大斷面軟巖巷道掘進煤幫片幫防治探究

王 力

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責任公司 ，山西 長治 046600）

0 引 言

軟巖巷道的實質(zhì)就是巷道圍巖工程強度較差，巖石內(nèi)部裂隙發(fā)育，在受到工程擾動后，極易發(fā)生垮落失穩(wěn)[1]。在我國煤炭開采過程中，軟巖巷道圍巖控制問題較為突出，尤其是在煤層巷道掘進過程中。煤層巷道在掘進過程中，在綜掘機截割煤層后，巷道永久支護之前，由于煤層自穩(wěn)能力差加之臨時支護強度弱，在巷道煤壁受到掘進擾動的影響，極易發(fā)生片幫垮落，給一線掘進人員與掘進設(shè)備造成嚴重的安全隱患[2]。賈曉龍[3]針對煤巷在掘進過程中的片幫問題，采用FLAC3D數(shù)值模擬的方法，研究了巷道掘進過程中錨桿預緊力、錨桿強度對巷道表面位移、圍巖塑性區(qū)分布影響，為防止煤壁片幫對某礦全煤巷道在掘進時的永久支護形式進行了設(shè)計，但未能提出有效的控制巷道在臨時支護期間的煤壁片幫問題進行研究。郗澤松[4]針對某礦快速掘進煤巷中的煤壁片幫問題，從實踐出發(fā)，提出了“短掘短支”的巷道掘進控制煤壁片幫的方法，但這一方法對礦井所配置的機械設(shè)備要求較高，所需成本加大，不太適宜全面推廣。同時，由于礦井地質(zhì)條件紛繁復雜，難以采用一準理論與方法一以貫之，必須針對某一煤層甚至某一順槽進行具體分析，才能有效解決順槽在掘進過程中的片幫問題。

1 工程概況

霍爾辛赫3308運輸順槽掘進工作面主要開掘3#煤，位于一水平三盤區(qū)采區(qū)名稱，地面標高935～942m，底板標高 420～440m，地面主要村落均處于保護煤柱范圍內(nèi)，巷道上方各構(gòu)筑物均都在保護煤柱線內(nèi)，巷道掘進與工作面回采對其無影響。3308運輸順槽井下東側(cè)為五條大巷；西、南側(cè)未掘進；北側(cè)為3301、3302回采工作面已經(jīng)回采完，3307工作面目前正在回采。巷道預掘長度749.8m。3#煤層煤質(zhì)為黑色，塊狀，細條帶狀結(jié)構(gòu)，中下部夾薄層泥巖，巖性為炭質(zhì)泥巖，煤層厚度為5.5～5.7m平均5.6m，煤層傾角2°～10°平均6°，煤層層理為中等發(fā)育，煤層節(jié)理為中等發(fā)育，巷道頂?shù)装搴穸扰c巖性見表1。3308運輸順槽掘進范圍內(nèi)無明顯地質(zhì)構(gòu)造，無斷層與陷落柱揭露，3308運輸順槽掘進范圍內(nèi)地質(zhì)條件與水文地質(zhì)情況簡單。

3308運輸順槽沿3號煤層底板掘進，設(shè)計長度749.8m，巷道為矩形斷面，凈寬5.0m，毛寬5.2m，凈高3.3m，毛高3.4m，凈斷面積16.5m2，掘進斷面積17.68m2，順槽斷面較大，主要擔負3308工作面主要設(shè)備運輸與工作面煤流運輸以及為輸送工作面新鮮風流等任務(wù)。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

2 煤巖力學性質(zhì)實驗室測定

圖1 試件測定儀器及測定過程

為充分對3308運輸順槽圍巖強度進行分析，在運輸順槽圍巖穩(wěn)定段鉆取巖芯，在實驗室加工成標準件后，進行巖石力學強度測定，見圖1。3308運輸順槽圍巖強度見表2。

表2 巖石物理、力學性質(zhì)試驗成果表

同時，采用SEM的方法，對煤層微觀結(jié)構(gòu)進行了觀測，見圖2。3#煤構(gòu)造裂隙較為發(fā)育，裂隙面平直，延伸較長，可切入其它分層；變質(zhì)氣孔較為發(fā)育，但分布不均勻，單個氣孔在形態(tài)上有圓形、橢圓形和不規(guī)則形態(tài)等，相互之間的連通性較差。煤層節(jié)理裂隙的發(fā)育，推測煤層強度較弱。

圖2 3#煤層微觀結(jié)構(gòu)

3 巷道原有巷道臨時支護及效果

3.1 巷道原有支護參數(shù)

巷道在綜掘機截割后，在敲幫問頂確定頂板安全之后，立即鋪頂網(wǎng)，并進行臨時支護，具體參數(shù)為：前探梁采用長L=5.0m、外徑3寸鋼管制作，共2根（備用一根，壁厚6mm），前探梁表面無銹蝕、無裂痕，無變形；每根前探梁配有2套特制吊環(huán)（采用厚度5mm、寬度50mm、長度800mm的鐵板彎制成邊長200mm吊環(huán)，在吊環(huán)上焊接錨桿吊掛專用吊具），吊掛在頂板錨桿上；在每根前探梁前端增加一套L梁，L梁上焊接三組掛鉤，用于安設(shè)工作面迎頭護幫板。前探梁上放置1塊護頂板和1塊護幫板，護頂板規(guī)格：4500mm×200mm×40mm，護幫板規(guī)格：4500mm×200mm×40mm，如圖3所示。

圖3 原臨時支護示意圖

3.2 巷道原有支護效果

巷道在掘進時，由于對巷道幫部控制不足，盲目認為掘進工作面的臨時支護重點為控制巷道頂板變形，對巷道全斷面臨時控制片面的轉(zhuǎn)換為巷道頂板支護，共造成巷道幫部片幫3次，片幫素描圖，見圖4。

由這三次煤壁片幫形態(tài)可知，由于煤壁受到掘進擾動集中應(yīng)力的影響，原生裂隙發(fā)育的煤體更為裂隙發(fā)育，在頂板載荷與自重應(yīng)力的雙重作用下，隨即發(fā)生拉壓破壞，最大破壞高度2.4m，最大破壞深度0.8m。

圖4 煤壁片幫素描圖

4 巷道優(yōu)化支護形式及效果

4.1 巷道優(yōu)化支護形式確定

針對3308運輸順槽掘進工作面兩幫煤壁失穩(wěn)破壞的問題，認為單純的對掘進工作面頂板以及迎頭面進行支護的措施，無法有效控制掘進工作面圍巖穩(wěn)定，故考慮通過設(shè)置掘進工作面臨時支護煤壁護幫板，加大對兩幫煤壁位移的控制，提供一定的支護強度，以保證煤壁的穩(wěn)定性。優(yōu)化臨時支護措施為：前探梁采用長L=5.0m、外徑3寸鋼管制作，共7根（備用2根，壁厚6mm），前探梁表面無銹蝕、無裂痕，無變形；每根前探梁配有2套特制吊環(huán)（采用厚度5mm、寬度50mm、長度800mm的鐵板彎制成邊長200mm吊環(huán)，在吊環(huán)上焊接錨桿吊掛專用吊具），吊掛在頂板錨桿上；在每根前探梁前端增加一套L梁，用于安設(shè)工作面迎頭護幫板。前探梁上放置1塊護頂板和1塊護幫板，在兩排錨桿中間使用鉸接環(huán)在掘進工作面平行方向上安置兩根前探梁，在每根前探梁前端增加一套L梁，安設(shè)工作面兩幫護幫板。護頂板規(guī)格：4500mm×200mm×40mm，護幫板規(guī)格：4500mm×200mm×40mm。

圖5 優(yōu)化臨時支護示意圖

4.2 支護效果檢測

優(yōu)化后的“巷道頂幫聯(lián)合控制”的臨時支護措施，對巷道迎頭以及兩幫裸露面進行了主動支護，提供了一定的支護強度，有效避免了運輸順槽在受到掘進擾動后的兩幫片幫問題。為進一步觀察“巷道頂幫聯(lián)合控制”對順槽圍巖穩(wěn)定性的影響，對掘進工作面兩幫圍巖進行了原位鉆孔窺視，以觀察順槽掘進工作面在臨時支護后的圍巖穩(wěn)定情況，見圖6。

圖6 優(yōu)化臨時支護兩幫0～1m窺視圖

在圖6中，可以清晰看到，順槽接近工作面臨時支護段圍巖基本保持穩(wěn)定，圍巖內(nèi)部裂隙未見明顯擴展，說明“巷道頂幫聯(lián)合控制”的臨時支護措施基本保障了順槽圍巖的穩(wěn)定性，這種方法較原臨時支護措施在成本與操作步驟上類似，但對圍巖控制效果明顯，相較于其他控制掘進工作面煤壁片幫的方法有著明顯的成本優(yōu)勢，值得大范圍推廣。

5 結(jié) 論

本文依托霍爾辛赫3308運輸順槽掘進工作面臨時支護失效導致多次煤幫片幫的事故發(fā)生的工程實際，進行了研究，得出了以下結(jié)論：

1）3308工作面運輸順槽圍巖均為3#煤層，實驗室測得煤層9.5MPa，結(jié)合SEM觀測可以發(fā)現(xiàn)煤層節(jié)理裂隙的發(fā)育，綜合確定3308運輸順槽圍巖屬于軟巖范疇。

2）結(jié)合3308工作面運輸順槽掘進工作面臨時支護段煤幫數(shù)次片幫實際，確定掘進工作面片幫主要誘因為在臨時支護段未能對巷道煤幫提供有效支護強度。

3）提出“巷道頂幫聯(lián)合控制”的掘進工作面臨時支護原理，并進行了設(shè)計與應(yīng)用。實踐表明，該措施具有簡單易操作、支護效果好、成本投入少等優(yōu)點，可以大范圍推廣。