應(yīng)力疊加區(qū)域煤巷片幫機(jī)理及支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

周利峰

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)虎龍溝煤礦，山西 朔州 038300）

巷道掘進(jìn)過(guò)程中受采空區(qū)應(yīng)力、 構(gòu)造應(yīng)力以及采掘應(yīng)力等影響，巷道出現(xiàn)巷幫破碎、垮落等現(xiàn)象[1]，不僅破壞了煤柱穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，加大了巷幫支護(hù)難度，降低了支護(hù)效果，而且巷幫出現(xiàn)片幫、破碎后，降低了煤柱支撐強(qiáng)度，在頂板垂直應(yīng)力作用，煤柱垮落后降低了頂板承載梁穩(wěn)定性[2]，很容易發(fā)生頂板冒漏事故。大多數(shù)煤礦主要采用錨桿（索）支護(hù)對(duì)破碎巷幫進(jìn)行控制維護(hù)，但由于巷幫破碎后，圍巖內(nèi)裂隙發(fā)育，且應(yīng)力在裂隙帶內(nèi)進(jìn)行釋放，從而導(dǎo)致裂隙帶范圍不斷擴(kuò)大，達(dá)不到有效控制圍巖的作用。為解決巷道過(guò)斷層構(gòu)造集中應(yīng)力及采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力疊加區(qū)域巷幫支護(hù)問(wèn)題，本文提出了合理有效控制技術(shù)。

1 工程概況

虎龍溝煤礦21505 巷位于井田東盤(pán)區(qū)，工作面東部為實(shí)煤區(qū)，南部與盤(pán)區(qū)東軌道大巷相接，西部鄰近81503 工作面采空區(qū)，北部鄰近塔山煤礦二盤(pán)區(qū)。21505 巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 471 m，巷道掘進(jìn)斷面為寬×高=5 200 mm×3 500 mm，巷道掘進(jìn)煤層為3#-5#煤層，3#煤層和5#煤層合并煤層，巷道沿3#煤層底板掘進(jìn)。煤層平均厚度為12.73 m，厚度變化較小，煤層穩(wěn)定，中間夾9～12 層夾石（累計(jì)厚為3.38～3.81 m），煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)回采影響較大，煤層普氏硬度為4.5。

21505 巷頂板采用 “5 根螺紋鋼錨桿+W 型鋼帶”和三二式布置“錨索+ 鐵托板”配合金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)；錨桿間距為1 200 mm，排距為1 000 mm；錨索間距：“三”時(shí)1 500 mm，“二”時(shí)3 000 mm，排距2 000 mm。兩幫采用“3 根螺紋鋼錨桿+ 托板+金屬網(wǎng)”進(jìn)行支護(hù)；錨桿間距1 200 mm，排距為1 000 mm；頂板螺紋鋼錨桿規(guī)格：Φ18 mm×2 200 mm；W 型鋼帶規(guī)格：5 000 mm×300 mm×3 mm（長(zhǎng)×寬×厚）；錨索規(guī)格：Φ17.8 mm×8 000 mm；兩幫螺紋鋼錨桿規(guī)格：Φ18 mm×1 700 mm；角錨索規(guī)格：Φ17.8 mm×3 000 mm。

采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝，截至2020年9月19日巷道已掘進(jìn)820 m，巷道掘進(jìn)至810 m 處揭露一條逆斷層，斷層落差為1.4 m，傾角為45°，巷道揭露斷層后位于采空區(qū)巷幫出現(xiàn)嚴(yán)重片幫現(xiàn)象。

2 巷道片幫機(jī)理

1）圍巖穩(wěn)定性差：21505 巷掘進(jìn)煤層為3#-5#煤層，煤層穩(wěn)定性差，煤層內(nèi)含多層夾矸，破壞了煤層整體穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)，巷道掘進(jìn)后圍巖應(yīng)力對(duì)圍巖產(chǎn)生破壞作用，降低了兩幫承載強(qiáng)度，導(dǎo)致巷幫圍巖破碎[3]。

2）集中應(yīng)力影響：21505 巷與鄰近的81503 工作面采空區(qū)間隔煤柱寬度為35 m，當(dāng)21505 巷掘進(jìn)至810 m 處時(shí)揭露一條逆斷層，受構(gòu)造應(yīng)力以及采空區(qū)殘余應(yīng)力作用，位于采空區(qū)巷幫出現(xiàn)應(yīng)力剪切破壞作用，導(dǎo)致巷幫煤柱內(nèi)形成圍巖松動(dòng)圈[4]，巷幫煤柱穩(wěn)定結(jié)構(gòu)遭到破壞，產(chǎn)生破碎、收縮等現(xiàn)象。

3）支護(hù)效果差：原巷幫主要采用錨桿支護(hù)，錨桿采用端頭錨固方式，幫錨桿長(zhǎng)度為2 000 mm，直徑為22 mm，每根錨桿采用一支錨固劑錨固，錨固長(zhǎng)度為350 mm，錨桿采用長(zhǎng)度為450 mm“W”形托盤(pán)進(jìn)行預(yù)緊，由于錨桿錨固段位于松動(dòng)圈內(nèi)，錨桿錨固效果差，無(wú)法有效傳遞預(yù)應(yīng)力，錨桿支護(hù)效果差、支護(hù)失效現(xiàn)象嚴(yán)重。

3 巷幫聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

為了保證巷道快速掘進(jìn)，控制巷幫收縮片幫、垮冒現(xiàn)象，決定對(duì)巷幫提出了“桁架錨索+ 安裝邁步式W 型鋼帶+超前管棚”聯(lián)合支護(hù)。

3.1 桁架錨索支護(hù)

（1）支護(hù)原理：由于錨桿（索）屬于主動(dòng)支護(hù)，主要通過(guò)錨固劑錨固作用以及托盤(pán)預(yù)應(yīng)力作用，實(shí)現(xiàn)錨桿組合梁（拱）支護(hù)。但是當(dāng)圍巖出現(xiàn)破碎后，錨桿錨固效果差，在圍巖內(nèi)部剪應(yīng)力作用錨桿無(wú)法將預(yù)應(yīng)力及時(shí)傳遞至孔壁圍巖內(nèi)[5]，而采用桁架錨索支護(hù)，一方面可對(duì)圍巖進(jìn)行錨固支護(hù)作用，另一方面可通過(guò)桁架錨索產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力削弱圍巖內(nèi)部應(yīng)力破壞作用，提高圍巖支護(hù)效果。

（2）支護(hù)結(jié)構(gòu)：21505 巷采用的桁架錨索支護(hù)主要由恒阻錨索、桁架拉桿、張拉器等部分組成，其中桁架錨索長(zhǎng)度為5 000 mm，直徑為21.8 mm，桁架拉桿長(zhǎng)度為1 000 mm，共計(jì)兩根。

（3）支護(hù)工藝：①桁架錨索支護(hù)施工在相鄰兩排幫錨桿之間，首先采用鉆機(jī)在巷幫上施工兩個(gè)支護(hù)鉆孔，孔深為5 000 mm，鉆孔間距為1 500 mm，兩個(gè)鉆孔與巷幫夾角為70°。②錨索鉆孔施工完后，對(duì)鉆孔內(nèi)安裝兩根錨索，然后在錨索外露端安裝兩根桁架拉桿，并采用張拉器進(jìn)行預(yù)緊；桁架錨索施工間距為2 000 mm，如圖1所示。

圖1 21505 巷巷幫聯(lián)合支護(hù)

3.2 邁步式JW型鋼帶支護(hù)

（1）由于傳統(tǒng)護(hù)幫錨桿托盤(pán)為W 型鋼帶，鋼帶支護(hù)截面積小，當(dāng)圍巖應(yīng)力大出現(xiàn)巷幫鼓起時(shí)很容易造成巷道變形現(xiàn)象，所以決定對(duì)護(hù)幫錨桿安裝邁步式JW 型鋼帶。

（2）每根JW 型鋼帶長(zhǎng)度為1 500 mm，寬度為320 mm，鋼帶最大承載能力為855 kN，采用螺母進(jìn)行預(yù)緊；鋼帶安裝間距為1 000 mm，相鄰兩排鋼帶成邁步式布置，如圖1所示。

3.3 超前管棚注漿支護(hù)

為了防止應(yīng)力作用導(dǎo)致巷幫超前破壞現(xiàn)象，巷道掘進(jìn)前決定對(duì)采空區(qū)側(cè)巷幫施工超前管棚注漿支護(hù)。

（1）21505 巷掘進(jìn)至820 m 處時(shí)，對(duì)采空區(qū)側(cè)巷幫施工一排超前管棚支護(hù)孔，共計(jì)5 個(gè)支護(hù)孔（鉆孔編號(hào)為1#、2#、3#、4#、5#），鉆孔深度為5 000 mm，直徑為32 mm，鉆孔間距為600 mm，第一個(gè)鉆孔施工在距頂板400 mm 處，所有鉆孔施工在巷幫輪廓線上。

（2）1#鉆孔與頂板以20°仰角布置，2#、3#、4#鉆孔垂直巷幫布置，5#鉆孔與底板成20°俯角布置；其中1#、3#、5#鉆孔為注漿孔，2#、4#鉆孔為超前支護(hù)孔。

（3）鉆孔施工完后，對(duì)1#、3#、4#三個(gè)鉆孔依次安裝中空注漿鋼管，鋼管直徑為30 mm，長(zhǎng)度為5 000 mm，中孔直徑為15 mm，鋼管四周均勻布置三排注漿射孔，射管孔直徑為8 mm，射孔間距為500 mm；對(duì)2#、4#鉆孔安裝鋼針。

（4）對(duì)1#、3#、5#鉆孔安裝注漿軟管，并在中空管口處安裝直接塞，將注漿軟管與注漿泵連接進(jìn)行注漿施工，注漿液采用聚氨酯粘接劑，單孔注漿壓力為1.5 MPa。

3.4 應(yīng)用效果分析

2020年9月27日21505 巷已掘進(jìn)至870 m處且完全通過(guò)斷層及采空區(qū)應(yīng)力區(qū)，對(duì)21505 巷片幫煤柱采取聯(lián)合支護(hù)措施的區(qū)域，在810～860 m 段巷道兩幫每隔10 m 安裝1 臺(tái)位移監(jiān)測(cè)儀，通過(guò)15 d 現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)；

（1）巷幫未采取聯(lián)合支護(hù)措施前，在應(yīng)力作用下位于采空區(qū)側(cè)巷幫破碎嚴(yán)重，在0～8 d 范圍幫部變形嚴(yán)重，巷幫收縮量達(dá)310 mm，在8～12 d范圍內(nèi)應(yīng)力逐漸釋放，對(duì)巷幫破壞作用減小，巷幫收縮量為420 mm，在12 d 后巷幫趨于穩(wěn)定。

（2）巷幫采取聯(lián)合支護(hù)措施后，在0～6 d 范圍內(nèi)巷幫出現(xiàn)變形現(xiàn)象，最大收縮量為140 mm；在6～11 d 范圍內(nèi)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)對(duì)巷幫圍巖起到控制作用，巷幫收縮量逐漸減小，在第11 d 后趨于穩(wěn)定，幫部最大收縮量為190 mm。

采取措施前后巷幫收縮量變化曲線如圖2所示。

圖2 采取措施前后巷幫收縮量變化曲線

4 結(jié)語(yǔ)

1）與傳統(tǒng)的單錨桿支護(hù)相比，桁架錨索支護(hù)在錨注支護(hù)的同時(shí)可削弱圍巖內(nèi)部應(yīng)力剪切破壞作用，控制了圍巖松動(dòng)圈范圍擴(kuò)大，提高了應(yīng)力圍巖穩(wěn)定性，保證了錨桿（索）支護(hù)效果。

2）對(duì)巷幫施加邁步式JW 型鋼帶支護(hù)后，提高托盤(pán)支護(hù)強(qiáng)度及支護(hù)截面積，解決了傳統(tǒng)單錨桿支護(hù)時(shí)，受應(yīng)力作用錨桿聯(lián)鎖支護(hù)強(qiáng)度低、支護(hù)失效率高等技術(shù)難題。

3）通過(guò)對(duì)應(yīng)力區(qū)巷幫施工超前管棚注漿支護(hù)，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)巷幫煤體超前支護(hù)作用，降低了應(yīng)力作用導(dǎo)致巷幫超前破碎現(xiàn)象，同時(shí)利用注漿可對(duì)巷幫圍巖裂隙進(jìn)行粘接、填充，提高巷幫煤柱穩(wěn)定性。