大斷面軟巖巷道煤壁片幫機理及控制技術

張寅偉

（山西焦煤霍州煤電集團安全監察局，山西 霍州 031400）

大斷面軟巖巷道在掘進過程中受集中應力、支護設計以及圍巖穩定情況等影響，巷道兩幫易出現片幫現象。傳統主要采用單一錨桿對巷幫進行維護，但是錨桿主要起到組合拱作用，當煤壁片幫破碎后，錨桿聯合支護形成的組合拱結構穩定性差，對巷幫煤柱剪切應力達不到有效的抵抗作用。所以對于巷道片幫采取合理有效的支護作用，對巷道掘進效率、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辛置煤礦2131 巷位于井田二采區系統巷道北側，西南側為2-211 工作面。2131 巷設計長度為1010 m，設計寬度為4.5 m，高度為4.2 m。2131 巷開口位置位于2-2131 巷19#點前6 m 處，以6°上山掘進40 m，再以10°上山掘進250 m 見2#煤層，然后沿2#煤層掘進443 m，再以39°2′方位角掘進720 m 到達設計位置。2131巷掘進的2#煤層位于二疊系下統山西組，煤層穩定可采，結構復雜，含兩層夾矸，其中第二層夾矸層位較穩定。2#煤層平均厚度為4.1 m，平均傾角為5°。2#煤層頂底板巖性見表1。

表1 2#煤層頂底板巖性匯總表

由于2131 巷從290 m 后沿2#煤層頂板掘進，2#煤層及巷道圍巖穩定性差，巷道屬大斷面軟巖掘進。在前290 m 段巷道圍巖相對穩定，從290 m 后巷道進向左側幫出現局部片幫現象，片幫位置位于頂板往下1.5 m 范圍內。巷道掘進至350 m 時巷幫出現滑坡式片幫，最大片幫深度達1.4 m，片幫后頂板兩側空頂距達1.2 m，導致巷道成型效果差，巷幫支護難度大。

2 片幫機理分析

（1）支護不及時。2131 巷采用EBZ260 型掘進機，最大掘進深度為1.0 m，采用“兩掘一支”施工工序，每班掘進量為4.0 m。巷道掘進后雖然對頂板進行及時支護，但是施工人員忽略了護幫支護重要性，巷道掘進期間護幫支護滯后嚴重，最大滯后距離達7.0 m，從而增加了兩幫煤柱裂隙發育時間，導致巷幫煤柱片幫現象。

（2）圍巖穩定性差。2131 巷掘進的2#煤層穩定性差，煤層內夾矸削弱了煤體力學穩定結構，而巷道掘進后巷幫與頂板之間的肩角煤柱對頂板形成穩定的承載梁結構具有重要作用。且該區域煤巖體受力最大，當該區域煤巖體結構不穩定或支護效果差時，巷道開挖后應力重新分配期間該區域煤巖體在剪切應力作用下，很容易出現片幫現象。

（3）地質構造影響。2131 巷在390 m 處預計揭露一條F25 斷層，斷層落差達2.7 m，傾角為48°，斷層與巷道以37°斜交。隨著巷道掘進與該斷層距離縮短，斷層處的構造應力沿巷道頂底板巖體向開挖空間釋放。構造應力在釋放過程中對圍巖產生水平張拉破壞作用，致使圍巖產生高密度裂隙，從而導致巷幫煤柱片幫現象。

（4）支護設計不合理。2131 巷巷幫煤柱主要采用單螺紋鋼錨桿支護，支護長度為2.0 m，錨桿采用端頭錨固方式。而巷幫煤柱出現裂隙發育后，在煤柱體內部存在圍巖松動圈，隨著裂隙不斷擴張，松動圈范圍不斷擴大，從而形成應力卸壓空間。而采用單一錨桿支護時錨桿錨固段位于松動圈內，錨固質量差，導致支護失效、煤壁片幫現象。

3 巷道片幫聯合控制技術應用

為了達到有效控制片幫的目的，根據煤壁片幫機理決定從提高煤柱整體穩定性以及削弱煤柱剪應力兩方面進行控制維護。

3.1 柔性-注漿加固技術

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注漿加固時，雖然注漿液能夠在巖體裂隙內進行滲透并進行粘接作用，對破碎巖體實現二次重組，但是傳統注漿液凝固后形成的凝固體韌性及強度較低，注漿后的煤巖體在二次動壓作用下會造成注漿凝固體斷裂變形，導致注漿后的煤巖體再次出現破碎現象，達不到對失穩圍巖的控制作用。

柔性-注漿加固技術主要對破碎煤巖體內安裝柔性棕繩，然后再進行注漿施工。注漿材料凝固后即能對破碎煤體實現粘接作用，又實現了棕繩全長錨固作用。棕繩通過注漿材料可牢牢與煤體粘接在一起，同時柔性棕繩注漿后具有一定的伸長率和一定剛度，可以有效防止二次動壓下煤巖體出現破碎現象，對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）棕繩類型選擇。2131 巷片幫煤壁安裝的棕繩初步設計采用直徑為17 mm、19 mm 和24 mm三種類型。對三種類型棕繩分別采用電液伺服拉力試驗機拉拔試驗發現，三種棕繩的平均抗拉強度為38.9 MPa、31.2 MPa、57.5 MPa，平均延展率為9.7%、8.1%和14.8%，由此可見直徑為24 mm 的棕繩對在大應力圍巖中具有很好的應用效果。所以對2131巷片幫煤壁決定采用直徑為24 mm、長度為4.8 m的棕繩。

（2）施工工藝：① 首先采用手持式鉆機對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 鉆孔施工完后對鉆孔內安裝棕繩以及注漿軟管，然后采用膨脹水泥對孔口進行封孔處理；③ 棕繩安裝后將注漿軟管與注漿泵連接，并進行馬麗散注漿施工，注漿完成后及時對巷幫安裝護幫支護。

3.2 桁架梯形梁支護

傳統桁架錨桿（索）支護雖然對圍巖內部應力起到有效的減弱作用，但是對圍巖變形控制效果相對較差，研究決定在原桁架支護的基礎上進行優化，對2131 巷采用桁架梯形梁支護。

（1）支護結構。桁架梯形梁支護在原桁架錨桿（索）支護的基礎上增加了一架聚氨酯柔性梯形梁。該支護主要包括2 根長度為2.5 m、直徑22 mm左旋無縱筋螺紋鋼，兩根長度為1.3 m、直徑18 mm桁架拉桿，一個長度為0.4 m 張拉器以及一架聚氨酯柔性梯形梁。梯形梁長度為1.5 m，寬度為0.4 m，由聚氨酯材料通過模具一次性澆筑而成。該梯形梁與傳統鋼材梯形梁相比具有較強的韌性，不易變形。

（2）支護工藝：① 片幫煤壁待柔性注漿完全凝固后，在易片幫區域施工兩個斜角錨桿鉆孔，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，并采用張拉器對梯形梁進行預緊，保證梯形梁與片幫煤壁接觸嚴實，如圖1；③ 片幫煤壁梯形梁支護間距為1.0 m，根據現場煤壁片幫情況適當調整支護高度。

圖1 2131 巷片幫煤壁聯合支護平面、斷面示意圖

4 應用效果

（1）2131 巷片幫煤壁采用柔性注漿加固技術后，棕繩在注漿液作用下形成全長錨固支護體，且縱向、橫向延展率及載荷能力遠大于普通錨桿（索），同時形成的柔性支護強度遠大于煤巖體所受的剪應力，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具有支護效果好、抗應力強度高等優點，通過該支護可有效削弱圍巖體內部應力，降低圍巖變形、破碎幾率，提高圍巖整體穩定性。

（3）2131 巷煤壁采用聯合支護技術后，巷道在后期掘進過程中片幫現象得到有效控制，最大片幫長度為0.7 m，片幫深度不足0.3 m，提高了巷幫煤柱整體穩定性，實現了巷道安全快速掘進。