2310 巷3-5#合并區(qū)片幫處理技術(shù)研究

高 雄

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)雁崖煤業(yè)大同有限公司，山西 大同 037031）

1 概述

塔山三盤區(qū)2310巷位于三盤區(qū)東翼偏南一側(cè)，北部為8309 工作面（未開拓），南部為村莊鐵路保護(hù)煤柱，西部為三盤區(qū)主要三條大巷，東至保護(hù)煤柱為界。2310 巷設(shè)計(jì)長度2712 m，設(shè)計(jì)斷面規(guī)格為寬×高=4.5 m×4.0 m，巷道沿3-5#合并煤層底板掘進(jìn)。3-5#合并煤層結(jié)構(gòu)復(fù)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(qū)域存在煌斑巖侵入，導(dǎo)致煤體硅化現(xiàn)象嚴(yán)重。3-5#合并煤層呈交叉分層狀，煤體穩(wěn)定性差，煤體巖石普氏系數(shù)f ＜2.0 ，屬于石炭系不穩(wěn)定煤層。3-5#合并煤層直接頂主要以砂質(zhì)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(qū)輔助運(yùn)輸巷開口施工，采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝，截至2020 年8 月21 日巷道已掘進(jìn)840 m。前期掘進(jìn)期間巷道圍巖相對穩(wěn)定，當(dāng)巷道掘進(jìn)至820 m 處時(shí)，位于進(jìn)向左幫出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，隨著巷道延伸，巷幫片幫現(xiàn)象加劇。巷道掘進(jìn)至834 m 處時(shí)煤壁片幫深度達(dá)1.6 m，片幫長度達(dá)2.4 m，片幫位置主要在頂板往下1.5 m 范圍內(nèi)。受片幫影響，巷道頂板出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，嚴(yán)重制約著巷道安全快速掘進(jìn)。

2 片幫機(jī)理及原支護(hù)問題分析

2.1 巷道片幫機(jī)理

（1）采空區(qū)殘余應(yīng)力影響。2310 巷上覆為二疊系山4#層采空區(qū)，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(qū)最小水平距為2.8 m，而3-5#煤層頂板主要以泥巖為主，穩(wěn)定性差，受上覆采空區(qū)殘余應(yīng)力影響，巷道在過上覆采空區(qū)期間巷道頂板及巷幫受應(yīng)力影響大，導(dǎo)致頂板破碎、巷幫片幫現(xiàn)象。

（2）煤體硅化現(xiàn)象嚴(yán)重。巷道掘進(jìn)至790 m處時(shí)掘進(jìn)煤層出現(xiàn)煌斑巖侵入現(xiàn)象，侵入?yún)^(qū)域主要集中在頂板往下1.2 m 范圍內(nèi)巷道左幫側(cè)，煌斑巖侵入后破壞了原煤整體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致煌斑巖侵入?yún)^(qū)域煤體硅化現(xiàn)象嚴(yán)重，煤體成沙粒狀，穩(wěn)定性極差，采用傳統(tǒng)錨桿支護(hù)效果差。

2.2 原巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

2310 巷原巷幫主要采用錨桿支護(hù)，共計(jì)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(jìn)行預(yù)緊，設(shè)計(jì)預(yù)緊力為300 N·m。

2.3 支護(hù)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(nèi)形成圍巖松動(dòng)圈，松動(dòng)圈延伸深度達(dá)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(hù)時(shí)錨桿錨固段位于松動(dòng)圈內(nèi)，不僅造成支護(hù)孔施工難度大，而且錨桿錨固效果差，巷幫煤體一旦出現(xiàn)失穩(wěn)時(shí)很容易造成錨桿失效現(xiàn)象。

（2）預(yù)緊力不達(dá)標(biāo)。錨桿支護(hù)時(shí)主要采用鉆機(jī)對錨桿端頭施加預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力通過桿體傳遞至錨固段，從而削弱和控制巖體內(nèi)部水平剪應(yīng)力。但是對于片幫破碎煤體，由于煤體內(nèi)裂隙發(fā)育，在進(jìn)行支護(hù)預(yù)緊過程中支護(hù)主動(dòng)應(yīng)力在鉆孔裂隙帶內(nèi)釋放，不僅減弱了對水平剪應(yīng)力控制作用，而且預(yù)應(yīng)力在裂隙帶內(nèi)產(chǎn)生擴(kuò)張破壞作用，加劇了煤體破壞程度。

3 煤壁片幫聯(lián)合控制技術(shù)

3.1 超前注漿加固

為了控制片幫煤體松動(dòng)圈范圍，提高煤體之間摩擦力及膠結(jié)強(qiáng)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(jìn)至840 m 時(shí)，對片幫煤柱施工超前注漿斜孔，每排施工2 個(gè)注漿孔，孔深5.0 m，鉆孔直徑為45 mm。第一個(gè)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(gè)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(nèi)注漿。為了提高注漿效果，縮短漿液凝固時(shí)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(jìn)行，注漿壓力為1.5 MPa，注漿量為25 kg/孔，注漿后采用雙層止?jié){塞封堵。

（3）巷道每掘進(jìn)4.0 m 施工一排超前注漿斜孔，直至完全控制片幫現(xiàn)象。注漿鉆孔嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工，施工過程中出現(xiàn)塌孔時(shí)必須重新補(bǔ)打鉆孔。

3.2 超前錨索支護(hù)

為了防止巷道掘進(jìn)過程中巷幫煤柱出現(xiàn)超前破壞垮落現(xiàn)象，決定對左幫施工超前錨索支護(hù)。

（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(jī)在距左幫設(shè)計(jì)巷幫位置0.1 m 處施工3 個(gè)支護(hù)孔，支護(hù)孔垂直迎頭煤壁布置。

（2）錨索鉆孔間距為1.0 m，第一個(gè)錨索鉆孔距頂板0.8 m。支護(hù)鉆孔施工完后對鉆孔內(nèi)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(hù)幫進(jìn)行固定。巷道每掘進(jìn)1.0 m 后采用一排護(hù)幫支護(hù)及時(shí)對錨索進(jìn)行固定。

3.3 水力管棚錨桿

3.3.1 支護(hù)原理

對圍巖施工支護(hù)鉆孔，對鉆孔內(nèi)錨注一根中空水力膨脹式管子錨桿，然后對支護(hù)體高壓注水。當(dāng)注水水壓大于桿體屈服極限時(shí)，收縮桿體產(chǎn)生膨脹變形，變形后桿體與孔壁巖體牢牢鑲嵌，與巖體產(chǎn)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(dòng)圈進(jìn)行控制；同時(shí)，桿體在膨脹變形時(shí)，桿體在縱向上產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，使得支護(hù)托盤對煤體產(chǎn)生較強(qiáng)的托錨力，對破碎圍巖起到更好的效果。支護(hù)原理如圖1。

3.3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)

2310 巷片幫煤壁采用水力膨脹式管子錨桿，錨桿為側(cè)壁收縮中空狀，完全膨脹后外徑為29 mm，中空內(nèi)徑為18 mm。錨桿采用10#無縫鋼管加工而成，錨桿屈服強(qiáng)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(hù)工序

（1）首先采用手持式鉆機(jī)在片幫煤壁施工水力膨脹錨桿支護(hù)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(jìn)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(jìn)行預(yù)緊；然后依次安裝擋圈注水嘴，并與高壓注水泵進(jìn)行連接；打開水泵閥門進(jìn)行注水施工，注水壓力逐漸升高，當(dāng)水壓達(dá)10 MPa 進(jìn)行穩(wěn)壓10 min再進(jìn)行升壓至18 MPa；最后打開水泵回水管路進(jìn)行卸壓。

4 結(jié)語

2310 巷已掘進(jìn)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(lián)合支護(hù)技術(shù)后，巷道片幫現(xiàn)象得到有效控制，采取聯(lián)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(wěn)定性，保證了巷道安全快速掘進(jìn)。