大斷面切巷不穩定圍巖聯合支護技術應用

趙亞新

（大同煤礦集團忻州窯礦，山西 大同 037001）

1 概述

大同煤礦集團忻州窯礦8507 工作面位于井田東盤區，工作面東部為14-3#層東二盤區5307 廢巷，南部為14-3#層東二盤區8307 工作面，西部為14-3#層東三盤區8509 工作面，北部為14-3#層東三盤區集中回風、軌道、皮帶大巷。

8507 工作面可采長度為543m，切巷長度為150m，回采煤層平均厚度為3.27m。煤層結構簡單，煤層傾角為1～5°，平均3°。工作面中部高，兩邊低，大致呈背斜構造。工作面煤層走向為北東、南東，傾向為北西、南西。工作面頂板存在偽頂，主要以炭質泥巖為主，平均厚度為0.7m；直接頂主要以煤、泥巖、砂巖混合巖層為主，平均厚度為2.1m；基本頂主要以粗砂巖為主，平均厚度為11.7m。

8507 切巷設計斷面規格為寬× 高=7.0×3.3m，切巷采用掘進機與松動爆破聯合施工工藝，即掘進機一次性成巷，巷道斷面規格為寬×高=4.5×3.5m，松動爆破擴幫施工，擴幫斷面規格為寬×高=2.5×3.5m。由于巷道施工斷面規格大，切巷掘進完成后預計2.5 個月后方可進行工作面設備安裝，為了防止頂板應力集中導致圍巖變形、破碎現象，決定對切巷頂板采取水力造穴卸壓技術以及對圍巖采取聯合支護技術。

2 水力造穴卸壓技術

2.1 技術原理

不穩定軟巖或煤體在應力作用下，煤巖體內部產生裂隙，使得應力在裂隙區內進行卸壓作用，從而加劇了煤巖體破壞程度。水力造穴卸壓技術主要通過專用設備在煤巖體內指定位置施工造穴鉆孔，但未破壞煤巖體結構穩定性，從而人工形成應力卸壓區。煤巖體在應力作用下，造穴鉆孔四周煤巖體發生膨脹變形現象，并向造穴鉆孔內進行位移，從而實現卸壓目的，大大削弱了集中應力對煤巖體破壞作用。

2.2 造穴鉆孔位置確定

對8507 切巷應力區頂板施工三個深度為8.0m窺視鉆孔，對孔壁成像觀察發現，在鉆孔0～3.0m范圍孔壁巖體破碎相對嚴重，在該范圍內形成圍巖松動圈；在3.0～5.0m 范圍內孔壁成型相對較好，但局部區域裂隙發育；在5.0～8.0m 范圍內鉆孔孔壁成型完好。由于8507 切巷直接頂主要以混合巖層為主，極易破碎，為了不破壞原頂板巖體穩定性，同時達到卸壓目的，決定將造穴鉆孔施工在頂板往上4.0～5.0m 范圍內。

2.3 造穴鉆孔施工工藝

（1）通過對切巷頂板觀察發現，巷道頂板應力區成條帶式布置，主要集中在巷道頂板中部，巷道中部下沉現象嚴重，所以決定在切巷中線處頂板依次布置造穴鉆孔。

（2）首先采用TMZX-18 型礦用鉆機、中空鉆桿以及合金鉆頭對切巷頂板施工普通鉆孔。鉆孔深度為5.0m，鉆孔直徑為90mm，鉆孔向采空區方向以75°夾角布置。

（3）普通鉆孔施工到位后對鉆機更換旋轉式鉆頭進行水力造穴施工。造穴時從鉆孔底部向孔口方向施工，造穴長度為0.8m，造穴寬度為0.4m，造穴后及時清理鉆孔內煤屑。

（4）8507 切巷造穴鉆孔間距為10m，鉆孔施工完后對鉆孔孔口處采用膨脹水泥進行封堵，封堵長度不得低于0.5m，并在鉆孔口處安裝有害氣體監測儀，每班檢測、記錄孔口處氣體濃度，若濃度超限時必須及時處理。

3 切巷圍巖聯合支護措施

3.1 頂板支護措施

為了進一步提高頂板穩定性，防止頂板卸壓期間出現下沉、破碎現象，決定對8507 切巷頂板采取“交錯疊加式JW 型鋼帶+走向錨索吊棚+架設‘井’字型木垛”聯合支護措施

3.1.1 交錯疊加式JW 型鋼帶施工

（1）由于8507 切巷施工寬度為7.0m，巷道每掘進1.0m 后頂板需施工兩根長短“JW”型鋼帶。其中長鋼帶長度為4.0m，寬度為0.28m，每根鋼帶上均勻布置5 個支護孔，孔間距為0.9m；短鋼帶長度為3.0m，寬度為0.28m，每根鋼帶上均勻布置4個支護孔，孔間距為0.9m。

（2）切巷全斷面施工完后依次對頂板施工兩根“JW”型鋼帶，兩根鋼帶收尾錨桿疊加布置，鋼帶上配套長度為2.5m、直徑為22mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。如圖1 所示。

（3）為了防止兩根鋼帶接頭對頂板產生切頂破壞，相鄰兩排鋼帶中長短鋼帶邁步式布置。鋼帶施工間距為1.2m。

3.1.2 走向錨索吊棚施工

（1）為了代替傳統頂板單錨索支護，8507 切巷頂板施工走向錨索吊棚。每架錨索吊棚長度為3.0m，棚梁采用長度為3.0m、寬度為0.18m 槽鋼，槽鋼上焊制兩個圓孔，孔間距為2.4m。錨索采用長度為5.5m、直徑為17.8mm 鋼絞線。

（2）錨索吊棚與巷道走向平行布置，且采用“三.二.三”布置方式，即第一排布置三架錨索吊棚，棚間距為2.5m，吊棚距巷幫間距為1.0m，吊棚錨索施工在相鄰兩排鋼帶之間，錨索排距為2.4m。

（3）第一排錨索吊棚施工完后施工第二排錨索吊棚，第二排錨索吊棚共計施工兩架，錨索吊棚間距為2.5m，兩架吊棚距幫間距為2.25m。第三排錨索吊棚與第一排工藝相同，相鄰兩排錨索吊棚排距為1.2m。

3.1.3 架設“井”字型木垛

（1）為了進一步提高切巷頂板穩定性，切巷施工完后在巷道內架設兩排“井”字型木垛。木垛排距為4.0m，間距為5.0m。

（2）木垛主要由長度為1.2m、寬度為0.3m 道木架設而成。在架設道木時上下兩排木垛成“井”型布置，直至木垛與頂板接觸嚴實。架設木垛時必須保證垂直頂板，且同一排木垛在一條直線上。

圖1 8507 切巷圍巖支護斷面示意圖

3.2 巷幫支護措施

（1）為了便于后期工作面回采，對切巷兩幫采用玻璃鋼錨桿、聚氨酯塑料網進行聯合支護。玻璃鋼錨桿長度為2.0m，直徑為18mm，聚氨酯塑料網每卷長度為4.0m，寬度為2.0m。

（2）巷幫共計施工三排護幫，第一排距頂板間距為0.5m，護幫間距為1.3m，排距為1.0m，三排錨桿成“五花”交錯式布置。所有錨桿外露端安裝一塊長度為0.4m、寬度為0.2m 玻璃鋼方墊。

4 應用效果

8507 切巷于2019 年2 月11 日施工到位，2019年4 月27 日開始對工作面安裝設備，5 月22 日工作面設備全部安裝到位。通過2 個月切巷圍巖變形情況觀察發現，巷道頂板采取水力造穴卸壓后，有效降低了集中應力對頂板承載梁破壞作用，減少了頂板裂隙發育帶。對切巷圍巖采取聯合控制措施后，防止了頂板破碎、冒落現象。在切巷施工后10d 內，受頂板蠕動變形影響，切巷頂板局部出現下沉現象，最大下沉量為0.27m，但是未破壞頂板整體連續穩定性，保證了巷道成型效果和工作面安裝需求。