掘進巷道應力區(qū)煤壁片幫治理技術(shù)

張 楠

（山西潞安集團左權(quán)五里堠煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032600）

1 概況

山西潞安集團左權(quán)五里堠煤業(yè)有限公司1102運輸巷位于上組煤膠帶下山北側(cè)，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(qū)。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(qū)域煤層傾角在-2°～ -6°范圍，巷道斷面為矩形斷面，掘?qū)挕辆蚋?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(zhì)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(zhì)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(qū)域直墻與拱部交界處出現(xiàn)冒漏現(xiàn)象。傳統(tǒng)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(zhì)構(gòu)造影響。1102 運輸巷受斷層群影響，巷道頂板整體穩(wěn)定性降低，巷道在掘進過程中頂板裂隙發(fā)育，局部區(qū)域破碎、斷裂，形成構(gòu)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(chǎn)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(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)巷道兩幫受集中應力作用后兩幫煤柱內(nèi)產(chǎn)生圍巖松動圈，且在對拉應力作用下兩幫產(chǎn)生移近現(xiàn)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(qū)，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(xiàn)象嚴重。

（3）煤巖體穩(wěn)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(chǎn)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(nèi)部延伸發(fā)育，煤體破碎垮落，導致煤體上部巖體出現(xiàn)失穩(wěn)，從而導致巷幫煤柱從底部向上部逐漸剝離片幫現(xiàn)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(xiàn)場數(shù)據(jù)采集發(fā)現(xiàn)，巷幫內(nèi)煤體破碎后裂隙帶高度發(fā)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(tǒng)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(shù)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(tài)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(cè)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(shù)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(chǎn)生剪切破壞作用，提高巷幫支護質(zhì)量，在巷幫處施工邁步式桁架錨索支護。

（1）每側(cè)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(wǎng)組成，鋼筋網(wǎng)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(jù)現(xiàn)場巷幫收縮、片幫情況適當調(diào)整鉆孔角度。

（4）錨索鉆孔施工完后，對鉆孔內(nèi)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(chǎn)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(wěn)定性，在斷層群應力區(qū)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(tǒng)鋼棚受力時對頂板產(chǎn)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(xiàn)受力折斷、變形現(xiàn)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(nèi)，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(lián)合治理技術(shù)施工斷面示意圖

4 結(jié)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(nèi)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(nèi)產(chǎn)生垂直向里的被動作用力，該作用力可削弱煤體內(nèi)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(qū)架設矩形鋼棚，進一步提高了應力區(qū)圍巖整體穩(wěn)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(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，1102 運輸巷巷幫片幫、破碎區(qū)采取聯(lián)合控制技術(shù)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。