軟巖煤層巷道穿層支護技術應用

王海波

（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

晉能控股煤業集團雁崖煤業大同有限公司8310工作面位于塔山三盤區東翼，工作面沿石炭系3#與5#合并煤層底板布置。工作面沿南北走向布置，北部為井田邊界，南部為塔山三盤區輔助運輸巷，順槽兩側為實煤區。8310 工作面走向長度為2680 m，傾向長度為280 m，工作面掘進的煤層平均厚度為11.2 m，平均傾角為4°。煤層頂底板巖性見表1。

表1 8310 工作面3#～5#煤層頂底板巖性表

8310 頂板高抽巷是為抽放三盤區8310 工作面在開采層頂部處于采動影響裂隙帶內瓦斯的巷道，巷道布置在3#～5#煤層頂部，設計總長2712 m，矩形斷面：寬×高=4.2 m×3.1 m。

2 高抽巷穿層掘進工藝及現狀

2.1 掘進工藝及現狀

8310 高抽巷采用綜合機械化掘進工藝，施工巷道從輔助運輸巷以5°仰角上山掘進40 m 后，進入三盤區皮帶巷頂板，兩巷層間距為2.5 m，掘進40 m 且過三盤區回風巷頂板后繼續以5°仰角上山掘進，直至進入3#～5#煤層頂板后平行掘進。截至2021 年3 月24 日8310 高抽巷已掘進95 m。

8310高抽巷在前80 m掘進期間圍巖相對穩定，當巷道掘進至85 m 處時工作面迎頭與巷道開口位置落差為6.2 m，此時巷道圍巖出現破碎現象，主要集中在頂板中部斷裂破碎、兩幫與頂板之間三角煤柱垮落等。巷道掘進至92 m 處時出現冒漏現象，頂板最大冒漏高度1.5 m，寬度3.2 m，原頂板支護失效現象嚴重。

2.2 支護工藝

8310 高抽巷頂板初步支護設計采用錨桿（索）+W 型鋼帶進行聯合支護。錨桿為長度2.5 m、直徑22 mm 的無筋螺紋鋼，每排布置5 根，采用端頭錨固方式，錨固長度為0.6 m，采用一支MSK23/60型錨固劑，錨桿間排距為1.0 m；頂板采用一根長度為4.0 m、寬度為0.25 m、厚度為4 mm 的W 型鋼帶與同一排錨桿配套使用。

頂板錨索采用長度為6.5 m、直徑為21.8 mm的9 股預應力鋼絞線，頂板每排布置3 根，錨索采用端頭錨固方式，錨固長度為1.55 m，采用兩支MSK23/60 型和一支MSKC23/35 型錨固劑錨固，錨索布置間距×排距=3.0 m×1.5 m。

2.3 巷道圍巖破壞機理

由于8310 高抽巷掘進煤層為石炭系3#與5#合并煤層，煤層節理及裂隙發育，煤體抗壓及承載強度低。通過單軸抗壓試驗發現，3#～5#煤層平均單軸抗壓強度不足17 MPa，而8310 高抽巷采用穿層施工工藝，在穿層施工過程中破壞了煤層層狀結構，導致煤體破碎嚴重。

8310 高抽巷在掘進過程中主要采用傳統的錨桿（索）支護，當巷道圍巖破碎并形成圍巖裂隙“松動圈”，松動圈范圍隨應力作用范圍不斷擴大，導致錨桿（索）支護時錨固端失效嚴重，錨桿預應力無法有效傳遞至錨固段穩定巖體內，大大削弱了錨桿（索）懸吊支護作用及組合梁（拱）作用。

3 穿層施工聯合支護技術

為了保證8310 高抽巷安全快速掘進，解決穿層施工時錨桿（索）支護主要存在的技術難題，決定對穿層施工期間支護進行合理優化，在原頂板支護不變的情況下提出了“超前管棚注漿+桁架錨索+JW 型錨棚”聯合加強支護設計[1-5]。

3.1 超前管棚注漿支護

（1）支護原理：巷道在上山掘進前對工作面迎頭設計頂板位置施工一排超前注漿管棚，然后對鋼管進行注漿使注漿液超前滲透至不穩定圍巖裂隙內，注漿過程中可將注漿鋼管與煤壁巖體充分粘接，從而實現了對工作面前方應力區巖體超前注漿加固，實現超前支護。

（2）支護材料：注漿鋼管長度為3.5 m，直徑為40 mm，為無縫中空鋼管，中部孔直徑為20 mm，光管外端頭為絲扣結構，絲扣長度為0.2 m，底端為削尖狀便于插入巖體，在鋼管四周焊制三排注漿射孔，孔直徑為12 mm，每排布置9 個，孔間距為0.5 m；采用ZBQ15/9 型氣動注漿泵進行注漿施工，注漿壓力為5.0 MPa，注漿量為15 L/min；注漿液采用配比為1:1的馬麗散與催化劑復合材料。

（3）支護工序：① 首先采用手持式鉆機在8310 高抽巷迎頭施工一排超前支護鉆孔，巷道迎頭施工9 個超前管棚注漿鉆孔（鉆孔編號為1#、2#……9#），鉆孔深度3.2 m，直徑45 mm，鉆孔開孔位置位于設計頂板上并以5°仰角布置；② 超前支護孔施工完后，將超前注漿鋼管插入鉆孔內，然后在兩幫及中部鋼管內插入直徑為16 mm 注漿軟管，在鋼管口處采用止漿塞進行封堵；③ 將注漿軟管與注漿泵連接進行注漿施工，注漿壓力為3.5～5.0 MPa 范圍內，單孔注漿量為150 L。

3.2 桁架錨索支護

（1）桁架錨索支護原理：傳統錨桿（索）支護時，支護體主要利用錨固劑進行錨固，然后對桿體施加預應力，預應力通過桿體傳送至深部穩定圍巖內，形成穩定的應力梁結構。但是當圍巖存在外界應力且對圍巖產生持續破壞作用時，傳統錨桿（索）支護無法消除或削弱外界應力作用，從而導致錨桿（索）支護“疲勞”現象，降低了支護效果。桁架錨索支護在原錨桿（索）支護作用的前提下，通過改變錨索支護角度，并對錨索施加水平應力，使錨索對鉆孔壁產生斜角向上的作用分力，兩分力垂直向上，從而有效削弱外界應力破壞作用，如圖1。

（2）支護工序：① 8310 高抽巷上山掘進期間，頂板安裝的桁架錨索支護主要由桁架拉桿、張拉器以及預應力錨索組成。桁架拉桿共計兩根，每根長度為1.2 m，張拉器最大張拉應力為400 kN，預應力錨索長度為4.3 m，直徑為17.8 mm；② 桁架錨索施工在相鄰兩根鋼帶之間頂板上，支護排距為2.0 m，首先在頂板施工兩個錨索支護斜孔，鉆孔與頂板斜角為75°，錨索間距為2.0 m，錨索施工完后對錨索進行錨注；③ 預應力錨索錨注后，在錨索外露端安裝桁架拉桿，并采用張拉器對拉桿施加水平拉應力，確保錨索對鉆孔壁產生足夠的斜角作用分力。

3.3 JW 型錨棚支護

（1）JW 型錨棚由一根長3.6 m、寬0.34 m 的JW 型鋼梁和三根長8.5 m、直徑21.8 mm 恒阻錨索組成，JW 型鋼梁橫截面成“JW”型，鋼梁厚度為5.5 mm，最大承載強度為760 MPa。

（2）每根JW 型鋼梁與三根預應力錨索聯合支護作用，錨索布置間距為1.5 m，相鄰兩節JW 型錨棚布置排距為2.0 m，且與桁架錨索支護交錯布置，如圖1。

圖1 8310 高抽巷穿層施工頂板支護示意圖（mm）

4 結語

截至2021 年4 月8310 高抽巷已掘進194 m，巷道穿層施工已到位，通過對巷道穿層施工期間的頂板采取“超前管棚注漿+桁架錨索+JW 型錨棚”聯合支護技術，巷道在掘進過程中未出現頂板冒漏，有效控制了頂板下沉，實測頂板下沉量控制在0.14 m 以下，兩幫未出現大面積破碎、垮落現象，兩幫收斂量控制在0.26 m 以下，巷道后期掘進速度提高至6.2 m/d，取得了顯著應用成效。