2310 巷3-5#合并区片帮处理技术研究

高 雄

（晋能控股煤业集团雁崖煤业大同有限公司，山西 大同 037031）

1 概述

塔山三盘区2310巷位于三盘区东翼偏南一侧，北部为8309 工作面（未开拓），南部为村庄铁路保护煤柱，西部为三盘区主要三条大巷，东至保护煤柱为界。2310 巷设计长度2712 m，设计断面规格为宽×高=4.5 m×4.0 m，巷道沿3-5#合并煤层底板掘进。3-5#合并煤层结构复杂，平均厚8.96 m，平均倾角为3°，煤层中含2～7 层夹矸，厚度为0.05～0.58 m，主要以黑色泥岩、高岭岩为主，煤体局部区域存在煌斑岩侵入，导致煤体硅化现象严重。3-5#合并煤层呈交叉分层状，煤体稳定性差，煤体岩石普氏系数f ＜2.0 ，属于石炭系不稳定煤层。3-5#合并煤层直接顶主要以砂质泥岩为主，平均厚度为3.2 m，基本顶主要以砂岩为主，平均厚度为5.12 m。

2310 巷从三盘区辅助运输巷开口施工，采用综合机械化掘进工艺，截至2020 年8 月21 日巷道已掘进840 m。前期掘进期间巷道围岩相对稳定，当巷道掘进至820 m 处时，位于进向左帮出现片帮现象，随着巷道延伸，巷帮片帮现象加剧。巷道掘进至834 m 处时煤壁片帮深度达1.6 m，片帮长度达2.4 m，片帮位置主要在顶板往下1.5 m 范围内。受片帮影响，巷道顶板出现失稳现象，严重制约着巷道安全快速掘进。

2 片帮机理及原支护问题分析

2.1 巷道片帮机理

（1）采空区残余应力影响。2310 巷上覆为二叠系山4#层采空区，与石炭系3-5#合并煤层间距为13 m，其中2310 巷812～886 m 段左帮与4#采空区最小水平距为2.8 m，而3-5#煤层顶板主要以泥岩为主，稳定性差，受上覆采空区残余应力影响，巷道在过上覆采空区期间巷道顶板及巷帮受应力影响大，导致顶板破碎、巷帮片帮现象。

（2）煤体硅化现象严重。巷道掘进至790 m处时掘进煤层出现煌斑岩侵入现象，侵入区域主要集中在顶板往下1.2 m 范围内巷道左帮侧，煌斑岩侵入后破坏了原煤整体结构，导致煌斑岩侵入区域煤体硅化现象严重，煤体成沙粒状，稳定性极差，采用传统锚杆支护效果差。

2.2 原巷道支护设计

2310 巷原巷帮主要采用锚杆支护，共计布置4排，排距为1.0 m。第一排布置在距顶板0.5 m 处，锚杆间距为1.0 m，锚杆采用长度为2.0 m、直径为20 mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，每根锚杆采用一支MSK23/60 型锚固剂锚固，锚固有效长度为0.55 m，锚固力为225 kN；锚杆外露端安装一根长度为0.45 m、宽度为0.25 m 钢带并进行预紧，设计预紧力为300 N·m。

2.3 支护问题分析

（1）锚固效果差。2310 巷巷帮煤柱片帮破碎后，在煤体内形成围岩松动圈，松动圈延伸深度达1.8 m，而原锚杆长度为2.0 m，锚杆采用端头锚固方式，锚杆支护时锚杆锚固段位于松动圈内，不仅造成支护孔施工难度大，而且锚杆锚固效果差，巷帮煤体一旦出现失稳时很容易造成锚杆失效现象。

（2）预紧力不达标。锚杆支护时主要采用钻机对锚杆端头施加预应力，预应力通过杆体传递至锚固段，从而削弱和控制岩体内部水平剪应力。但是对于片帮破碎煤体，由于煤体内裂隙发育，在进行支护预紧过程中支护主动应力在钻孔裂隙带内释放，不仅减弱了对水平剪应力控制作用，而且预应力在裂隙带内产生扩张破坏作用，加剧了煤体破坏程度。

3 煤壁片帮联合控制技术

3.1 超前注浆加固

为了控制片帮煤体松动圈范围，提高煤体之间摩擦力及胶结强度，决定对片帮煤体采用超前斜孔注浆加固[1-5]。

（1）巷道掘进至840 m 时，对片帮煤柱施工超前注浆斜孔，每排施工2 个注浆孔，孔深5.0 m，钻孔直径为45 mm。第一个注浆钻孔施工在距顶板0.3 m 处，钻孔与巷帮水平夹角为45°，仰角为20°；第二个钻孔施工在距顶板1.5 m 处，钻孔与巷帮水平夹角为45°，仰角为0°。

（2）钻孔施工完后，采用注浆泵对钻孔内注浆。为了提高注浆效果，缩短浆液凝固时间，注浆液采用马丽散与催化剂混合剂，注浆顺序从上往下依次进行，注浆压力为1.5 MPa，注浆量为25 kg/孔，注浆后采用双层止浆塞封堵。

（3）巷道每掘进4.0 m 施工一排超前注浆斜孔，直至完全控制片帮现象。注浆钻孔严格按照设计施工，施工过程中出现塌孔时必须重新补打钻孔。

3.2 超前锚索支护

为了防止巷道掘进过程中巷帮煤柱出现超前破坏垮落现象，决定对左帮施工超前锚索支护。

（1）超前锚索长为4.0 m，直径为17.8 mm，每排布置4 根超前锚索，采用钻机在距左帮设计巷帮位置0.1 m 处施工3 个支护孔，支护孔垂直迎头煤壁布置。

（2）锚索钻孔间距为1.0 m，第一个锚索钻孔距顶板0.8 m。支护钻孔施工完后对钻孔内锚注超前锚索，锚索控制外露长度为0.5 m，在外露端采用一排护帮进行固定。巷道每掘进1.0 m 后采用一排护帮支护及时对锚索进行固定。

3.3 水力管棚锚杆

3.3.1 支护原理

对围岩施工支护钻孔，对钻孔内锚注一根中空水力膨胀式管子锚杆，然后对支护体高压注水。当注水水压大于杆体屈服极限时，收缩杆体产生膨胀变形，变形后杆体与孔壁岩体牢牢镶嵌，与岩体产生摩擦力，杆体变形对岩体挤压过程中形成挤压受力圈，可对岩体松动圈进行控制；同时，杆体在膨胀变形时，杆体在纵向上产生收缩现象，使得支护托盘对煤体产生较强的托锚力，对破碎围岩起到更好的效果。支护原理如图1。

3.3.2 支护结构

2310 巷片帮煤壁采用水力膨胀式管子锚杆，锚杆为侧壁收缩中空状，完全膨胀后外径为29 mm，中空内径为18 mm。锚杆采用10#无缝钢管加工而成，锚杆屈服强度为180 MPa，最大延展率为4%，锚杆配套端套、挡圈、注水嘴、托盘等，其中托板采用长度为0.5 m、宽度为0.25 m、厚度为4 mm 的玻璃钢柔性托盘。

3.3.3 支护工序

（1）首先采用手持式钻机在片帮煤壁施工水力膨胀锚杆支护孔，孔直径为28 mm，每排布置4根，锚杆垂直煤壁布置，锚杆采用一支锚固剂进行锚固，锚杆布置间排距为1.0 m。

（2）锚杆锚固后在端头安装托盘并采用螺母进行预紧；然后依次安装挡圈注水嘴，并与高压注水泵进行连接；打开水泵阀门进行注水施工，注水压力逐渐升高，当水压达10 MPa 进行稳压10 min再进行升压至18 MPa；最后打开水泵回水管路进行卸压。

4 结语

2310 巷已掘进910 m，通过对巷道片帮煤柱采取“超前注浆加固+超前锚索+水力管棚锚杆”联合支护技术后，巷道片帮现象得到有效控制，采取联合措施后片帮深度控制在0.3 m 以下，片帮长度控制在0.5 m 以下，提高了巷道成型率以及围岩稳定性，保证了巷道安全快速掘进。