掘進巷道片幫機理及控制技術

張敏敏

（晉能控股煤業集團雁崖煤業公司，山西 大同 037031）

1 概述

晉能控股煤業集團雁崖煤業公司5310 高抽巷位于井田三盤區，巷道設計長度為2842 m，巷道設計斷面規格為寬×高=4.5 m×3.5 m。巷道從三盤區輔運巷開口以5°仰角上山掘進施工，巷道掘進54 m后掘進至三盤區皮帶巷頂板后水平掘進200 m，掘進到位后再以5°仰角上山掘進直至揭露2#煤層后沿煤層頂板平行掘進。截至目前巷道已掘進1260 m。

5310 高抽巷掘進煤層為2#層，煤層平均厚度為3.2 m，煤層起伏變化大，呈南高北低走向。煤層直接頂主要以炭質泥巖為主，平均厚度為4.2 m，局部夾雜煤線，平均厚度為0.2 m；基本頂主要以細砂巖為主，平均厚度為11.8 m；直接底主要以泥巖及3#～5#煤層合并層為主，平均厚度為5.9 m。

5310 高抽巷圍巖原設計采用“錨桿（索）+金屬網”聯合支護設計。頂板每排布置6 根長2.5 m左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間距為0.85 m，排距為1.2 m；頂板每排布置長度為6.3 m 預應力錨索，錨索間距為1.8 m，排距為2.4 m；巷道兩幫每排布置三排護幫，護幫錨桿長2.0 m，錨桿間距為1.0 m，排距為1.2 m，如圖1。

2 巷道破壞現狀及問題分析

2.1 巷道破壞現狀

（1）巷道在前1200 m 掘進過程中，巷道掘進為2#實體煤，巷道成型效果相對較好，采用錨桿（索）支護能夠有效控制圍巖變形。但是當巷道掘進至1200 m 處時，巷道頂板出現煌斑巖侵入現象，導致巷道底板往上2.0 m 范圍為2#煤層，2.0～3.5 m范圍內為煌斑巖，局部2#煤層擠壓至巷道底板下。

（2）巷道掘進至1200 m 處時巷道頂板圍巖變化不大，但是巷道兩幫出現局部破碎現象。當巷道掘進至1220 m 處時巷道割煤后右幫片幫嚴重，片幫最大深度為1.8 m，兩幫采用螺紋鋼錨桿支護效果差。掘進工作面迎頭10 m 范圍內護幫錨桿失效率達到18%，導致巷道掘進速度由原來的12 m/d 降低至5.4 m/d。

2.2 巷道片幫機理

（1）煤體穩定性差。5310 高抽巷掘進的2#煤層屬于硅化煤，煤體穩定性差，煤體整體成顆粒破碎狀。通過對煤體進行單軸抗壓試驗發現，煤體抗壓強度為8 MPa，極易破碎，巷幫在進行支護鉆孔施工以及掘進機割煤時都會影響煤體穩定性。

（2）煌斑巖侵入影響。巷道掘進至1200 m 處巷道右側煤層出現煌斑巖侵入現象，煌斑巖侵入煤體后進一步破壞了煤體整體穩定性，而且煌斑巖位于煤層上部，巷道在掘進過程中煌斑巖很容易出現失穩現象，導致巷道圍巖受應力加大，不穩定煤體在應力作用下出現剝離破壞作用，導致煤體破碎現象。

（3）巷幫支護強度低。原巷幫主要采用長度為2.0 m 螺紋鋼進行支護，采用端頭錨固方式，錨固長度為0.35 m。而5310 高抽巷在過煌斑巖侵入區時，巷幫煤體受應力破壞嚴重，煤體內形成較發育的圍巖松動圈，錨桿錨固端位于松動圈內導致錨桿錨固效果差，無法對破碎煤體進行有效支護。

3 巷幫聯合支護技術應用

為了提高5310 高抽巷破碎巷幫穩定性，決定對巷幫采取“深孔超前注漿+超前護幫錨索+桁架錨索”聯合控制技術[1-5]。

3.1 深孔超前注漿施工

（1）5310 高抽巷掘進至1260 m 處時，對工作面迎頭煤壁施工一排注漿鉆孔，每排3 個（鉆孔編號為1#、2#、3#），同一排鉆孔成直線布置，鉆孔開孔位置距頂板間距為2.0 m。

（2）注漿鉆孔間距為1.0 m，1#鉆孔布置在距巷幫3.0 m 處，鉆孔深度為8 m，2#鉆孔深度為6.0 m，3#鉆孔深度為4.0 m，所有鉆孔直徑為40 mm，鉆孔與右幫夾角為30°，鉆孔超前工作面迎頭距離為5.2 m，鉆孔深入右幫煤體深度為2.0 m，如圖1。

圖1 5310 高抽巷破碎巷幫注漿鉆孔布置示意圖

（3）為了達到加固巷幫煤體的注漿效果，在注漿施工前對超前鉆孔埋入一根直徑為20 mm 注漿軟管，并在鉆孔內設計巷幫為主安裝環形封孔器。

（4）鉆孔施工完后，將注漿軟管與注漿槍連接，進行注漿施工。注漿液采用馬麗散注漿液。馬麗散是一種雙組分合成高分子—聚亞胺膠脂材料，該注漿材料在高壓注入破碎煤巖體后可迅速滲透至煤巖體裂隙內，并快速凝固膨脹實現對巖體裂隙填堵粘接作用。

3.2 超前護幫錨索支護

為了防止巷道掘進期間巷幫煤體出現超前破碎現象，決定對巷幫煤體施工超前護幫錨索支護。

（1）首先采用鉆機對工作面右側設計巷幫位置施工一排超前錨索孔，錨索孔深度為5.0 m，直徑為25 mm，每排布置4 個，孔間距為0.9 m。第一個錨索孔距頂板間距為0.3 m，錨索孔垂直煤壁布置，水平方向允許誤差偏角為±2°，豎直方向允許誤差偏角為±3°。

（2）錨索超前支護孔施工完后，對鉆孔內分別錨注一根長度為8.3 m、直徑為21.8 mm 預應力錨索，錨索錨固長度為1.5 m，錨固力不低于390 kN。錨固后錨桿外露端采用圓鋼托架及錨桿將其固定。

（3）當巷道掘進7.0 m 后施工第二排超前護幫錨索，相鄰兩排護幫錨索疊加交錯布置，疊加距離為1.0 m。

3.3 桁架錨索支護

巷幫永久支護施工完后，決定對巷幫施工桁架錨索支護，從而削弱應力對巷幫產生的擴張破壞作用。

（1）桁架錨索主要由2 根錨索、張拉器、槽鋼等部分組成。錨索長度為4.0 m，直徑為17.8 mm；槽鋼長度為2.5 m，寬度為12 mm。在槽鋼兩端各焊制一個長度為0.1 m、寬度為5 mm 的槽孔。

（2）首先采用鉆機在破碎巷幫施工兩個錨索支護孔，支護孔間排距為2.0 m，支護孔施工相鄰兩排永久支護之間，如圖2。第一個支護孔距頂板間距為0.75 m，支護孔深度為4.0 m，仰俯角為30°。

（3）支護孔施工完后，對鉆孔內錨注兩個錨索，控制錨索外露長度為0.2 m。然后在錨索外露端分別安裝槽鋼、張拉器，并利用張拉器對兩根錨索進行預緊，預緊力不得低于400 N.m，預緊后保證槽鋼與巷幫接觸嚴實。

4 結束語

截至2020 年9 月17 日，5310 高抽巷已掘進至1450 m，巷道完全通過了煌斑巖侵入區。通過對煌斑巖侵入區巷幫破碎原因的合理分析，提出了“深孔超前注漿+超前護幫錨索+桁架錨索”聯合控制方案，巷道在后期掘進過程中大大降低了片幫現象，片幫最大深度控制在0.4 m 以下，巷幫支護失效率降低至4%以下，提高了巷道成型率，保證了巷道安全快速掘進，取得了較好的效果。