松软破碎围岩巷道支护及快速掘进研究

王宁

（阳煤集团 平定裕泰煤业有限公司，山西 平定 045200）

1 工程背景

裕泰矿主采15#煤层，15#煤层厚4.20～7.89 m，平均5.82 m，平均倾角为2°～5°，二水平轨道大巷长度为1400 m，顶板为黑色泥岩，有时含粉砂岩或变为砂质泥岩，底板为粉砂质泥岩或泥岩。煤层结构较简单，一般含l～2层夹矸，单层夹矸厚度为0～0.4 m。二水平轨道大巷采用直墙弧形拱巷道断面，巷道断面尺寸（宽×高）为4500mm×3850mm，直墙段高1800mm，采用U25型钢架棚支护，棚距800mm，混凝土喷浆层厚度为100mm。

二水平轨道大巷在掘进施工过程中易发生顶板事故，综掘机割岩后空顶区域易冒顶，最大冒落高度可达到5 m左右，在架棚前及巷道施工后均有冒顶事故发生，巷道两帮围岩收敛变形期较长，掘巷完成后25天仍在缓慢变形。

2 二水平轨道大巷围岩破坏失稳原因分析

巷道采用U型钢支护，受到围岩地质条件及施工技术水平影响，造成v型钢支架受力不均匀，最终导致U型钢破坏变形，具体原因有[1-3]：

（1）岩石松软破碎，且遇水膨胀。二水平轨道大巷顶板主要为松软破碎泥岩，吸水后容易膨胀变形，遇水后强度降低40%左右，体积膨胀超过60%，容易发生崩解现象，失去承载能力。而岩石的膨胀变形对U型钢产生变形压力，U型钢受到偏心载荷的作用后，会发生变形破坏，导致柱腿向巷道内移动。

（2）受到支护结构和掘进施工工艺的影响。U型钢支架与巷道周边围岩有间隙存在，二者无法有效接触并作用，导致支架的承载时间推迟，而围岩变形又会对支架产生偏心载荷，U型钢支架会向巷道内偏出。

3 二水平轨道大巷巷道支护方案优化设计

基于二水平轨道大巷围岩变形原因分析可知，防止支护结构变形破坏需要解决以下几个问题：① 改善围岩物理力学性质，需要采取措施提高其内聚力及内摩擦角，提高其自承能力，在较小支护强度下亦能保持围岩的稳定性；② 控制水源，通过采取降排水措施，减少水对泥质巷道的软化作用，以提高围岩的承载能力；③ 对U型钢支架与围岩间空间进行充填，使支架与围岩紧密接触[4-5]。

3.1 超前支护方案设计

超前支护采用管棚法，将钢管沿着巷道轮廓线布置的钻孔插入，管棚的一端固定在支护体上，另一端固定在未开挖的岩体上，管棚主要支承空顶区域上覆岩层载荷。由于管棚结构的相互搭接，形成整体支护结构，可保证巷道掘进施工的安全，若发生冒顶等事故，则塌落的岩石也是落在管棚上部，可起到有效的缓冲保护作用。二水平轨道大巷，顶板淋水严重，采用管棚支护，除能起到正常支护作用外，还能起到超前探测作用，对于水量较大的地质构造段，管棚可以起到疏水导流的作用。管棚支护的主要参数包括管棚尺寸和位置的选择。

（1）管棚尺寸参数设计：

① 管棚长度：可通过经验公式确定

式中：L为管棚长度，m；Φ为岩层的内摩擦角，°；H为围岩垮落高度

根据二水平轨道大巷围岩性质，取H=2.51 m，Φ=26°，带入公式（1）计算可得L=5.6 m。在确定管棚长度时，若围岩岩性较差可适当增加管棚长度，若围岩岩性较好则可减小管棚长度，结合二水平轨道大巷地质条件综合考虑管棚长度取L=6 m。

② 钢管规格：为了便于管棚现场安装，采用分节制作及安装的方法，选用直径为50mm，壁厚为5mm，每节长度为3000mm的无缝钢管，将钢管管端削尖以便于插入围岩，前后两根钢管的搭接部分采用丝扣连接，丝扣长度不低于100mm，钢管见图1。

图1 钢管

（2）管棚位置参数设计

① 开孔位置：开孔位置应尽量靠近巷道轮廓线，若管棚直径较小，则钻孔中心与巷道开挖轮廓线法向距离取300mm为宜。

② 环向间距：管棚之间的距离受到巷道围岩稳定性及施工精度要求等影响。通常来说，管棚直径在32～50mm以内为小管棚，管棚间距离通常取300～400mm，根据二水平轨道大巷围岩性质，取管棚间距为300mm，管棚支护断面见图2。

图2 管棚支护断面

③ 倾角：在进行钻孔作业时，钻头由于受重力作用会向下垂，为了防止钻孔侵入巷道内，需沿着轮廓线外一定角度进行钻孔施工，以抵消钻头下垂的影响，一般来说仰角按1°～5°选取，具体角度根据管棚长度来确定。角度设计过小，则可能导致管棚进入巷道轮廓线内，影响后期的正常施工；角度设计过大，则可能导致管棚离巷道轮廓线过远，无法控制管棚下部岩体坍塌，给后期的开挖支护带来困难。长度较短管棚角度按5°～15°选取，中等长度管棚角度按2°～8°选取，长度较长管棚角度按1°～3°选取，本次超前支护选取管棚长度为6 m，综合考虑确定管棚长度为5°。

④ 搭接长度：二水平轨道大巷U型棚排距为800mm，为使前后两根钢管搭接长度按1200mm选取，钢管搭接见图3。

图3 管棚搭接

3.2 注浆加固方案设计

注浆加固可将围岩内部裂隙密闭，提高围岩强度，同时将涌水通道封堵，防止岩石受水的侵蚀而软化使强度降低。通过注浆和喷浆的组合作用，可将U型棚和巷道围岩紧密贴合，改善U型棚和巷道围岩的整体受力情况。采用水泥水玻璃双液注浆，针对巷道围岩条件及实验室试验，确定水泥浆液水灰比为1∶1，水泥与水玻璃的体积比为1∶0.04，在该配比条件下，胶结体达到的强度最大。注浆管直径为60mm，长度为1500mm，间排距按1600mm×1600mm选取，选用2ZBQ50/19型矿用气动注浆泵，注浆压力控制在2～2.5 MPa，注浆孔布置断面见图4。

图4 注浆孔布置断面

3.3 喷浆加固设计

针对二水平轨道大巷围岩特点，采用及时初喷、滞后复喷的方式。掘巷后首先进行初喷工作，初喷可起到防止淋水侵入及悬露岩石掉落的作用，初喷工作量小；在掘进机后方进行复喷，与注浆作业错开一定距离平行施工，初喷厚度为50mm，复喷厚度为100mm，在复喷前用高压水冲洗初喷面。

4 快速掘进技术研究

二水平轨道大巷采用全断面一次成巷方法，选用EBZ200型掘进机，配合皮带运输，U型棚支护后进行喷浆，然而由于施工组织管理不善、地质条件差及设备性能等问题，施工中出现冒顶频繁，处理时间长；掘进机陷入底板，移动困难；不能实现多工序平行作业等问题，最终导致巷道掘进速度低下，日平均进尺仅为1.65 m。

（1）悬臂式掘进机岩巷机械化作业优化技术研究

① 掘进机截割方式优化设计

掘进机截割方式的好坏对掘进机工作效率、成巷质量及施工速度具有重要的影响，在掘进过程中要根据不同围岩情况选择合理的截割方式，当岩石硬度较小时，先用截割头在左下角掏槽后，向上按S型进行切割；当岩石硬度不同时，先在较软位置进行掏槽，然后再进行全断面截割；当岩石较硬时，根据岩石硬度及节理裂隙发育情况综合确定钻进深度，再逐步扩大到全断面。

② 巷道底板软弱导致掘进机行走困难

当底板较软时，可通过在履带下垫木板来加强其行走能力，若底板积水较多，先进行上部截割，待截割下来的物料与水混合后再进行下部的截割；在积水较多区域可隔一段区域建立蓄水池，来收集巷道上部流下的泥水，并通过泥浆泵进行排水。

（2）施工组织与管理优化设计

在原施工方案基础上，对二水平轨道大巷工序网络进行优化设计，每个掘进班在一个班内进行两轮截割，架两架U型棚，注浆作业紧跟掘进机后方，与支护作业平行进行；原施工方案中人工挖柱窝占用了大量的时间，因此改为掘进机开挖。

5 矿压观测分析

二水平轨道大巷施工后对巷道围岩变形进行30天的矿压观测，绘制图5中巷道围岩变形曲线。巷道在开掘1～10天内变形较大，此后变形较缓，20天左右达到收敛，实测围岩顶板最大下沉量为141mm，顶底板最大移近量为190mm，顶板下沉占顶底围岩变形量的75%，两帮最大移近量为136mm。

图5 巷道围岩变形曲线

6 结语

1）针对二水平轨道大巷掘进速度慢，通过采取管棚超前支护和注浆加固，对软弱顶板进行了有效控制，通过对掘进机截割方式及施工组织优化设计，提高了巷道掘进速度。

2）通过矿压观测，采用上述措施，巷道围岩变形处于可控范围，满足巷道生产需要，30天内累计施工长度101.8 m，日均掘进进尺3.4 m，掘进速度较之前大幅提升，实现了快速掘进。

〔1〕赵大维.煤矿巷道支护的难题及对策[J/OL].机电工程技术，2017（10）：144-146

〔2〕张 熙.煤巷快速掘进系统的发展趋势与关键技术[J].城市建设理论研究(电子版)，2017（29）：183.

〔3〕彭 鹏.我国煤矿岩巷快速掘进技术现状及展望[J].化工管理，2017（27）：153.

〔4〕李国富，李 珠，李玉辉，等.泥质类膨胀软岩巷道注浆强化防水控制研究[J].太原理工大学学报，2009,40（2）：148-151.

〔5〕许兴亮，张 农，毕善军.裂隙水致泥化软岩巷道综合控制工程实践[J].煤炭科技，2007（2）：65-68.