交叉巷道三角煤柱區支護技術應用

高建軍

（山西省呂梁市柳林縣莊上鎮人民政府安監站，山西 呂梁 033300）

1 概況

興無煤礦8101 運輸順槽位于井田一采區，巷道南北走向布置，巷道南部布置三條采區大巷，西部為8102 回風順槽，東部為實煤區，北部為巷道延伸方向，掘進到位后與8101 切巷貫通，巷道從一采區皮帶巷開口施工，如圖1。

圖1 8101 運料斜巷平面布置示意圖

為了便于8101 運輸順槽后期物料運輸，從運輸順槽50 m 處向右幫按30°方位角施工一條運料斜巷，斜巷設計長度為82 m，施工到位后與一采區運輸巷貫通。運料斜巷設計斷面規格為寬×高=4.0 m×3.0 m，巷道掘進煤層為9#層，煤層平均厚度2.2 m，平均傾角6°，煤層結構復雜且節理發育。

運料斜巷沿9#煤層底板掘進，采用爆破施工工藝，已掘進32 m。由于8101 運料斜巷與運輸順槽夾角小，斜巷在掘進期間受圍巖應力以及爆破震動影響，斜巷與順槽之間的三角煤預留難度大，煤柱垮落嚴重。通過現場觀察發現，運料斜巷掘進6 m后三角煤柱開始垮落，前期對三角煤柱補打錨桿加固的效果較差，斜巷掘進至25 m 處時三角煤柱垮落長度為8.5 m、寬度為3.6 m，導致巷道交叉處空頂面積達8.7 m2，頂板出現局部斷裂、下沉。

2 三角煤柱支護方案

初步設計中運料斜巷與8101 運輸順槽之間的三角煤柱采用頂板錨索加固、巷幫注漿加固等支護方案，但根據現場調查情況，存在以下幾方面問題：

1）由于運料斜巷采用爆破施工工藝，受爆破震動影響三角煤柱區域圍巖破碎嚴重，松動圈半徑達2.0 m 以上，采用單一注漿加固時加固范圍小，注漿擴散半徑在0.5～1.0 m 范圍內，對圍巖松動圈加固改善效果差。根據原三角煤柱注漿情況，注漿后5 d 能夠起到圍巖控制作用，5～10 d 圍巖又局部出現裂隙，10 d 后巖體裂隙擴張、三角煤柱再次出現垮落。

2）對垮落區頂板采取組合錨索加固，雖然起到臨時控制作用，但是隨著后期回撤應力影響，三角煤柱圍巖破碎范圍擴大，支撐強度降低，頂板支護出現“應力疲勞”現象，頂板支護失效嚴重，很容易發生頂板冒漏、垮落等事故。2020 年11 月17日8204 工作面停采時與8204 運料斜巷開口位置距離為30 m，兩巷交叉位置處于動壓區內，受回撤應力影響，8204 工作面在設備回撤期間，垮落三角煤柱頂板出現斷裂，增加頂板支護費用、人工費用達17.8 萬元。

為了提高交叉點頂板穩定性，保證斜巷安全快速掘進，決定對8101 運輸順槽與運料斜巷之間三角煤柱采取“錨索吊棚+柔性注漿加固+柔模澆筑”等聯合支護。

3 三角煤柱安全支護工藝

3.1 交叉點頂板補強支護

在柔模澆筑施工前，需對空頂區及兩側巷頂板采取錨索吊棚及組合錨索進行加固，防止后期頂板斷裂、破碎。

1）從斜巷開口處沿兩側巷道10 m 范圍內施工錨索吊棚，錨索吊棚由一根JW 型鋼梁和兩根錨索組成。JW型鋼梁長度3.5 m，厚度8 mm，寬度0.35 m；錨索長度為5.3 m，直徑為17.8 mm。鋼梁上布置兩個直徑為30 mm、間距為2.0 m 錨索支護孔，錨索吊棚與頂板鋼帶平行布置，布置間距為1.0 m，兩側巷道各施工10架，位于交叉點處施工2架。如圖2。

2）對三角煤柱垮落后的頂板采取組合錨索進行支護，組合錨索布置間距為1.0 m，排距為2.0 m，空頂處共計布置5 排組合錨索（14 組）。每組組合錨索采用一塊長度、寬度為0.5 m 組合托板和三根長度為8.3 m、直徑為21.8 mm 錨索組成。

3.2 煤柱柔性注漿加固

3.2.1 柔性注漿加固原理

對破碎圍巖施工注漿鉆孔，并對鉆孔內安裝棕繩，然后對鉆孔進行注漿施工，注漿后棕繩利用注漿液全長錨固在鉆孔壁巖體內。一方面注漿液在圍巖內形成網絡骨架提高圍巖整體抗壓強度，實現了破碎圍巖重組作用；另一方面棕繩具有較強的延展性，注漿后棕繩與破碎圍巖牢固粘接，降低了應力對圍巖產生縱向剝離破壞作用。

3.2.2 棕繩及注漿材料選取

1）棕繩規格參數。目前柔性注漿采用的棕繩直徑主要有Ф18 mm、Ф21 mm 以及Ф24 mm 三種。通過對三種棕繩進行抗拉強度試驗發現，Ф18 mm 的棕繩抗拉強度為25.7 MPa，延展率為8.9%；Ф21 mm 的棕繩抗拉強度為37 MPa，延展率為13.6%；Ф24 mm 的棕繩抗拉強度為42 MPa，延展率為14.8%。為了適應大應力變形圍巖，8101 運料斜巷三角煤柱決定采用Ф24 mm棕繩，長度為6.0 m。

2）注漿材料。傳統的水泥漿無機注漿材料具有取材方便、成本費用低、環保性能好等優點，但是注漿滲透半徑小、凝固速度慢。為減少注漿鉆孔數量，增加注漿滲透半徑，能夠快速使注漿棕繩與破碎圍巖粘接為一體，注漿材料選取脲醛樹脂類有機化學注漿材料，注漿液滲透系數為0.01～0.1 cm/s。

3.2.3 柔性注漿施工工藝

1）柔性注漿鉆孔布置在未垮落三角煤柱兩幫及垮落側，兩幫各布置兩排注漿鉆孔，每排4 個，布置間距為2.0 m，鉆孔深度為3.0～4.5 m。第一排鉆孔距頂板間距為1.0 m，布置排距為1.5 m，相鄰鉆孔間距為2.0 m，如圖3。上排孔以15°仰角布置，下排孔垂直煤柱布置；垮落側鉆孔共計布置2 個，深度為5.0 m，鉆孔距頂板間距為1.5 m，垂直煤柱布置。

圖3 三角煤柱柔模澆筑及注漿施工示意圖（mm）

2）注漿鉆孔施工完后，對孔內填裝棕繩，并埋入注漿軟管，然后將注漿軟管與注漿泵連接高壓注漿施工。

3.3 柔模澆筑施工

1）對未垮落區煤柱采取柔性注漿加固后，將垮落區煤柱底板清理干凈，然后對垮落區進行柔模澆筑施工。首先沿原三角煤柱邊線以及煤柱兩端頭支設木柱，木柱長度為3.0 m，直徑為300 mm，木柱支設間距為0.5 m。

2）木柱支設完后，對實體煤柱側施工兩排穿拉錨桿，每排3 根，錨桿外露長度為1.0 m，外露端安裝鋼帶與木柱進行固定。穿拉錨桿施工完后，在木柱四周支設模板，使三角煤柱區域形成密閉的澆筑區，每層模板支設高度為1.0 m。

3）第一層模板支設到位后，對澆筑區內注入混凝土進行澆筑，澆筑期間采用振動棒震動嚴實，保證漿液完全膠結滲透。當澆筑高度達0.8 m 時，開始支設第二層模板。以此類推直至澆筑到位與頂板接觸嚴實。

4）為了保證柔模澆筑牢固可靠，澆筑高度達2.0 m 時在澆筑區兩側施工一排穿拉錨索，并采用長度為0.5 m 工字鋼梁以及鎖具進行預緊，如圖3。

4 應用效果

1）提高了圍巖穩定性。三角區采取柔模澆筑等聯合支護技術后，控制了三角區煤柱垮落現象，消除了三角區空頂，三角區頂板未繼續出現斷裂、破碎現象。

2）減少了二次支護費用。8101 工作面回采結束并進行回撤，回撤通道與運料斜巷開口位置距離為47 m，工作面在回撤通道施工、設備回撤期間三角區頂板未出現斷裂、冒漏現象，局部頂板出現下沉，最大下沉量控制在0.14 m 以下，支護后的三角煤柱整體穩定性好，未出現大面積垮落現象，幫部最大收斂量不足0.2 m。