大断面软岩巷道掘进煤帮片帮防治探究

王 力

（山西霍尔辛赫煤业有限责任公司 ，山西 长治 046600）

0 引 言

软岩巷道的实质就是巷道围岩工程强度较差，岩石内部裂隙发育，在受到工程扰动后，极易发生垮落失稳[1]。在我国煤炭开采过程中，软岩巷道围岩控制问题较为突出，尤其是在煤层巷道掘进过程中。煤层巷道在掘进过程中，在综掘机截割煤层后，巷道永久支护之前，由于煤层自稳能力差加之临时支护强度弱，在巷道煤壁受到掘进扰动的影响，极易发生片帮垮落，给一线掘进人员与掘进设备造成严重的安全隐患[2]。贾晓龙[3]针对煤巷在掘进过程中的片帮问题，采用FLAC3D数值模拟的方法，研究了巷道掘进过程中锚杆预紧力、锚杆强度对巷道表面位移、围岩塑性区分布影响，为防止煤壁片帮对某矿全煤巷道在掘进时的永久支护形式进行了设计，但未能提出有效的控制巷道在临时支护期间的煤壁片帮问题进行研究。郗泽松[4]针对某矿快速掘进煤巷中的煤壁片帮问题，从实践出发，提出了“短掘短支”的巷道掘进控制煤壁片帮的方法，但这一方法对矿井所配置的机械设备要求较高，所需成本加大，不太适宜全面推广。同时，由于矿井地质条件纷繁复杂，难以采用一准理论与方法一以贯之，必须针对某一煤层甚至某一顺槽进行具体分析，才能有效解决顺槽在掘进过程中的片帮问题。

1 工程概况

霍尔辛赫3308运输顺槽掘进工作面主要开掘3#煤，位于一水平三盘区采区名称，地面标高935～942m，底板标高 420～440m，地面主要村落均处于保护煤柱范围内，巷道上方各构筑物均都在保护煤柱线内，巷道掘进与工作面回采对其无影响。3308运输顺槽井下东侧为五条大巷；西、南侧未掘进；北侧为3301、3302回采工作面已经回采完，3307工作面目前正在回采。巷道预掘长度749.8m。3#煤层煤质为黑色，块状，细条带状结构，中下部夹薄层泥岩，岩性为炭质泥岩，煤层厚度为5.5～5.7m平均5.6m，煤层倾角2°～10°平均6°，煤层层理为中等发育，煤层节理为中等发育，巷道顶底板厚度与岩性见表1。3308运输顺槽掘进范围内无明显地质构造，无断层与陷落柱揭露，3308运输顺槽掘进范围内地质条件与水文地质情况简单。

3308运输顺槽沿3号煤层底板掘进，设计长度749.8m，巷道为矩形断面，净宽5.0m，毛宽5.2m，净高3.3m，毛高3.4m，净断面积16.5m2，掘进断面积17.68m2，顺槽断面较大，主要担负3308工作面主要设备运输与工作面煤流运输以及为输送工作面新鲜风流等任务。

表1 煤层顶底板情况表

2 煤岩力学性质实验室测定

图1 试件测定仪器及测定过程

为充分对3308运输顺槽围岩强度进行分析，在运输顺槽围岩稳定段钻取岩芯，在实验室加工成标准件后，进行岩石力学强度测定，见图1。3308运输顺槽围岩强度见表2。

表2 岩石物理、力学性质试验成果表

同时，采用SEM的方法，对煤层微观结构进行了观测，见图2。3#煤构造裂隙较为发育，裂隙面平直，延伸较长，可切入其它分层；变质气孔较为发育，但分布不均匀，单个气孔在形态上有圆形、椭圆形和不规则形态等，相互之间的连通性较差。煤层节理裂隙的发育，推测煤层强度较弱。

图2 3#煤层微观结构

3 巷道原有巷道临时支护及效果

3.1 巷道原有支护参数

巷道在综掘机截割后，在敲帮问顶确定顶板安全之后，立即铺顶网，并进行临时支护，具体参数为：前探梁采用长L=5.0m、外径3寸钢管制作，共2根（备用一根，壁厚6mm），前探梁表面无锈蚀、无裂痕，无变形；每根前探梁配有2套特制吊环（采用厚度5mm、宽度50mm、长度800mm的铁板弯制成边长200mm吊环，在吊环上焊接锚杆吊挂专用吊具），吊挂在顶板锚杆上；在每根前探梁前端增加一套L梁，L梁上焊接三组挂钩，用于安设工作面迎头护帮板。前探梁上放置1块护顶板和1块护帮板，护顶板规格：4500mm×200mm×40mm，护帮板规格：4500mm×200mm×40mm，如图3所示。

图3 原临时支护示意图

3.2 巷道原有支护效果

巷道在掘进时，由于对巷道帮部控制不足，盲目认为掘进工作面的临时支护重点为控制巷道顶板变形，对巷道全断面临时控制片面的转换为巷道顶板支护，共造成巷道帮部片帮3次，片帮素描图，见图4。

由这三次煤壁片帮形态可知，由于煤壁受到掘进扰动集中应力的影响，原生裂隙发育的煤体更为裂隙发育，在顶板载荷与自重应力的双重作用下，随即发生拉压破坏，最大破坏高度2.4m，最大破坏深度0.8m。

图4 煤壁片帮素描图

4 巷道优化支护形式及效果

4.1 巷道优化支护形式确定

针对3308运输顺槽掘进工作面两帮煤壁失稳破坏的问题，认为单纯的对掘进工作面顶板以及迎头面进行支护的措施，无法有效控制掘进工作面围岩稳定，故考虑通过设置掘进工作面临时支护煤壁护帮板，加大对两帮煤壁位移的控制，提供一定的支护强度，以保证煤壁的稳定性。优化临时支护措施为：前探梁采用长L=5.0m、外径3寸钢管制作，共7根（备用2根，壁厚6mm），前探梁表面无锈蚀、无裂痕，无变形；每根前探梁配有2套特制吊环（采用厚度5mm、宽度50mm、长度800mm的铁板弯制成边长200mm吊环，在吊环上焊接锚杆吊挂专用吊具），吊挂在顶板锚杆上；在每根前探梁前端增加一套L梁，用于安设工作面迎头护帮板。前探梁上放置1块护顶板和1块护帮板，在两排锚杆中间使用铰接环在掘进工作面平行方向上安置两根前探梁，在每根前探梁前端增加一套L梁，安设工作面两帮护帮板。护顶板规格：4500mm×200mm×40mm，护帮板规格：4500mm×200mm×40mm。

图5 优化临时支护示意图

4.2 支护效果检测

优化后的“巷道顶帮联合控制”的临时支护措施，对巷道迎头以及两帮裸露面进行了主动支护，提供了一定的支护强度，有效避免了运输顺槽在受到掘进扰动后的两帮片帮问题。为进一步观察“巷道顶帮联合控制”对顺槽围岩稳定性的影响，对掘进工作面两帮围岩进行了原位钻孔窥视，以观察顺槽掘进工作面在临时支护后的围岩稳定情况，见图6。

图6 优化临时支护两帮0～1m窥视图

在图6中，可以清晰看到，顺槽接近工作面临时支护段围岩基本保持稳定，围岩内部裂隙未见明显扩展，说明“巷道顶帮联合控制”的临时支护措施基本保障了顺槽围岩的稳定性，这种方法较原临时支护措施在成本与操作步骤上类似，但对围岩控制效果明显，相较于其他控制掘进工作面煤壁片帮的方法有着明显的成本优势，值得大范围推广。

5 结 论

本文依托霍尔辛赫3308运输顺槽掘进工作面临时支护失效导致多次煤帮片帮的事故发生的工程实际，进行了研究，得出了以下结论：

1）3308工作面运输顺槽围岩均为3#煤层，实验室测得煤层9.5MPa，结合SEM观测可以发现煤层节理裂隙的发育，综合确定3308运输顺槽围岩属于软岩范畴。

2）结合3308工作面运输顺槽掘进工作面临时支护段煤帮数次片帮实际，确定掘进工作面片帮主要诱因为在临时支护段未能对巷道煤帮提供有效支护强度。

3）提出“巷道顶帮联合控制”的掘进工作面临时支护原理，并进行了设计与应用。实践表明，该措施具有简单易操作、支护效果好、成本投入少等优点，可以大范围推广。