松軟破碎圍巖巷道支護及快速掘進研究

王寧

（陽煤集團 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°，二水平軌道大巷長度為1400 m，頂板為黑色泥巖，有時含粉砂巖或變?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，棚距800mm，混凝土噴漿層厚度為100mm。

二水平軌道大巷在掘進施工過程中易發(fā)生頂板事故，綜掘機割巖后空頂區(qū)域易冒頂，最大冒落高度可達到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，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，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，遇水后強度降低40%左右，體積膨脹超過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U型鋼產(chǎn)生變形壓力，U型鋼受到偏心載荷的作用后，會發(fā)生變形破壞，導致柱腿向巷道內(nèi)移動。

（2）受到支護結(jié)構(gòu)和掘進施工工藝的影響。U型鋼支架與巷道周邊圍巖有間隙存在，二者無法有效接觸并作用，導致支架的承載時間推遲，而圍巖變形又會對支架產(chǎn)生偏心載荷，U型鋼支架會向巷道內(nèi)偏出。

3 二水平軌道大巷巷道支護方案優(yōu)化設計

基于二水平軌道大巷圍巖變形原因分析可知，防止支護結(jié)構(gòu)變形破壞需要解決以下幾個問題：① 改善圍巖物理力學性質(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，在較小支護強度下亦能保持圍巖的穩(wěn)定性；② 控制水源，通過采取降排水措施，減少水對泥質(zhì)巷道的軟化作用，以提高圍巖的承載能力；③ 對U型鋼支架與圍巖間空間進行充填，使支架與圍巖緊密接觸[4-5]。

3.1 超前支護方案設計

超前支護采用管棚法，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體上，另一端固定在未開挖的巖體上，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，形成整體支護結(jié)構(gòu)，可保證巷道掘進施工的安全，若發(fā)生冒頂?shù)仁鹿?，則塌落的巖石也是落在管棚上部，可起到有效的緩沖保護作用。二水平軌道大巷，頂板淋水嚴重，采用管棚支護，除能起到正常支護作用外，還能起到超前探測作用，對于水量較大的地質(zhì)構(gòu)造段，管棚可以起到疏水導流的作用。管棚支護的主要參數(shù)包括管棚尺寸和位置的選擇。

（1）管棚尺寸參數(shù)設計：

① 管棚長度：可通過經(jīng)驗公式確定

式中：L為管棚長度，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）計算可得L=5.6 m。在確定管棚長度時，若圍巖巖性較差可適當增加管棚長度，若圍巖巖性較好則可減小管棚長度，結(jié)合二水平軌道大巷地質(zhì)條件綜合考慮管棚長度取L=6 m。

② 鋼管規(guī)格：為了便于管棚現(xiàn)場安裝，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)長度為3000mm的無縫鋼管，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，絲扣長度不低于100mm，鋼管見圖1。

圖1 鋼管

（2）管棚位置參數(shù)設計

① 開孔位置：開孔位置應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。通常來說，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，管棚支護斷面見圖2。

圖2 管棚支護斷面

③ 傾角：在進行鉆孔作業(yè)時，鉆頭由于受重力作用會向下垂，為了防止鉆孔侵入巷道內(nèi)，需沿著輪廓線外一定角度進行鉆孔施工，以抵消鉆頭下垂的影響，一般來說仰角按1°～5°選取，具體角度根據(jù)管棚長度來確定。角度設計過小，則可能導致管棚進入巷道輪廓線內(nèi)，影響后期的正常施工；角度設計過大，則可能導致管棚離巷道輪廓線過遠，無法控制管棚下部巖體坍塌，給后期的開挖支護帶來困難。長度較短管棚角度按5°～15°選取，中等長度管棚角度按2°～8°選取，長度較長管棚角度按1°～3°選取，本次超前支護選取管棚長度為6 m，綜合考慮確定管棚長度為5°。

④ 搭接長度：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度按1200mm選取，鋼管搭接見圖3。

圖3 管棚搭接

3.2 注漿加固方案設計

注漿加固可將圍巖內(nèi)部裂隙密閉，提高圍巖強度，同時將涌水通道封堵，防止巖石受水的侵蝕而軟化使強度降低。通過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，針對巷道圍巖條件及實驗室試驗，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)體達到的強度最大。注漿管直徑為60mm，長度為1500mm，間排距按1600mm×1600mm選取，選用2ZBQ50/19型礦用氣動注漿泵，注漿壓力控制在2～2.5 MPa，注漿孔布置斷面見圖4。

圖4 注漿孔布置斷面

3.3 噴漿加固設計

針對二水平軌道大巷圍巖特點，采用及時初噴、滯后復噴的方式。掘巷后首先進行初噴工作，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?。辉诰蜻M機后方進行復噴，與注漿作業(yè)錯開一定距離平行施工，初噴厚度為50mm，復噴厚度為100mm，在復噴前用高壓水沖洗初噴面。

4 快速掘進技術(shù)研究

二水平軌道大巷采用全斷面一次成巷方法，選用EBZ200型掘進機，配合皮帶運輸，U型棚支護后進行噴漿，然而由于施工組織管理不善、地質(zhì)條件差及設備性能等問題，施工中出現(xiàn)冒頂頻繁，處理時間長；掘進機陷入底板，移動困難；不能實現(xiàn)多工序平行作業(yè)等問題，最終導致巷道掘進速度低下，日平均進尺僅為1.65 m。

（1）懸臂式掘進機巖巷機械化作業(yè)優(yōu)化技術(shù)研究

① 掘進機截割方式優(yōu)化設計

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

② 巷道底板軟弱導致掘進機行走困難

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

（2）施工組織與管理優(yōu)化設計

在原施工方案基礎上，對二水平軌道大巷工序網(wǎng)絡進行優(yōu)化設計，每個掘進班在一個班內(nèi)進行兩輪截割，架兩架U型棚，注漿作業(yè)緊跟掘進機后方，與支護作業(yè)平行進行；原施工方案中人工挖柱窩占用了大量的時間，因此改為掘進機開挖。

5 礦壓觀測分析

二水平軌道大巷施工后對巷道圍巖變形進行30天的礦壓觀測，繪制圖5中巷道圍巖變形曲線。巷道在開掘1～10天內(nèi)變形較大，此后變形較緩，20天左右達到收斂，實測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

1）針對二水平軌道大巷掘進速度慢，通過采取管棚超前支護和注漿加固，對軟弱頂板進行了有效控制，通過對掘進機截割方式及施工組織優(yōu)化設計，提高了巷道掘進速度。

2）通過礦壓觀測，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)累計施工長度101.8 m，日均掘進進尺3.4 m，掘進速度較之前大幅提升，實現(xiàn)了快速掘進。

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

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

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

〔4〕李國富，李 珠，李玉輝，等.泥質(zhì)類膨脹軟巖巷道注漿強化防水控制研究[J].太原理工大學學報，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踐[J].煤炭科技，2007（2）：65-68.