掘进巷道应力区煤壁片帮治理技术

张 楠

（山西潞安集团左权五里堠煤业有限公司，山西 晋中 032600）

1 概况

山西潞安集团左权五里堠煤业有限公司1102运输巷位于上组煤胶带下山北侧，工作面东部为1101 工作面，西部为实体煤，切眼北部50 m 外为同煤层CK4 采空区。1102 运输巷掘进煤层为石炭系3#煤层，煤层平均厚度为1.13 m，施工区域煤层倾角在-2°～ -6°范围，巷道断面为矩形断面，掘宽×掘高=4.5 m×2.6 m，巷道沿3#煤层底板进行掘进，巷道设计长度为495 m。1102 运输巷直接顶主要以炭质泥岩以及K8 砂岩混合岩层为主，平均厚度7.2 m，基本顶主要以砂质泥岩为主，平均厚度为11.2 m。

1102 运输巷采用EBZ260 型掘进机掘进，已掘进560 m，掘进至557 m 处巷道成型差，直墙处片帮严重，片帮深度达1.2 m，局部区域直墙与拱部交界处出现冒漏现象。传统锚杆支护效果差，无法满足巷道安全快速掘进需求。地测科提供资料显示，巷道掘进至580～610 m 段将揭露四条断层，断层均为逆断层，断层平均落差为1.2 m，平均倾角为42°。

2 运输巷片帮原因

（1）地质构造影响。1102 运输巷受断层群影响，巷道顶板整体稳定性降低，巷道在掘进过程中顶板裂隙发育，局部区域破碎、断裂，形成构造应力、掘进应力等集中应力卸压带，在卸压过程中对巷帮煤壁产生一个斜向下的剥离作用力，导致帮部煤壁片帮。

（2）支护强度不足。1102 运输巷巷帮采用长度为1.8 m、直径为20 mm 单锚杆支护。现场观察发现巷道两帮受集中应力作用后两帮煤柱内产生围岩松动圈，且在对拉应力作用下两帮产生移近现象，导致巷帮往里1.5 m 范围煤岩体成破碎状。采用单锚杆支护时，锚杆锚固端位于应力影响区，锚杆锚固效果差，而且锚杆安装后长期在对拉应力作用下削弱了锚杆预紧强度，巷帮锚杆失效现象严重。

（3）煤岩体稳定性差。1102 运输巷掘进煤层厚度为1.13 m，巷帮岩体为煤柱、泥岩、K8 砂岩混合层，在应力作用下煤体与岩体交界处产生卸压裂隙带，由于煤体的抗压强度相对较低，裂隙向煤体内部延伸发育，煤体破碎垮落，导致煤体上部岩体出现失稳，从而导致巷帮煤柱从底部向上部逐渐剥离片帮现象。

3 运输巷片帮治理

3.1 注浆加固

（1）通过对巷帮片帮、破碎煤体现场数据采集发现，巷帮内煤体破碎后裂隙带高度发育，且裂隙带宽度不足0.2 mm，裂隙延伸长度达3.0 m。采用传统的硅酸盐水泥进行注浆加固时，水泥粒径较大，无法对裂隙带充分填充、渗透，达不到预期注浆加固效果，所以决定采用高性能无机注浆材料作为注浆液。

（2）高性能无机注浆材料平均粒径5～12 μm，可渗入渗透系数为10～4 cm/s 的粉细砂岩中。该化学材料流动度高，在静止状态下扩展深度达1.6 m。该化学材料在外加剂（减水剂、早强剂各1%）作用下凝固时间为1.5 h。

（3）采用手持式钻机在每侧巷帮施工一排注浆钻孔，钻孔深度为2.5 m（大于松动圈范围），钻孔间距为3.0 m，钻孔施工在距巷道底板1.0 m 处，如图1。钻孔施工完后对钻孔进行注浆，注浆压力为1.5 MPa。

图1 1102 巷煤壁片帮治理技术施工平面示意图

3.2 迈步式桁架锚索支护

为了降低剪切应力对巷帮产生剪切破坏作用，提高巷帮支护质量，在巷帮处施工迈步式桁架锚索支护。

（1）每侧巷帮共计施工两排桁架锚索支护，第一排施工在距巷道顶板2.0 m 处，第二排施工在距顶板0.7 m 处，两排桁架支护呈迈步式布置。

（2）1102 运输巷施工的桁架锚索支护主要由两根恒阻锚索、一根桁架拉杆组成。恒阻锚索长度为3.5 m，直径为21.8 mm。桁架拉杆长度为2.0 m，主要由两根直径为30 mm、长度为0.8 m 圆杆、一根张拉器以及一块由6 mm钢筋焊接的钢筋网组成，钢筋网长度为1.2 m，宽度为0.5 m。

（3）首先在巷帮指定位置施工两个锚索钻孔，钻孔深度为3.2 m，两根锚索钻孔与巷帮成75°夹角对称布置。钻孔施工时根据现场巷帮收缩、片帮情况适当调整钻孔角度。

（4）锚索钻孔施工完后，对钻孔内锚注锚索，锚索外露长度为0.15 m。两根锚索施工完后，在其外露端安装桁架拉杆，并对拉杆圆杆进行对拉预紧，确保拉杆对锚索产生一个横向拉力。

3.3 安装矩形钢棚

为了进一步提高巷道顶板、巷帮整体稳定性，在断层群应力区处架设密集矩形钢棚，如图2。

（1）为了增加钢棚对顶板支护截面积，防止传统钢棚受力时对顶板产生切顶破坏作用，1102 运输巷安装矩形钢棚顶梁采用梯形双槽钢顶梁。槽钢长度为4.2 m，宽度为0.15 m，梯形顶梁宽度为0.5 m。为了防止钢棚受力后棚腿出现受力折断、变形现象，采用U29 型钢作为棚腿，棚腿长度为2.6 m，棚腿与顶梁之间采用卡缆进行固定。

（2）1102 运输巷掘进至570 m 处滞后工作面5 m（565 m 处）开始架设矩形钢棚，钢棚架设间距为1.0 m。钢棚架设时保证棚腿与巷帮预留间隙在0.2～0.3 m 范围内，并采用水泥背板进行填充。钢棚架设后保证顶梁与顶板接触严实，并在相邻两架钢棚棚腿之间安装一组防倒拉杆。

图2 1102 运输煤壁片帮联合治理技术施工断面示意图

4 结束语

（1）通过对巷帮煤柱采用高性能无机注浆材料进行加固，对巷帮煤柱围岩松动圈内破碎煤岩体进行了加固，控制了松动圈范围进一步扩大，提高了煤体抗压强度及韧性，提高了锚杆锚固效果。

（2）对巷帮施工桁架锚索支护，不仅增加了巷帮煤柱支护强度，而且通过桁架锚索支护作用对破碎煤体内产生垂直向里的被动作用力，该作用力可削弱煤体内部向外的对拉应力破坏作用，提高了巷帮煤柱成型率，降低了两帮移近量。

（3）对巷道应力区架设矩形钢棚，进一步提高了应力区围岩整体稳定性，减少了顶板垂直应力下两帮煤柱传递作用，提高了煤柱支撑强度，降低了剪切应力对煤柱破坏作用。

（4）现场观察发现，1102 运输巷巷帮片帮、破碎区采取联合控制技术后，巷帮片帮深度降低为0.3 m，片帮高度降低为0.5 m ，两帮移进量降低为0.42 m，保证了巷道安全快速掘进。