善U型棚和巷道圍巖的整體受力情況。采用水泥水玻璃雙液注漿，針對(duì)巷道圍巖條件及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，確定水泥漿液水灰比為1∶1，水泥與水玻璃的體積比為1∶0.04，在該配比條件下，膠結(jié)體達(dá)到的強(qiáng)度最大。注漿管直徑為60mm，長(zhǎng)度為1500mm，間排距按1600mm×1600mm選取，選用2ZBQ50/19型礦用氣動(dòng)注漿泵，注漿壓力控制在2～2.5 MPa，注漿孔布置斷面見(jiàn)圖4。

圖4 注漿孔布置斷面

3.3 噴漿加固設(shè)計(jì)

針對(duì)二水平軌道大巷圍巖特點(diǎn)，采用及時(shí)初噴、滯后復(fù)噴的方式。掘巷后首先進(jìn)行初噴工作，初噴可起到防止淋水侵入及懸露巖石掉落的作用，初噴工作量小；在掘進(jìn)機(jī)后方進(jìn)行復(fù)噴，與注漿作業(yè)錯(cuò)開(kāi)一定距離平行施工，初噴厚度為50mm，復(fù)噴厚度為100mm，在復(fù)噴前用高壓水沖洗初噴面。

4 快速掘進(jìn)技術(shù)研究

二水平軌道大巷采用全斷面一次成巷方法，選用EBZ200型掘進(jìn)機(jī)，配合皮帶運(yùn)輸，U型棚支護(hù)后進(jìn)行噴漿，然而由于施工組織管理不善、地質(zhì)條件差及設(shè)備性能等問(wèn)題，施工中出現(xiàn)冒頂頻繁，處理時(shí)間長(zhǎng)；掘進(jìn)機(jī)陷入底板，移動(dòng)困難；不能實(shí)現(xiàn)多工序平行作業(yè)等問(wèn)題，最終導(dǎo)致巷道掘進(jìn)速度低下，日平均進(jìn)尺僅為1.65 m。

（1）懸臂式掘進(jìn)機(jī)巖巷機(jī)械化作業(yè)優(yōu)化技術(shù)研究

① 掘進(jìn)機(jī)截割方式優(yōu)化設(shè)計(jì)

掘進(jìn)機(jī)截割方式的好壞對(duì)掘進(jìn)機(jī)工作效率、成巷質(zhì)量及施工速度具有重要的影響，在掘進(jìn)過(guò)程中要根據(jù)不同圍巖情況選擇合理的截割方式，當(dāng)巖石硬度較小時(shí)，先用截割頭在左下角掏槽后，向上按S型進(jìn)行切割；當(dāng)巖石硬度不同時(shí)，先在較軟位置進(jìn)行掏槽，然后再進(jìn)行全斷面截割；當(dāng)巖石較硬時(shí)，根據(jù)巖石硬度及節(jié)理裂隙發(fā)育情況綜合確定鉆進(jìn)深度，再逐步擴(kuò)大到全斷面。

② 巷道底板軟弱導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)行走困難

當(dāng)?shù)装遢^軟時(shí)，可通過(guò)在履帶下墊木板來(lái)加強(qiáng)其行走能力，若底板積水較多，先進(jìn)行上部截割，待截割下來(lái)的物料與水混合后再進(jìn)行下部的截割；在積水較多區(qū)域可隔一段區(qū)域建立蓄水池，來(lái)收集巷道上部流下的泥水，并通過(guò)泥漿泵進(jìn)行排水。

（2）施工組織與管理優(yōu)化設(shè)計(jì)

在原施工方案基礎(chǔ)上，對(duì)二水平軌道大巷工序網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，每個(gè)掘進(jìn)班在一個(gè)班內(nèi)進(jìn)行兩輪截割，架兩架U型棚，注漿作業(yè)緊跟掘進(jìn)機(jī)后方，與支護(hù)作業(yè)平行進(jìn)行；原施工方案中人工挖柱窩占用了大量的時(shí)間，因此改為掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖。

5 礦壓觀測(cè)分析

二水平軌道大巷施工后對(duì)巷道圍巖變形進(jìn)行30天的礦壓觀測(cè)，繪制圖5中巷道圍巖變形曲線。巷道在開(kāi)掘1～10天內(nèi)變形較大，此后變形較緩，20天左右達(dá)到收斂，實(shí)測(cè)圍巖頂板最大下沉量為141mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?90mm，頂板下沉占頂?shù)讎鷰r變形量的75%，兩幫最大移近量為136mm。

圖5 巷道圍巖變形曲線

6 結(jié)語(yǔ)

1）針對(duì)二水平軌道大巷掘進(jìn)速度慢，通過(guò)采取管棚超前支護(hù)和注漿加固，對(duì)軟弱頂板進(jìn)行了有效控制，通過(guò)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割方式及施工組織優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了巷道掘進(jìn)速度。

2）通過(guò)礦壓觀測(cè)，采用上述措施，巷道圍巖變形處于可控范圍，滿足巷道生產(chǎn)需要，30天內(nèi)累計(jì)施工長(zhǎng)度101.8 m，日均掘進(jìn)進(jìn)尺3.4 m，掘進(jìn)速度較之前大幅提升，實(shí)現(xiàn)了快速掘進(jìn)。

〔1〕趙大維.煤礦巷道支護(hù)的難題及對(duì)策[J/OL].機(jī)電工程技術(shù)，2017（10）：144-146

〔2〕張 熙.煤巷快速掘進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)與關(guān)鍵技術(shù)[J].城市建設(shè)理論研究(電子版)，2017（29）：183.

〔3〕彭 鵬.我國(guó)煤礦巖巷快速掘進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].化工管理，2017（27）：153.

〔4〕李國(guó)富，李 珠，李玉輝，等.泥質(zhì)類膨脹軟巖巷道注漿強(qiáng)化防水控制研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,40（2）：148-151.

〔5〕許興亮，張 農(nóng)，畢善軍.裂隙水致泥化軟巖巷道綜合控制工程實(shí)踐[J].煤炭科技，2007（2）：65-68.