松軟煤層高幫巷道巷幫控制技術

崔千里，范軍平,付書俊

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.陽泉煤業(集團)股份有限公司，山西 陽泉 045000)

松軟煤層高幫巷道的圍巖控制，一直以來都是巷道支護研究的重點。隨著開采深度和廣度的增加，松軟煤層高幫巷道出現圍巖松軟破碎、變形劇烈等問題，巷道施工和支護十分困難,尤其當巷道受到臨近工作面或采空區動壓影響時，圍巖控制將變得更加困難，會出現頂底移近、兩幫收縮，甚至巷幫整體位移現象，誘發失穩垮落事故[1-2]。國內外專家學者對此進行了大量研究，并取得許多成果。何滿潮等[3-4]指出巷道所有力會從一類平衡態轉化為另一類平衡態，并提出了最佳支護時段概念；王家臣等[5]通過分析極軟煤壁片幫與防治機理，提出緩解煤壁壓力和提高煤體抗剪強度的支護方法；單仁亮等[6-7]提出了煤巷強幫強角理論，進行了相似模型試驗，并在現場成功應用；孫立輝等[8]提出增加巷幫支護阻力和提高煤幫強度的巷幫加固方法；徐玉勝等[9]采用耦合讓壓支護技術確定了長平礦大斷面沿空留巷支護方案。本文在分析松軟高幫巷道剪切變形、破壞的基礎上，提出了相應的煤幫控制技術，并進行井下試驗，取得了顯著效果。

1 地質條件

陽泉上社煤礦15502進風巷，位于15#煤層，沿煤層頂板掘進，巷道掘進斷面尺寸5.2 m×4.5 m，臨近15501回風巷和15501回采面，煤柱凈尺寸12 m；巷道采用雙巷掘進，后期受到15501工作面和本工作面的兩次采動影響，為典型動壓巷道，開拓布置平面如圖1所示。巷道埋深約400 m，根據現場原位測試得知，最大水平地應力14.9 MPa，最小水平主應力8.9 MPa，垂直主應力9.6 MPa，最大主應力優勢方向為NEE。

15#煤層內生裂隙發育，煤層強度指數f為0.5～1.5，較為松軟破碎，完整性差；煤層厚度4.2～6.7 m，平均5.4 m。煤層偽頂為黑色砂質頁巖，直接頂為砂巖，夾有灰巖層，厚度約12.3 m；底板為黑色粉砂質泥巖，夾有細砂巖薄層，平均厚度2.3 m，巖層情況見表1。

圖1 巷道布置平面圖

Fig.1 Floor plane of roadway layout

表1 15#煤頂底板巖性

2 松軟高幫變形破壞機理

根據實地觀測，松軟煤層高幫巷道的主要變形特征是兩幫發生鼓包或片幫變形，甚至整個錨桿長度范圍的整體位移，以及巷幫上部內錯剪切、下部鼓起等，并向巷幫深部發展誘發巷道失穩垮落。結合實踐經驗和現場條件，分析巷道煤幫產生破壞的可能影響因素包括巷幫高度(斷面尺寸)、煤體強度(圍巖性質)、應力水平、應力場類型、動壓影響、瓦斯抽放、支護質量等。

上社煤礦松軟煤層高幫巷道變形破壞的可能原因有三個。①巷道高度較大，達4.5 m之多；15#煤層松軟破碎，節理、裂隙發育，煤層強度低，完整性較差，在受到動壓影響時，巷幫鼓包和片幫變形明顯；加之原有支護較弱，支護剛度和強度都較低，護表面積及擴散效果較差。②應力場為σH>σV>σh型應力場，以水平構造應力為主，最大水平主應力與垂直應力的差值5.3 MPa，偏應力明顯。在構造應力作用下，煤幫的剪切破壞大大降低了兩幫煤體的承載能力，加之支護較弱從而降低其對頂底板的支撐作用；頂板失穩進一步加劇了煤幫的的應力負載，造成松軟高幫進一步破壞，形成惡性循環。③15#煤層瓦斯含量高，數量眾多的抽放孔對巷幫圍巖完整性和穩定性產生不利影響，進一步加劇巷幫煤體破碎。因此，巷幫有效支護是松軟煤層高幫巷道圍巖控制的關鍵。

3 松軟煤層高幫巷道巷幫控制技術

3.1 巷幫破壞與支護數值模擬

采用三維有限差分程序FLAC3D模擬分析巷幫破壞特征和不同支護方式的支護效果，不同支護方式主要包括巷幫錨桿支護、錨桿錨索支護和全錨索支護。模擬中煤巖體力學參數見表2；不同支護方式的模擬結果對比見圖2和圖3。

表2 煤巖體力學參數

模擬中頂幫錨桿參數，直徑20 mm，鋼號500#，長度2.4 m，錨固長度1.0 m，預緊力50 kN；錨索參數，直徑21.8 mm/17.8 mm，長度6.2 m/4.2 m，錨固長度1.8 m，預緊力250 kN/180 kN；錨桿錨索的托板采用剛性連接代替，錨固段黏結參數設為極大值。

巷道開掘后，在原巖應力和支護應力共同作用下，松軟高幫主要是剪切破壞，并且在巷道四角處產生剪應力集中，如圖2所示。同時，不同支護方式剪應力集中程度不同，松軟高幫采用錨桿支護，剪應力集程度最高，全高錨索支護剪應力集中程度最低，錨桿錨索組合支護介于中間。

相較于巷幫錨桿支護或錨桿錨索支護，采用全高錨索支護后，巷幫圍巖塑性區破壞范圍有所減小(約9%)，如圖3所示。

圖2 巷道圍巖剪應力分布

Fig.2 Shear stress distribution of roadway surrounding rock

圖3 不同支護方式巷幫塑性區破壞范圍

Fig.3 Plastic failure area of different support pattern

3.2 全高注漿錨索支護

高瓦斯松軟煤層，節理、裂隙發育，孔隙眾多；加之受到瓦斯抽放影響，巷幫煤體完整性和強度均大大降低，單純采用錨桿錨索支護，效果不甚理想，甚至出現錨固力低下，錨桿錨索支護無法使用的情況。針對此問題，國內多采用注漿加固的方法解決，一方面，可以提高錨桿錨索錨固力；另一方面，可以提高煤巖體的完整性和承載能力。

本文根據上述模擬結論，結合錨索支護和注漿加固的作用特點，提出松軟高幫的全高注漿錨索支護，即采用高預應力注漿錨索進行巷幫全高支護。

松軟煤層高幫巷道巷幫全高注漿錨索支護，通過提高預緊力，降低頂幫不均衡影響，將構造應力場的消極影響變為積極作用，提高圍巖穩定性；通過發揮錨索預緊力高、擴散效果好、護表面積大的優勢，減小圍巖塑性破壞范圍和剪應力集中程度，提高圍巖抗變形能力；采用全長錨固注漿錨索，可對松軟巷幫淺部進行注漿加固，提高錨索錨固力，增強巷幫煤體完整性和穩定性，更好發揮高應力錨索的支護作用。松軟高幫的穩定，會將水平構造應力向頂底板深處轉移，有效降低頂板下沉、底板底鼓。在進行巷幫全錨索支護時，須注意護表構件的匹配和預應力的有效擴散，防止松軟煤體從托板四周鼓出卸掉錨索支護力。

4 應用實例

根據上述研究成果，確定如下支護方式：15502進風巷掘進寬5.2 m，一次掘進高3.5 m，二次掘進后斷面高4.5 m。

1) 頂板采用錨桿錨索組合支護，錨桿為20#左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.4 m，屈服強度500 MPa；預緊扭矩不低于400 N·m，間排距0.9 m×1.0 m，配套使用高強度拱形托板和W鋼帶；頂錨索為Ф21.8 mm、1×19結構高強度低松弛鋼絞線，長度6.2 m，間排距1.8 m×1.0 m，配套使用高強度拱形托板，預緊力不低于250 kN。

2) 巷幫采用全高注漿錨索支護，錨索為Ф17.8 mm、1×7結構高強度低松弛鋼絞線，長度4.2 m，間排距為0.9 m×1.0 m，配套使用高強度拱形托板、止漿塞，預緊力不低于180 kN；化學材料注漿，注漿終止壓力2～4 MPa，根據現場調整。

3) 使用經緯網護表，搭接長度100 mm，雙邊孔孔相連。

4) 一次掘進巷道斷面5.2 m×3.5 m，綜掘機割煤；二次掘進，綜掘機掃底，皮帶機出煤運輸，并進行煤幫最下排注漿錨索支護施工，錨索距底板500 mm。巷道支護布置如圖4所示。

圖4 巷道支護斷面圖

Fig.4 Roadway support section

對巷道進行礦壓監測，結果見圖5和6。掘進初期，巷道變形較小，后期受到臨近工作面采動影響，頂幫顯著變形，頂板最大下沉量約130 mm，兩幫最大移近量約225 mm，總變形量在允許范圍內。此外，頂錨桿很快達到穩定值，當受到相鄰工作面回采動壓時，錨桿受力稍有變化，但變化不大；頂幫錨索在掘進后很快達到穩定狀態，穩定受力維持分別在200 kN、150 kN左右；隨后當受到相鄰工作面動壓影響時，頂幫錨索受力均顯著增加，頂錨索最大受力近320 kN，幫錨索最大受力約180 kN；最后維持在穩定狀態。綜合礦壓監測，巷道掘進初期，巷道變形較小，錨桿錨索受力穩定；當受到相鄰工作面采動影響后，圍巖變形和錨索受力均急速顯著增大，然后保持在穩定狀態。

圖5 表面位移

Fig.5 Surface displacement

圖6 錨桿錨索受力

Fig.6 Force of bolt and cable

5 結 論

1) 松軟煤層高幫巷道，煤幫主要是剪切破壞，且在巷道四角處出現剪應力集中。

2) 松軟煤層高幫巷道巷幫全錨索支護，可有效減小圍巖塑性區破壞范圍，降低圍巖剪應力集中程度，改善圍巖受力狀態和支護效果。

3) 提出松軟高幫的全高注漿錨索支護，即高預應力注漿錨索的巷幫全高支護，并進行井下應用試驗，監測表明高預應力注漿錨索能有效控制松軟高幫的大變形，保證巷道安全，試驗效果良好。