陷落柱應力區巷道掘進支護技術

葛 梁

（山西宏宇誠鑄建設工程有限公司，山西 朔州 038300）

1 概述

麻家梁礦14102巷位于井田的東南部，北臨+665水平南回風大巷（東），東臨14103輔助運輸順槽聯巷，西臨14102輔助運輸順槽，南部未開采。

14102巷設計長度為1400m，巷道設計斷面規格為寬×高=5.5×3.6m，巷道掘進煤層為山西組4#煤層，平均厚度為6.8m。煤層結構復雜，夾石2～3層，一般為3層，夾石厚度最大可達0.40m。4#煤層含偽頂，主要以泥巖為主，平均厚度為0.66m；直接頂主要以泥巖與細砂巖混合巖層為主，平均厚度為2.4m；基本頂主要以中、細砂巖為主，平均厚度為6.21m。14102巷采用綜合機械化掘進施工工藝，已掘進489m。

根據地測資料顯示，14102巷掘進至476m處位于巷道北側21m處含有一個陷落柱X4。陷落柱呈橢圓形，長軸長為42m且與巷道平行，短軸長為24m。陷落柱內主要以碎狀泥巖、砂巖充填為主。受陷落柱影響，施工巷道掘進至470m處，工作面煤體出現松軟現象；當巷道掘進至476m處時，位于陷落柱側煤壁片幫嚴重，頂板與煤壁之間肩角煤柱預留困難；當巷道掘進至485m處，煤壁片幫深度達1.5m，陷落柱側頂板下沉量達0.43m，巷幫及頂板支護失效率達41%,工作面瓦斯涌出量加大，最大達2.9%，嚴重威脅巷道安全快速掘進。

2 巷道應力區原支護設計及問題分析

2.1 原支護設計

14102初步支護設計中頂板及巷幫采用金屬網、鋼帶、錨索、錨桿進行聯合支護。

（1）頂板支護。頂板每排布置5根螺紋鋼錨桿，錨桿長度為2.5m，錨桿間距×排距=1.1×1.0m，每排錨桿配套一根規格為長×寬=4.8×0.15m“M”型鋼帶，錨桿與鋼帶之間采用規格為長×寬=0.1×0.1m拱形墊片預緊，預緊力為200N·m。頂板錨索采用長度為5.5m、直徑為17.8mm預應力鋼絞線，每排施工3根，間距×排距=1.8×3.0m，錨索外露端采用規格為長×寬=0.3×0.3m鋼方墊預緊。頂板金屬網采用網格為50×50mm菱形經緯網，規格為長×寬=6.0×1.2m，相鄰兩卷金屬網搭接長度不得低于0.2m。

（2）巷幫支護。巷幫采用錨桿支護形式，錨桿長度為2.0m，從頂板至底板每排布置3根錨桿，錨桿間距×排距=1.1×1.0m，第一根錨桿距頂板間距為0.5m，錨桿外露端采用一根規格為長×寬=0.45×0.25m“W”型鋼帶預緊。巷幫金屬網網格為50×50mm，規格為長×寬=4.0×2.0m。

2.2 X4陷落柱應力區巷道破壞機理

（1）保安煤柱穩定結構破壞。由于14102巷北側煤體含有X4陷落柱，4#煤層在陷落柱侵入擠壓影響，破壞了原煤層連續穩定性，巷道掘進前應力區與陷落柱之間的煤柱受壓大但處于原巖應力平衡狀態，巷道掘進后打破原巖應力平衡，在壓力作用下保安煤柱出現拉伸破壞，向巷道開挖空間變形、垮落。

（2）掘進煤層承載能力低。由于山4#煤層結構復雜，穩定性差，煤體內含多層夾矸，破壞了煤體穩定結構，而且山4#煤體巖石普氏系數f=1.0，煤體強度及承載能力低，在巷道掘進應力及構造應力影響下，頂煤出現剪切破壞，巷幫出現剝離破壞，從而導致頂板、巷幫破碎嚴重。

（3）支護強度不足。由于受應力影響，巷幫煤壁及陷落柱側頂板深處出現嚴重破碎現象。通過窺視孔發現，巷幫2.3m范圍內出現嚴重破碎，頂板往上3.4m范圍內出現嚴重破碎，且直接頂與頂煤之間出現局部離層現象。原支護設計中頂板及巷幫錨桿長度不足，錨桿錨固端位于不穩定煤體松動圈內，錨桿支護后失效嚴重，降低了錨桿支護效果。

（4）支護設計不合理。原頂板支護設計中，頂板鋼帶長度為4.8m，每排布置5根錨桿，兩端錨桿距巷幫間距為0.4m，而巷幫支護設計中第一根錨桿距頂板間距為0.5m，從而造成巷道肩角煤柱支護不到位，在應力作用下，位于陷落柱側肩角煤柱出現垮落現象。

3 支護工藝優化

為了降低陷落柱對14102巷圍巖穩定性影響，提高巷道成型率，保證巷道支護效果，決定采用“注漿+L型鋼棚+柔模澆筑”聯合支護技術對圍巖進行維護。

3.1 注漿支護

（1）為了提高巷幫煤體及頂煤穩定性，對巷幫及頂板破碎煤體采取注漿支護。通過實際觀察發現，位于陷落柱側在距頂1.5m范圍內巷幫煤體，以及在距煤壁2.1m范圍內頂板煤體出現嚴重破碎現象，決定在此范圍內采取注漿支護技術。

（2）14102巷從489m對施工巷道采取注漿支護，采用風動Y-28型鉆機配套中空鉆桿以及直徑為45mm“一”字型鉆頭進行鉆孔施工，巷幫共計施工兩個鉆孔。第一個鉆孔距頂板1.5m處，鉆孔與巷幫垂直布置，第二個鉆孔施工在距頂板0.7m處，鉆孔與巷幫成45°仰角布置。頂板施工三個注漿鉆孔，鉆孔間距為0.8m。第一個鉆孔距巷幫間距為0.5m，與巷幫夾角為75°，第二個、第三個鉆孔與頂板垂直布置，如圖1所示。巷幫及頂板注漿鉆孔深度為5.0m，排距為3.0m。

（3）頂板及巷幫注漿鉆孔施工完后，采用2ZBQ氣動注漿泵對鉆孔高壓注射聚氨酯漿液，注漿壓力為1.6MPa。當單孔注漿達到設計壓力且穩定10min后停止注漿，并對鉆孔進行封孔處理。當注漿2h后巷道方可繼續掘進施工。

3.2 “L”型鋼棚支護

（1）采用“L”型鋼棚主要是對巷幫與頂板之間肩角煤柱進行連續鋼性被動支護，彌補傳統錨桿支護不足、支護效果差等問題，可有效防止肩角煤柱破碎、垮落現象。

（2）“L”型鋼棚主要由底座、棚腿、頂梁、卡纜、固定錨桿以及連接桿等部分組成。棚腿長度為3.6m，頂梁長度為1.5m，棚腿底座采用一塊規格為長×寬=0.5×0.5m鋼方墊焊制而成。連接桿主要由11#槽鋼焊制而成，長度為1.0m。

（3）首先在巷道底板處安裝棚腿底座，每個底座采用四個地錨與底板固定，兩個底座中線與巷道中線垂直，底座固定安裝后采用連接螺母與棚腿固定。棚腿緊貼巷幫安裝，每根棚腿中部采用一根長度為1.5m錨桿將其與澆筑面固定。

（4）棚腿安裝后安裝鋼棚頂梁，頂梁與棚腿采用卡扣式連接并采用抱箍固定，頂梁與頂板之間同樣采用一根固定錨桿固定。頂梁安裝后頂梁與棚腿之間采用連接桿固定，“L”型鋼棚假設間距為1.0m。

3.3 柔模澆筑技術

為了提高巷幫煤柱承載能力，阻斷應力破碎區煤體向巷道內涌出瓦斯，決定在陷落柱側巷幫煤柱采取柔模澆筑技術。

（1）巷道每掘進5.0m施工一次柔模澆筑技術。首先在巷幫處支設兩排木柱，木柱長度為3.6m，直徑為30mm，木柱支設間距為2.0m，排距為0.5m。木柱支設完成后在木柱外圍進行支設木盒。

（2）當木盒支設高度達1.0m后采用注漿泵向盒內澆筑配比為水泥:沙子:石子=1:2:2的混凝土。澆筑期間采用振動泵震動，確保澆筑嚴實。澆筑到位后繼續支設木盒。

（3）當柔模澆筑完成后，在澆筑面施工三根長度為4.0m預應力錨索，錨索外露端采用一根長度為0.5m工字鋼梁及鎖具進行預緊。錨索間距為1.2m，錨索排距為2.0m。

圖1 14106巷陷落柱側煤柱及頂板聯合支護斷面示意圖

4 效果

針對14102巷在476～518m段受鄰近X4陷落柱影響出現片幫、頂板破碎下沉等現象，決定巷道從489m處采用“注漿+L型鋼棚+柔模澆筑”聯合支護，已完全通過應力破碎區。應用效果表明，采取聯合支護后提高了巷幫支撐作用，解決了應力作用下巷幫片幫現象，阻止了破碎煤體內瓦斯向工作面涌出，保證了肩角煤柱穩定性。采取聯合支護后，控制了頂板下沉量，最大下沉量控制在0.12m以下，提高了巷道成型率。巷道過應力區掘進速度由原來的3.7m/d提高至6.8m/d，加快了巷道掘進速度，保證了巷道施工安全，取得了顯著的應用成效。