2310 巷3-5#合并區片幫處理技術研究

高 雄

（晉能控股煤業集團雁崖煤業大同有限公司，山西 大同 037031）

1 概述

塔山三盤區2310巷位于三盤區東翼偏南一側，北部為8309 工作面（未開拓），南部為村莊鐵路保護煤柱，西部為三盤區主要三條大巷，東至保護煤柱為界。2310 巷設計長度2712 m，設計斷面規格為寬×高=4.5 m×4.0 m，巷道沿3-5#合并煤層底板掘進。3-5#合并煤層結構復雜，平均厚8.96 m，平均傾角為3°，煤層中含2～7 層夾矸，厚度為0.05～0.58 m，主要以黑色泥巖、高嶺巖為主，煤體局部區域存在煌斑巖侵入，導致煤體硅化現象嚴重。3-5#合并煤層呈交叉分層狀，煤體穩定性差，煤體巖石普氏系數f ＜2.0 ，屬于石炭系不穩定煤層。3-5#合并煤層直接頂主要以砂質泥巖為主，平均厚度為3.2 m，基本頂主要以砂巖為主，平均厚度為5.12 m。

2310 巷從三盤區輔助運輸巷開口施工，采用綜合機械化掘進工藝，截至2020 年8 月21 日巷道已掘進840 m。前期掘進期間巷道圍巖相對穩定，當巷道掘進至820 m 處時，位于進向左幫出現片幫現象，隨著巷道延伸，巷幫片幫現象加劇。巷道掘進至834 m 處時煤壁片幫深度達1.6 m，片幫長度達2.4 m，片幫位置主要在頂板往下1.5 m 范圍內。受片幫影響，巷道頂板出現失穩現象，嚴重制約著巷道安全快速掘進。

2 片幫機理及原支護問題分析

2.1 巷道片幫機理

（1）采空區殘余應力影響。2310 巷上覆為二疊系山4#層采空區，與石炭系3-5#合并煤層間距為13 m，其中2310 巷812～886 m 段左幫與4#采空區最小水平距為2.8 m，而3-5#煤層頂板主要以泥巖為主，穩定性差，受上覆采空區殘余應力影響，巷道在過上覆采空區期間巷道頂板及巷幫受應力影響大，導致頂板破碎、巷幫片幫現象。

（2）煤體硅化現象嚴重。巷道掘進至790 m處時掘進煤層出現煌斑巖侵入現象，侵入區域主要集中在頂板往下1.2 m 范圍內巷道左幫側，煌斑巖侵入后破壞了原煤整體結構，導致煌斑巖侵入區域煤體硅化現象嚴重，煤體成沙粒狀，穩定性極差，采用傳統錨桿支護效果差。

2.2 原巷道支護設計

2310 巷原巷幫主要采用錨桿支護，共計布置4排，排距為1.0 m。第一排布置在距頂板0.5 m 處，錨桿間距為1.0 m，錨桿采用長度為2.0 m、直徑為20 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每根錨桿采用一支MSK23/60 型錨固劑錨固，錨固有效長度為0.55 m，錨固力為225 kN；錨桿外露端安裝一根長度為0.45 m、寬度為0.25 m 鋼帶并進行預緊，設計預緊力為300 N·m。

2.3 支護問題分析

（1）錨固效果差。2310 巷巷幫煤柱片幫破碎后，在煤體內形成圍巖松動圈，松動圈延伸深度達1.8 m，而原錨桿長度為2.0 m，錨桿采用端頭錨固方式，錨桿支護時錨桿錨固段位于松動圈內，不僅造成支護孔施工難度大，而且錨桿錨固效果差，巷幫煤體一旦出現失穩時很容易造成錨桿失效現象。

（2）預緊力不達標。錨桿支護時主要采用鉆機對錨桿端頭施加預應力，預應力通過桿體傳遞至錨固段，從而削弱和控制巖體內部水平剪應力。但是對于片幫破碎煤體，由于煤體內裂隙發育，在進行支護預緊過程中支護主動應力在鉆孔裂隙帶內釋放，不僅減弱了對水平剪應力控制作用，而且預應力在裂隙帶內產生擴張破壞作用，加劇了煤體破壞程度。

3 煤壁片幫聯合控制技術

3.1 超前注漿加固

為了控制片幫煤體松動圈范圍，提高煤體之間摩擦力及膠結強度，決定對片幫煤體采用超前斜孔注漿加固[1-5]。

（1）巷道掘進至840 m 時，對片幫煤柱施工超前注漿斜孔，每排施工2 個注漿孔，孔深5.0 m，鉆孔直徑為45 mm。第一個注漿鉆孔施工在距頂板0.3 m 處，鉆孔與巷幫水平夾角為45°，仰角為20°；第二個鉆孔施工在距頂板1.5 m 處，鉆孔與巷幫水平夾角為45°，仰角為0°。

（2）鉆孔施工完后，采用注漿泵對鉆孔內注漿。為了提高注漿效果，縮短漿液凝固時間，注漿液采用馬麗散與催化劑混合劑，注漿順序從上往下依次進行，注漿壓力為1.5 MPa，注漿量為25 kg/孔，注漿后采用雙層止漿塞封堵。

（3）巷道每掘進4.0 m 施工一排超前注漿斜孔，直至完全控制片幫現象。注漿鉆孔嚴格按照設計施工，施工過程中出現塌孔時必須重新補打鉆孔。

3.2 超前錨索支護

為了防止巷道掘進過程中巷幫煤柱出現超前破壞垮落現象，決定對左幫施工超前錨索支護。

（1）超前錨索長為4.0 m，直徑為17.8 mm，每排布置4 根超前錨索，采用鉆機在距左幫設計巷幫位置0.1 m 處施工3 個支護孔，支護孔垂直迎頭煤壁布置。

（2）錨索鉆孔間距為1.0 m，第一個錨索鉆孔距頂板0.8 m。支護鉆孔施工完后對鉆孔內錨注超前錨索，錨索控制外露長度為0.5 m，在外露端采用一排護幫進行固定。巷道每掘進1.0 m 后采用一排護幫支護及時對錨索進行固定。

3.3 水力管棚錨桿

3.3.1 支護原理

對圍巖施工支護鉆孔，對鉆孔內錨注一根中空水力膨脹式管子錨桿，然后對支護體高壓注水。當注水水壓大于桿體屈服極限時，收縮桿體產生膨脹變形，變形后桿體與孔壁巖體牢牢鑲嵌，與巖體產生摩擦力，桿體變形對巖體擠壓過程中形成擠壓受力圈，可對巖體松動圈進行控制；同時，桿體在膨脹變形時，桿體在縱向上產生收縮現象，使得支護托盤對煤體產生較強的托錨力，對破碎圍巖起到更好的效果。支護原理如圖1。

3.3.2 支護結構

2310 巷片幫煤壁采用水力膨脹式管子錨桿，錨桿為側壁收縮中空狀，完全膨脹后外徑為29 mm，中空內徑為18 mm。錨桿采用10#無縫鋼管加工而成，錨桿屈服強度為180 MPa，最大延展率為4%，錨桿配套端套、擋圈、注水嘴、托盤等，其中托板采用長度為0.5 m、寬度為0.25 m、厚度為4 mm 的玻璃鋼柔性托盤。

3.3.3 支護工序

（1）首先采用手持式鉆機在片幫煤壁施工水力膨脹錨桿支護孔，孔直徑為28 mm，每排布置4根，錨桿垂直煤壁布置，錨桿采用一支錨固劑進行錨固，錨桿布置間排距為1.0 m。

（2）錨桿錨固后在端頭安裝托盤并采用螺母進行預緊；然后依次安裝擋圈注水嘴，并與高壓注水泵進行連接；打開水泵閥門進行注水施工，注水壓力逐漸升高，當水壓達10 MPa 進行穩壓10 min再進行升壓至18 MPa；最后打開水泵回水管路進行卸壓。

4 結語

2310 巷已掘進910 m，通過對巷道片幫煤柱采取“超前注漿加固+超前錨索+水力管棚錨桿”聯合支護技術后，巷道片幫現象得到有效控制，采取聯合措施后片幫深度控制在0.3 m 以下，片幫長度控制在0.5 m 以下，提高了巷道成型率以及圍巖穩定性，保證了巷道安全快速掘進。