掘進巷道應力區煤壁片幫治理技術

張 楠

（山西潞安集團左權五里堠煤業有限公司，山西 晉中 032600）

1 概況

山西潞安集團左權五里堠煤業有限公司1102運輸巷位于上組煤膠帶下山北側，工作面東部為1101 工作面，西部為實體煤，切眼北部50 m 外為同煤層CK4 采空區。1102 運輸巷掘進煤層為石炭系3#煤層，煤層平均厚度為1.13 m，施工區域煤層傾角在-2°～ -6°范圍，巷道斷面為矩形斷面，掘寬×掘高=4.5 m×2.6 m，巷道沿3#煤層底板進行掘進，巷道設計長度為495 m。1102 運輸巷直接頂主要以炭質泥巖以及K8 砂巖混合巖層為主，平均厚度7.2 m，基本頂主要以砂質泥巖為主，平均厚度為11.2 m。

1102 運輸巷采用EBZ260 型掘進機掘進，已掘進560 m，掘進至557 m 處巷道成型差，直墻處片幫嚴重，片幫深度達1.2 m，局部區域直墻與拱部交界處出現冒漏現象。傳統錨桿支護效果差，無法滿足巷道安全快速掘進需求。地測科提供資料顯示，巷道掘進至580～610 m 段將揭露四條斷層，斷層均為逆斷層，斷層平均落差為1.2 m，平均傾角為42°。

2 運輸巷片幫原因

（1）地質構造影響。1102 運輸巷受斷層群影響，巷道頂板整體穩定性降低，巷道在掘進過程中頂板裂隙發育，局部區域破碎、斷裂，形成構造應力、掘進應力等集中應力卸壓帶，在卸壓過程中對巷幫煤壁產生一個斜向下的剝離作用力，導致幫部煤壁片幫。

（2）支護強度不足。1102 運輸巷巷幫采用長度為1.8 m、直徑為20 mm 單錨桿支護。現場觀察發現巷道兩幫受集中應力作用后兩幫煤柱內產生圍巖松動圈，且在對拉應力作用下兩幫產生移近現象，導致巷幫往里1.5 m 范圍煤巖體成破碎狀。采用單錨桿支護時，錨桿錨固端位于應力影響區，錨桿錨固效果差，而且錨桿安裝后長期在對拉應力作用下削弱了錨桿預緊強度，巷幫錨桿失效現象嚴重。

（3）煤巖體穩定性差。1102 運輸巷掘進煤層厚度為1.13 m，巷幫巖體為煤柱、泥巖、K8 砂巖混合層，在應力作用下煤體與巖體交界處產生卸壓裂隙帶，由于煤體的抗壓強度相對較低，裂隙向煤體內部延伸發育，煤體破碎垮落，導致煤體上部巖體出現失穩，從而導致巷幫煤柱從底部向上部逐漸剝離片幫現象。

3 運輸巷片幫治理

3.1 注漿加固

（1）通過對巷幫片幫、破碎煤體現場數據采集發現，巷幫內煤體破碎后裂隙帶高度發育，且裂隙帶寬度不足0.2 mm，裂隙延伸長度達3.0 m。采用傳統的硅酸鹽水泥進行注漿加固時，水泥粒徑較大，無法對裂隙帶充分填充、滲透，達不到預期注漿加固效果，所以決定采用高性能無機注漿材料作為注漿液。

（2）高性能無機注漿材料平均粒徑5～12 μm，可滲入滲透系數為10～4 cm/s 的粉細砂巖中。該化學材料流動度高，在靜止狀態下擴展深度達1.6 m。該化學材料在外加劑（減水劑、早強劑各1%）作用下凝固時間為1.5 h。

（3）采用手持式鉆機在每側巷幫施工一排注漿鉆孔，鉆孔深度為2.5 m（大于松動圈范圍），鉆孔間距為3.0 m，鉆孔施工在距巷道底板1.0 m 處，如圖1。鉆孔施工完后對鉆孔進行注漿，注漿壓力為1.5 MPa。

圖1 1102 巷煤壁片幫治理技術施工平面示意圖

3.2 邁步式桁架錨索支護

為了降低剪切應力對巷幫產生剪切破壞作用，提高巷幫支護質量，在巷幫處施工邁步式桁架錨索支護。

（1）每側巷幫共計施工兩排桁架錨索支護，第一排施工在距巷道頂板2.0 m 處，第二排施工在距頂板0.7 m 處，兩排桁架支護呈邁步式布置。

（2）1102 運輸巷施工的桁架錨索支護主要由兩根恒阻錨索、一根桁架拉桿組成。恒阻錨索長度為3.5 m，直徑為21.8 mm。桁架拉桿長度為2.0 m，主要由兩根直徑為30 mm、長度為0.8 m 圓桿、一根張拉器以及一塊由6 mm鋼筋焊接的鋼筋網組成，鋼筋網長度為1.2 m，寬度為0.5 m。

（3）首先在巷幫指定位置施工兩個錨索鉆孔，鉆孔深度為3.2 m，兩根錨索鉆孔與巷幫成75°夾角對稱布置。鉆孔施工時根據現場巷幫收縮、片幫情況適當調整鉆孔角度。

（4）錨索鉆孔施工完后，對鉆孔內錨注錨索，錨索外露長度為0.15 m。兩根錨索施工完后，在其外露端安裝桁架拉桿，并對拉桿圓桿進行對拉預緊，確保拉桿對錨索產生一個橫向拉力。

3.3 安裝矩形鋼棚

為了進一步提高巷道頂板、巷幫整體穩定性，在斷層群應力區處架設密集矩形鋼棚，如圖2。

（1）為了增加鋼棚對頂板支護截面積，防止傳統鋼棚受力時對頂板產生切頂破壞作用，1102 運輸巷安裝矩形鋼棚頂梁采用梯形雙槽鋼頂梁。槽鋼長度為4.2 m，寬度為0.15 m，梯形頂梁寬度為0.5 m。為了防止鋼棚受力后棚腿出現受力折斷、變形現象，采用U29 型鋼作為棚腿，棚腿長度為2.6 m，棚腿與頂梁之間采用卡纜進行固定。

（2）1102 運輸巷掘進至570 m 處滯后工作面5 m（565 m 處）開始架設矩形鋼棚，鋼棚架設間距為1.0 m。鋼棚架設時保證棚腿與巷幫預留間隙在0.2～0.3 m 范圍內，并采用水泥背板進行填充。鋼棚架設后保證頂梁與頂板接觸嚴實，并在相鄰兩架鋼棚棚腿之間安裝一組防倒拉桿。

圖2 1102 運輸煤壁片幫聯合治理技術施工斷面示意圖

4 結束語

（1）通過對巷幫煤柱采用高性能無機注漿材料進行加固，對巷幫煤柱圍巖松動圈內破碎煤巖體進行了加固，控制了松動圈范圍進一步擴大，提高了煤體抗壓強度及韌性，提高了錨桿錨固效果。

（2）對巷幫施工桁架錨索支護，不僅增加了巷幫煤柱支護強度，而且通過桁架錨索支護作用對破碎煤體內產生垂直向里的被動作用力，該作用力可削弱煤體內部向外的對拉應力破壞作用，提高了巷幫煤柱成型率，降低了兩幫移近量。

（3）對巷道應力區架設矩形鋼棚，進一步提高了應力區圍巖整體穩定性，減少了頂板垂直應力下兩幫煤柱傳遞作用，提高了煤柱支撐強度，降低了剪切應力對煤柱破壞作用。

（4）現場觀察發現，1102 運輸巷巷幫片幫、破碎區采取聯合控制技術后，巷幫片幫深度降低為0.3 m，片幫高度降低為0.5 m ，兩幫移進量降低為0.42 m，保證了巷道安全快速掘進。