特厚煤层综放工作面大断面巷道快速掘进支护技术探讨

摘要：本文以山西省宁武煤田岚县矿区31111综采工作面为研究对象，探讨特厚煤层综放工作面大断面巷道快速掘进支护技术，分析了巷道围岩非对称、分区性、持续性变形特点及掘进支护难点，通过围岩力学分析，确定了围岩结构、强度及地应力特征，提出了配套掘进设备与注浆支护方案，以期能为类似工程提供参考。

关键词：特厚煤层；断面巷道；掘进支护

1工程概况

山西省宁武煤田东南部岚县矿区井田地质构造以波状起伏为主，局部存在小型褶皱及正断层（如F1、F2、F3、F4等），但规模较小且分布零散，整体构造较为简单，见采掘平面图1。31111综采工作面处于+435～+500米标高范围内，沿走向长达900米，倾向长度在70～90米之间，主要依靠K11、K12两层煤层布置。K11煤层结构较为单一，仅有1～3层薄夹矸，总厚度大约在1.25～1.88米。K12煤层则比较复杂，多含1～2层薄夹矸，总厚度大约为1.45～1.75米。该工作面采取K11、K12合层开采模式，平均采高达3.6米，煤层倾角接近60°。具体顶底板参数如表1所示。

图1 采掘平面图

1.1巷道位置和围岩特征

表1 煤矿岩层参数

1.2大断面煤巷围岩变形特点

1.2.1非对称性

工作面滞后约20米时，煤柱底角区域易出现片帮现象，其变形主要集中在距离底板0.5-0.8米的范围内，最大片帮深度大于200毫米，受侧向支承压力影响，底板岩层在煤柱水平推力作用下先产生拉应力变形，随着煤柱应力集中加剧，顶板应力通过煤柱和回采帮传递到底板，致使底板岩层产生非对称塑性滑移，回采帮底板台阶错动、裂缝发育等。

1.2.2分区性

超前工作面巷道距离煤壁30米以内时，最初只是肩窝处存在轻微的挤压变形，进入滞后阶段之后，由于受到采空区侧向压力的影响，在断面两侧形成了明显的应力集中区域，并且出现了内挤变形的现象，滞后距离不断增长的时候，底板的变形状况开始变得越来越严重，硬化层出现了断裂滑移以及隆起之类的破坏情况，约95%的总变形量都可以追溯到底板隆起造成的形变效应上。

1.2.3持续性

在距离围岩4米范围之内，围岩变形现象开始显现，变形量比较小，当滞后43.5米的时候，顶底板位移达到最大值，数值为16毫米/天，在滞后167.8米以及373米之处又再次出现变形速率阶段性的峰值，主要是由于顶板岩层分带性活动所造成的压力叠加效应，一直滞后到400米以后，煤柱侧向支承压力仍然持续作用，使得整体变形趋势并未得到明显收敛。

1.3大断面巷道掘进与支护难点

1.3.1 巷道围岩破坏具有强不确定性

特厚煤层大断面煤巷中，两帮与顶板呈现出连续的煤体结构，层理特征明显，裂隙发育，力学性能大幅下降[1]。该类巷道容易发生突发性冒顶或片帮事故，其时空分布、破坏形态、影响范围及危害程度具有很高的随机性和不确定性。

1.3.2围岩变形破坏严重

巷道顶板容易产生较大的离层，造成严重的顶板下沉，其主要特点是在支承压力作用下产生变形甚至折断；巷道两帮容易产生局部或大面积帮部鼓出、片帮等灾害[2]。

2巷道围岩力学分析

2.1围岩内部结构窥视

采用YSS30型矿用钻孔窥视仪对31111综采工作面巷道围岩进行结构探测，沿巷道两帮及顶板布置8个窥视钻孔（编号K1-K8），孔深8m，每0.5m记录一次高清图像数据。测试范围覆盖K11、K12合层煤层及顶底板关键岩层，重点观测裂隙发育特征、层理分布及夹矸赋存状态。

2.1.1煤层结构

K11煤层内可见1-3层灰黑色泥岩夹矸，厚度20-50mm，呈断续分布；K12煤层夹矸为炭质泥岩，单层厚度最大达80mm，层理面与煤层倾向一致，倾角58-62°，与煤层平均倾角基本吻合。

2.1.2裂隙特征

煤体中发育两类裂隙，一类为顺层裂隙，平行于夹矸层面，密度6-8条/m，张开度0.2-1.5mm；另一类为切层裂隙，密度3-5条/m，多分布于煤柱帮，张开度1.0-3.0mm。

2.1.3顶底板完整性

直接顶砂质泥岩裂隙密度2-3条/m，以竖向裂隙为主；直接底细粉砂岩完整性较好，仅在深度5-6m处出现少量横向裂隙。

2.1.4完整性评价

采用岩体完整性系数（Kᵥ）量化评价：

2.2 围岩强度测试

2.2.1 室内试验

选取巷道揭露的新鲜岩样（煤样、砂质泥岩、细粉砂岩），制成 φ50mm×100mm 标准试件，采用 WDW-1000 万能试验机进行单轴抗压试验，每组试件 6 个，试验结果如表2所示。

表2  围岩强度测试结果

2.2.2 现场点荷载试验

对煤柱帮破碎区域进行现场点荷载测试，采用 YDT-2 型点荷载仪，共测试 15 个点，按公式换算单轴抗压强度：

2.3 巷道围岩地应力测试

2.3.1 测试结果

垂直应力σᵥ：10.5-12.8MPa

最大水平主应力σ₁：18.6-20.5MPa，方向 N30°E

最小水平主应力σ₂：9.2-10.8MPa，方向 N60°W

应力比值：水平应力与垂直应力比值 λ=1.6-1.8，显示构造应力占主导。

2.3.2 应力场特征

煤体破坏临界应力为：代入得临界应力差为 21.5MPa，当前最大水平主应力已接近临界值，需通过注浆加固提高煤体强度。

3大断面巷道掘进与支护

3.1大断面巷道掘进配套设备

EBZ260型掘进机、SZZ800/200转载机、PCM160破碎机、DSJ100/63/2×160带式输送机，及液压注浆泵、气动搅拌桶等注浆设备。

3.2施工顺序

注浆作业前，检查封孔材料、注浆料等是否到位，将泵、注浆管等工具运至现场，连接风、水、电路并试泵[3]。装好注浆管后用棉纱封孔。从断层中间向两端注浆，钻孔间距3米：先按6米间距以3-4孔为循环注浆（主），再在孔间追加注浆（辅）。加压时若漏浆，间歇1-2min注浆，待裂隙浆液固化后再加压[4]。

3.3支护材料参数设计

3.3.1支护材料

（1）注浆管：注浆软管（PVC材质，直径60mm）。

（2）注浆材料及配比设计：选用矿用无机加固双组分速凝剂KWJG-4，水灰比为0.35:1，A、B组分质量比必须控制在1:1。

（3）注浆压力：不低于6MPa。

（4）注浆顺序：先侧后顶，自下而上。

（5）注浆系统设计，液压驱动注浆泵（型号：ZBYSB80/28，额定功率18.5千瓦）1台，气动搅拌（型号：QB260）1台。

3.3.2浆液扩散半径

根据多孔介质理论，浆液在破碎岩石中的扩散半径可以由下式计算得到：

4结论

综上所述，31111 工作面大断面巷道围岩完整性差、强度低，受构造应力主导，变形具有非对称、分区及持续特征。采用 EBZ260 掘进机等配套设备，结合“先主后辅”注浆工艺，主孔距 6m、辅孔距 3m，压力不低于 6MPa，可有效控制围岩变形，该支护技术能适应特厚煤层大断面巷道复杂条件，保障快速掘进，为同类巷道支护提供实践依据。

参考文献：

[1] 申志勇.特厚软煤层快速掘进工艺研究[J].煤, 2025, 34(1):49-52.

[2] 孙孟.焦家寨"三软"特厚煤层锚网支护快速掘进技术研究[D].中国矿业大学,2023.

[3] 陈祥祺,李化敏,王伸,等.特厚煤层综放工作面变宽煤柱段巷道掘进期间围岩矿压显现特征分析[J].河南理工大学学报：自然科学版, 2020, 39(2):7.

[4] 史沁彬.矩形大断面煤巷超前循环护架设计研究[J].煤, 2024, 33(11):49-52.

作者简介：潘嘉晨 1995.06.17 男 山西沁水 汉 本科 助理工程师 山西煤炭进出口集团科技发展有限公司 研究方向：采矿