小煤柱巷道圍巖支護技術應用

辛飛龍

（大同煤礦集團雁崖煤業公司，山西 大同 037003）

1 概況

大同煤礦集團雁崖煤業公司為了提高工作面煤柱回采率，決定在8312工作面采用小煤柱回采工藝，即8312工作面與8311工作面（已回采440m）之間預留6.0m小煤柱。

三盤區2312巷位于井田西翼，巷道東部為盤區大巷，南部為2311巷，西部為井田邊界，北部為實煤區。2312巷設計長度為1200m，巷道斷面為寬×高=4.5×3.5m。2312巷布置在4#煤層，平均厚度為3.5m，直接頂以炭質泥巖為主，平均厚度為3.2m，基本頂以砂質泥巖為主，平均厚度為7.5m。頂板及巷幫采用錨桿、錨索、金屬網聯合支護，錨桿間距為0.9m，排距為1.0m；頂板錨索采用長度為5.0m、直徑為17.8mm預應力鋼絞線，每排施工3根，錨索間距為1.8m，排距為3.0m。巷幫采用單錨桿支護，每排布置3根，錨桿間排距為1.0m。

2 小煤柱巷道施工技術難題

（1）應力大。由于2312巷與2311巷之間預留煤柱寬度為6.0m，2311巷掘進后圍巖應力向2312巷圍巖傳遞，當2312巷在掘進時受施工巷道開挖應力及2311巷殘余應力疊加影響，導致巷道頂板壓力大，特別是位于小煤柱側頂板應力最大，出現局部破碎現象。

（2）煤體支撐力低。由于2312巷預留煤柱寬度為6.0m，煤柱體膠結穩定性差，易破碎，隨著巷道開掘，小煤柱受壓加大，巷道兩側煤柱支撐應力差，導致小煤柱側頂板下沉現象嚴重。

（3）煤柱破壞嚴重。受頂板應力作用，小煤柱煤體內出現嚴重卸壓破壞現象。通過鉆孔探測發現，卸壓破壞區主要集中在頂板往下1.5m范圍內，卸壓區內煤體處于破碎狀態。隨著時間推移，卸壓破壞范圍進一步擴大，導致小煤柱預留難度加大。

（4）支護效果差。由于2312巷掘進期間小煤柱破壞嚴重，初步支護設計巷幫采用單錨桿支護時，錨桿錨固段位于小煤柱煤體松動圈內，導致錨桿錨固效果差，錨桿失效現象嚴重，失效率達24%，無法滿足巷幫支護要求。

3 小煤柱巷道圍巖控制措施

為了提高小煤柱穩定性，保證2312巷安全快速掘進，決定對2312巷與2311巷之間小煤柱采取“注漿+穿幫錨索桁架支護+架設T型工字鋼棚”聯合支護措施。

3.1 注漿支護

（1）通過對圍巖觀察發現，2312巷小煤柱出現壓垮型破壞主要位于距頂1.5m范圍內，所以決定在小煤柱施工兩排邁步式注漿斜孔。第一排施工在距頂0.5m處，第二排施工在距頂1.0m處，兩排鉆孔深度為5.0m，仰角為10°，鉆孔直徑為45mm，鉆孔間距為3.0m。為了提高注漿加固范圍，兩排鉆孔采用邁步式布置。

（2）巷道每掘進3.0m進行一次注漿。為了加快注漿凝固時間以及填充效果，決定采用聚氨酯粘合劑作為注漿材料，采用型號為ZBQ50/6型氣動注漿泵進行注漿施工，注漿壓力控制為1.2MPa，單孔注漿時間為15min。

（3）注漿完成后及時進行封堵，注漿3h后巷道方可繼續掘進，在掘進前通過施工窺視孔對煤體注漿效果進行檢查，發現相鄰兩孔注漿液未出現串聯現象，需補孔進行二次注漿。

3.2 穿幫錨索桁架支護

由于受頂板應力作用，造成小煤柱出現拉伸破壞，傳統的錨桿支護受煤體擠壓作用出現斷裂、螺母扭曲等現象，降低了支護作用，決定采用穿幫錨索桁架支護對小煤柱巷幫進行維護。

（1）2312巷小煤柱采用的穿幫錨索桁架支護主要由兩根長度為7.0m、直徑為21.6mm恒阻錨索，一根長度為1.8m、寬度為0.38m“JW”型鋼帶，兩根長度為1.0m、直徑為20mm圓鋼，一個雙向張拉器，以及兩塊鋼托板等部分組成。

（2）首先在2312巷側小煤柱巷幫施工一組穿幫鉆孔，鉆孔直徑為30mm。第一個鉆孔施工在距頂板0.8m處，鉆孔與巷幫煤柱成7°仰角布置；第二個鉆孔施工在距頂板2.6m處，鉆孔與巷幫煤柱成7°俯角布置。

（3）鉆孔施工完后鉆孔內穿入錨索，然后在2311巷側錨索外露端安裝鋼托板并采用鎖具固定，在2312巷側錨索外露端安裝“JW”型鋼帶，兩邊錨索外露長度控制在0.3m范圍內。

（4）“JW”型鋼帶安裝后，在兩根錨索外露端分別安裝兩根圓鋼，同樣采用鎖具固定，采用雙向張拉器對兩根圓鋼進行張拉，使恒阻錨索產生一個張拉預緊力，桁架支護排距為1.5m，如圖1所示。

圖1 2312巷小煤柱圍巖聯合支護斷面示意圖

3.3 架設“T”型鋼棚

為了防止小煤柱側頂板與幫部之間的肩角煤柱垮落，決定對2312巷位于小煤柱側架設“T”型鋼棚。

（1）2312巷架設的“T”型工字鋼棚主要由頂梁、棚腿、底座、固定錨索等部分組成。頂梁長度為1.5m，在距頂梁兩端0.5m處各焊制兩個孔徑為30mm圓孔；棚腿長度為3.5m，棚腿與頂梁采用卡纜進行固定。

（2）首先架設“T”型棚底座，底座必須安裝在堅硬底板上，必要時對底板進行起底、澆筑施工。底座安裝后采用螺母將底座與棚腿固定，棚腿與底座固定后不得傾斜。

（3）棚腿安裝后采用卡纜將頂梁與棚腿固定，頂梁必須與頂板接觸嚴實。為了鋼棚起到主動支護作用，頂梁安裝后采用兩根長度為5.0m、直徑為17.8mm預應力錨索將其與頂板預緊固定，鋼棚間距為1.5m，如圖2所示。

圖2 2312巷小煤柱圍巖聯合支護平面示意圖

4 效果

對小煤柱采取“注漿+穿幫錨索桁架支護+架設T型工字鋼棚”等聯合支護措施后，通過6個月應用效果分析發現：

（1）注漿后，提高了小煤柱破碎煤體膠結穩定性，煤體單軸抗壓強度提高至57MPa，有效防止了因頂板應力作用造成小煤柱發生剝離破壞，提高了煤柱支撐作用力，在巷道后期掘進過程中未發生片幫、煤柱變形現象。

（2）利用穿幫錨索桁架支護，不僅提高了小煤柱支護作用，而且通過桁架作用，削弱了在應力作用下小煤柱內產生的水平拉伸破壞，減小了小煤柱內圍巖松動圈范圍，提高了煤柱錨桿支護效果。通過觀察發現，采取桁架支護后，煤柱護板支護失效率降低至3%以下。

（3）通過在小煤柱側巷道頂板架設T型工字鋼棚，減小了頂板應力對小煤柱破壞作用，在后期巷道掘進中，巷道兩幫處頂板水平高差由原來的0.5m減小至0.2m以內，保證了巷道施工安全。