大断面软岩巷道煤壁片帮机理及控制技术

张寅伟

（山西焦煤霍州煤电集团安全监察局，山西 霍州 031400）

大断面软岩巷道在掘进过程中受集中应力、支护设计以及围岩稳定情况等影响，巷道两帮易出现片帮现象。传统主要采用单一锚杆对巷帮进行维护，但是锚杆主要起到组合拱作用，当煤壁片帮破碎后，锚杆联合支护形成的组合拱结构稳定性差，对巷帮煤柱剪切应力达不到有效的抵抗作用。所以对于巷道片帮采取合理有效的支护作用，对巷道掘进效率、巷道成型率以及安全施工具有重要的意义[1-5]。

1 概述

山西焦煤霍州煤电集团辛置煤矿2131 巷位于井田二采区系统巷道北侧，西南侧为2-211 工作面。2131 巷设计长度为1010 m，设计宽度为4.5 m，高度为4.2 m。2131 巷开口位置位于2-2131 巷19#点前6 m 处，以6°上山掘进40 m，再以10°上山掘进250 m 见2#煤层，然后沿2#煤层掘进443 m，再以39°2′方位角掘进720 m 到达设计位置。2131巷掘进的2#煤层位于二叠系下统山西组，煤层稳定可采，结构复杂，含两层夹矸，其中第二层夹矸层位较稳定。2#煤层平均厚度为4.1 m，平均倾角为5°。2#煤层顶底板岩性见表1。

表1 2#煤层顶底板岩性汇总表

由于2131 巷从290 m 后沿2#煤层顶板掘进，2#煤层及巷道围岩稳定性差，巷道属大断面软岩掘进。在前290 m 段巷道围岩相对稳定，从290 m 后巷道进向左侧帮出现局部片帮现象，片帮位置位于顶板往下1.5 m 范围内。巷道掘进至350 m 时巷帮出现滑坡式片帮，最大片帮深度达1.4 m，片帮后顶板两侧空顶距达1.2 m，导致巷道成型效果差，巷帮支护难度大。

2 片帮机理分析

（1）支护不及时。2131 巷采用EBZ260 型掘进机，最大掘进深度为1.0 m，采用“两掘一支”施工工序，每班掘进量为4.0 m。巷道掘进后虽然对顶板进行及时支护，但是施工人员忽略了护帮支护重要性，巷道掘进期间护帮支护滞后严重，最大滞后距离达7.0 m，从而增加了两帮煤柱裂隙发育时间，导致巷帮煤柱片帮现象。

（2）围岩稳定性差。2131 巷掘进的2#煤层稳定性差，煤层内夹矸削弱了煤体力学稳定结构，而巷道掘进后巷帮与顶板之间的肩角煤柱对顶板形成稳定的承载梁结构具有重要作用。且该区域煤岩体受力最大，当该区域煤岩体结构不稳定或支护效果差时，巷道开挖后应力重新分配期间该区域煤岩体在剪切应力作用下，很容易出现片帮现象。

（3）地质构造影响。2131 巷在390 m 处预计揭露一条F25 断层，断层落差达2.7 m，倾角为48°，断层与巷道以37°斜交。随着巷道掘进与该断层距离缩短，断层处的构造应力沿巷道顶底板岩体向开挖空间释放。构造应力在释放过程中对围岩产生水平张拉破坏作用，致使围岩产生高密度裂隙，从而导致巷帮煤柱片帮现象。

（4）支护设计不合理。2131 巷巷帮煤柱主要采用单螺纹钢锚杆支护，支护长度为2.0 m，锚杆采用端头锚固方式。而巷帮煤柱出现裂隙发育后，在煤柱体内部存在围岩松动圈，随着裂隙不断扩张，松动圈范围不断扩大，从而形成应力卸压空间。而采用单一锚杆支护时锚杆锚固段位于松动圈内，锚固质量差，导致支护失效、煤壁片帮现象。

3 巷道片帮联合控制技术应用

为了达到有效控制片帮的目的，根据煤壁片帮机理决定从提高煤柱整体稳定性以及削弱煤柱剪应力两方面进行控制维护。

3.1 柔性-注浆加固技术

3.1.1 柔性-注浆加固原理

采掘工作面破碎煤岩体采用传统注浆加固时，虽然注浆液能够在岩体裂隙内进行渗透并进行粘接作用，对破碎岩体实现二次重组，但是传统注浆液凝固后形成的凝固体韧性及强度较低，注浆后的煤岩体在二次动压作用下会造成注浆凝固体断裂变形，导致注浆后的煤岩体再次出现破碎现象，达不到对失稳围岩的控制作用。

柔性-注浆加固技术主要对破碎煤岩体内安装柔性棕绳，然后再进行注浆施工。注浆材料凝固后即能对破碎煤体实现粘接作用，又实现了棕绳全长锚固作用。棕绳通过注浆材料可牢牢与煤体粘接在一起，同时柔性棕绳注浆后具有一定的伸长率和一定刚度，可以有效防止二次动压下煤岩体出现破碎现象，对破碎围岩具有较好的控制作用。

3.1.2 柔性-注浆施工工艺

（1）棕绳类型选择。2131 巷片帮煤壁安装的棕绳初步设计采用直径为17 mm、19 mm 和24 mm三种类型。对三种类型棕绳分别采用电液伺服拉力试验机拉拔试验发现，三种棕绳的平均抗拉强度为38.9 MPa、31.2 MPa、57.5 MPa，平均延展率为9.7%、8.1%和14.8%，由此可见直径为24 mm 的棕绳对在大应力围岩中具有很好的应用效果。所以对2131巷片帮煤壁决定采用直径为24 mm、长度为4.8 m的棕绳。

（2）施工工艺：① 首先采用手持式钻机对片帮煤壁施工一排棕绳安装孔，孔深4.5 m，直径为32 mm，钻孔施工在距顶板0.7 m 处，间距为3.0 m，钻孔垂直煤壁布置；② 钻孔施工完后对钻孔内安装棕绳以及注浆软管，然后采用膨胀水泥对孔口进行封孔处理；③ 棕绳安装后将注浆软管与注浆泵连接，并进行马丽散注浆施工，注浆完成后及时对巷帮安装护帮支护。

3.2 桁架梯形梁支护

传统桁架锚杆（索）支护虽然对围岩内部应力起到有效的减弱作用，但是对围岩变形控制效果相对较差，研究决定在原桁架支护的基础上进行优化，对2131 巷采用桁架梯形梁支护。

（1）支护结构。桁架梯形梁支护在原桁架锚杆（索）支护的基础上增加了一架聚氨酯柔性梯形梁。该支护主要包括2 根长度为2.5 m、直径22 mm左旋无纵筋螺纹钢，两根长度为1.3 m、直径18 mm桁架拉杆，一个长度为0.4 m 张拉器以及一架聚氨酯柔性梯形梁。梯形梁长度为1.5 m，宽度为0.4 m，由聚氨酯材料通过模具一次性浇筑而成。该梯形梁与传统钢材梯形梁相比具有较强的韧性，不易变形。

（2）支护工艺：① 片帮煤壁待柔性注浆完全凝固后，在易片帮区域施工两个斜角锚杆钻孔，钻孔深度为2.5 m，钻孔与片帮煤壁夹角为75°，每组钻孔间距为2.5 m；② 钻孔施工完后依次安装锚杆、桁架栏杆以及柔性梯形梁，并采用张拉器对梯形梁进行预紧，保证梯形梁与片帮煤壁接触严实，如图1；③ 片帮煤壁梯形梁支护间距为1.0 m，根据现场煤壁片帮情况适当调整支护高度。

图1 2131 巷片帮煤壁联合支护平面、断面示意图

4 应用效果

（1）2131 巷片帮煤壁采用柔性注浆加固技术后，棕绳在注浆液作用下形成全长锚固支护体，且纵向、横向延展率及载荷能力远大于普通锚杆（索），同时形成的柔性支护强度远大于煤岩体所受的剪应力，从而有效地防止煤壁片帮。

（2）2131 巷煤壁采用的桁架梯形梁支护具有支护效果好、抗应力强度高等优点，通过该支护可有效削弱围岩体内部应力，降低围岩变形、破碎几率，提高围岩整体稳定性。

（3）2131 巷煤壁采用联合支护技术后，巷道在后期掘进过程中片帮现象得到有效控制，最大片帮长度为0.7 m，片帮深度不足0.3 m，提高了巷帮煤柱整体稳定性，实现了巷道安全快速掘进。