塔山礦8311工作面小煤柱巷道圍巖控制實踐

李財隆

（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 工程概況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)雁崖煤業(yè)大同有限公司塔山礦三盤區(qū)8311 工作面位于三盤區(qū)西翼，工作面南部為2312 巷、北部為褐煤區(qū)，東部為三盤區(qū)西翼盤區(qū)巷，西部為實煤區(qū)與挖金灣井田山4#煤層8201 工作面相鄰。

8312 工作面主采山4#煤層，根據(jù)巷道掘進(jìn)揭露的煤層情況分析，屬復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，煤層厚度3.20～3.60 m，平均厚度3.40 m。 煤層中普遍含有1 層夾石，局部含有2 層夾石，夾石厚度為0.10～0.20 m。 夾石巖性為：灰黑色砂質(zhì)泥巖、深灰色高嶺質(zhì)泥巖。8311 工作面頂板中存在堅硬、完整的厚巖層，山4#煤層直接頂主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖、中粒砂巖三層巖層組成，基本頂由泥巖、中粒砂巖、泥巖三層巖層組成。山4#煤層頂板情況如表1 所示。

表1 8311 工作面山西組4#煤層頂?shù)装鍘r性

8311 工作面長228 m，走向長度為616 m，可采長度為590 m，工作面采用綜合機(jī)械化回采工藝。8311 工作面與8312 工作面預(yù)留小煤柱寬度為6.0 m，截至2020年1月12 目前工作面已回采240 m。

2 礦壓顯現(xiàn)特征

由于受回采應(yīng)力、圍巖穩(wěn)定性等影響，8311 工作面在回采時小煤柱巷道（2312 巷） 礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，呈現(xiàn)長時大變形特征。 受采動影響，2312 巷局部地段區(qū)段小煤柱呈現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞現(xiàn)象（對穿錨索破斷、松動圈范圍逐步擴(kuò)大等），主要表現(xiàn)在巷道頂板出現(xiàn)下沉，最大下沉量達(dá)0.45 m，兩幫收斂量達(dá)0.52 m，且小煤柱與頂板三角區(qū)域出現(xiàn)垮落，嚴(yán)重威脅著8312 工作面后期安全高效回采。

3 圍巖穩(wěn)定性分析

1）在2311 巷及2312 巷掘完后，小煤柱處于二向應(yīng)力狀態(tài)。8311 工作面回采后，因覆巖堅硬厚層頂板跨落時間效應(yīng)，致使區(qū)段小煤柱長時間處于高支承壓力作用下，高應(yīng)力已經(jīng)完全貫穿整個煤柱，造成煤柱二次應(yīng)力破壞嚴(yán)重[1]，出現(xiàn)煤柱垮落、破碎現(xiàn)象。

2）2311 巷與2312 巷掘進(jìn)及8311 工作面采動對小煤柱造成動壓影響，使煤體由原巖應(yīng)力彈性狀態(tài)向高應(yīng)力塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)換，圍巖力學(xué)性能下降，圍巖穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。

3）8311 工作面頂板中存在的堅硬、 完整的厚巖層，故8311 工作面回采過程中，8311 工作面端頭易形成大面積沿采空側(cè)向懸頂，給巷內(nèi)支護(hù)產(chǎn)生較大的附加作用力，2311 巷靠近采空區(qū)側(cè)頂板下沉增大，促使直接頂與基本頂之間離層[2]，對2312 巷圍巖穩(wěn)定性控制造成不利影響。

4）由于8311 工作面懸頂梁的旋轉(zhuǎn)變形和懸伸巖層上覆壓力的作用將導(dǎo)致2312 巷巷旁支護(hù)荷載大大增加[3]，導(dǎo)致巷道圍巖發(fā)生嚴(yán)重變形而失穩(wěn)，甚至出現(xiàn)頂板大面積來壓等動力災(zāi)害。

5）由于8311 工作面頂板堅硬巖層不但不能及時、完全冒落，甚至形成永久性的懸臂式結(jié)構(gòu)，大大增加了煤柱的載荷，造成2312 巷變形急劇增加，進(jìn)而影響其圍巖穩(wěn)定性。

4 巷道圍巖控制技術(shù)

4.1 爆破切頂卸壓

為了阻止8311 工作面回采過程中應(yīng)力向小煤柱方向傳遞，削弱小煤柱巷道應(yīng)力破壞作用，決定在8311 工作面運(yùn)輸順槽（2311 巷）實施松動爆破切頂卸壓工藝。

（1）為了實現(xiàn)8311 工作面回采過程中直接頂能夠完全垮落，切頂卸壓孔在2311 巷頂板上方施工。 卸壓孔設(shè)計深度為7.0 m，爆破孔直徑65 mm，布置間距為3.0 m，爆破孔施工在距小煤柱0.15 m處，且爆破孔向采空區(qū)方向75°夾角布置，鉆孔開口位置沿巷道走向方向成直線布置，如圖1 所示。

（2）切頂卸壓孔施工前由地測人員現(xiàn)場給線，并標(biāo)定鉆孔開口位置。 卸壓孔采用MYT-190 型液壓鉆機(jī)配套六棱鉆桿以及直徑為60 mm 合金鋼鉆頭進(jìn)行施工，鉆孔每鉆進(jìn)1.0 m 準(zhǔn)確測量深度。

（3）定向爆破切頂卸壓孔施工完后，對鉆孔內(nèi)安裝定向聚能。 聚能管主要由直徑為63 mm PVC管制成，聚能管兩端均勻布置7 個直徑為20 mm能量釋放孔，孔間距為0.25 m，每節(jié)聚能管長度為2.0 m，每個卸壓孔內(nèi)安裝2 根聚能管，管與管之間采用連接套固定連接。

（4）聚能管安裝后對孔內(nèi)填裝礦用三級乳化炸藥，每個孔內(nèi)填裝5 支藥卷，每支藥卷長度為0.3 m，單孔總裝藥量為1.5 kg。 同時對藥卷內(nèi)正向裝入一支毫秒延期電雷管[4]，每次爆破孔數(shù)不得超過3 個。

4.2 聯(lián)合支護(hù)

為了提高小煤柱穩(wěn)定性，防止小煤柱垮落，并控制2312 巷圍巖變形量，決定對小煤柱巷道圍巖采用“邁步式錨索梁棚+三角區(qū)注漿加固+巷幫水力膨脹錨桿”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

（1）錨索梁棚支護(hù)

由于8311 工作面回采過程中超前應(yīng)力對2312 巷小煤柱側(cè)頂板影響較大，導(dǎo)致該側(cè)頂板出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，所以決定施工邁步式錨索梁棚進(jìn)行加固。

①2312 巷頂板共計施工兩排錨索梁棚，錨索梁棚沿巷道走向布置，每架錨索梁棚主要由一根長度為3.2 m、寬度為0.11 m 工字鋼梁（鋼梁上焊制兩個錨索支護(hù)孔，孔間距為2.5 m）和兩根長度為8.3 m、直徑為21.8 mm 恒阻錨索組成。

②第一排錨索梁棚施工在距小煤柱0.2 m處，同一排相鄰兩排錨索吊棚布置間距為1.25 m，錨索吊棚布置排距為1.0 m，相鄰兩排錨索吊棚成邁步式布置，如圖1 所示。

圖1 小煤柱巷道聯(lián)合支護(hù)平面

（2）注漿加固支護(hù)

受應(yīng)力作用三角區(qū)巖體破碎嚴(yán)重，三角區(qū)煤柱垮落后降低了小煤柱整體支撐強(qiáng)度，所以擬對三角區(qū)煤柱采取注漿加固。

①通過現(xiàn)場對小煤柱三角區(qū)觀察發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)力作用下小煤柱破壞范圍主要集中在頂板往下1.5 m 范圍內(nèi)，所以對小煤柱采取頂板雙排鉆孔同步注漿加固施工工藝。

②巷幫鉆孔施工在距頂板1.5 m 處巷幫煤柱上，該鉆孔主要對小煤柱進(jìn)行加固，鉆孔深度為4.0 m，鉆孔仰角為45°，鉆孔直徑為45 mm。 頂鉆孔施工在2312 巷頂板距小煤柱1.0 m 處，鉆孔向小煤柱方向施工，鉆孔與頂板仰角為60°，鉆孔深度為3.0 m，直徑為45 mm，該鉆孔主要對小煤柱頂板裂隙進(jìn)行填充加固[5]。

③注漿液主要采用馬麗散與催化劑配比為1:1 的混合漿液[6]。 注漿工序為：鉆孔施工→安裝注漿軟管→安裝止?jié){塞→連接專用雙液桶注漿泵→注漿施工，注漿時注漿壓力為2.0 MPa，單孔注漿量為45 kg。

（3）膨脹錨桿支護(hù)

為了解決傳統(tǒng)錨桿支護(hù)時錨固效果差且無法削弱桿體側(cè)向應(yīng)力等技術(shù)難題，決定對小煤柱施工邁步式D 型水力膨脹錨桿。

①支護(hù)原理。 一般錨桿在支護(hù)時通過錨固劑錨固作用固定在穩(wěn)定巖體內(nèi)，然后通過托盤及螺母對桿體施加預(yù)應(yīng)力，從而達(dá)到控制圍巖擴(kuò)張破壞作用[7]。 而膨脹錨桿在錨固作用的基礎(chǔ)上，對桿體高壓注水使桿體膨脹，桿體膨脹過程中對鉆孔壁巖體產(chǎn)生擠壓作用，從而有效削弱了鉆孔壁徑向應(yīng)力破壞作用[8-10]，起到錨桿雙向（軸向、徑向）應(yīng)力支護(hù)作用，如圖2 所示。

圖2 水力膨脹錨桿支護(hù)原理

②錨桿結(jié)構(gòu)。 D 型膨脹錨桿為中空狀，錨桿桿體側(cè)面成“凹”型，桿體橫截面成“D”形狀，桿體采用模具一次性澆筑而成，桿體厚度為5 mm，長度為2.0 m，桿體端部為銷尖狀，桿體最大承載能力355 MPa。

③施工工藝。 小煤柱巷幫共計施工兩排水力膨脹錨桿，第一排施工在距頂板1.0 m 處，第二排與第一排布置排距為1.5 m，水力膨脹錨桿布置間距為2.0 m，相鄰兩排水力膨脹錨桿采用邁步式布置。 采用手持式鉆機(jī)對小煤柱施工支護(hù)孔，孔深為2.0 m，直徑為35 mm，鉆孔施工完后對水力膨脹錨桿進(jìn)行錨固。 水力膨脹錨桿錨固后在錨桿外露端安裝托盤并采用螺母預(yù)緊，然后在水力錨桿內(nèi)埋入一根高壓注水軟管，對錨桿外露端頭處采用止?jié){塞堵塞，再將注水軟管與高壓注水泵連接進(jìn)行注水施工。 注水壓力在15～22 MPa 之間，注水過程中發(fā)現(xiàn)膨脹錨桿D型口完全膨脹后立即停止注水。

5 結(jié)語

截至2020年8月23日，8311 工作面回采已結(jié)束。 工作面回采期間，通過對小煤柱巷道應(yīng)用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，并在后期回采過程中對小煤柱巷道頂板、兩幫安裝圍巖監(jiān)測儀進(jìn)行礦壓監(jiān)測。 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，8311 工作面前方30 m 范圍內(nèi)小煤柱巷道受應(yīng)力影響較大，頂板局部出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，頂板最大頂板下沉量為0.17 m，兩幫收斂量最大為0.21 m。 采用切頂卸壓和巷道聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，回采期間小煤柱巷道圍巖未出現(xiàn)破碎、三角區(qū)域垮落現(xiàn)象，提高了應(yīng)力區(qū)小煤柱巷道圍巖承載力，保證了工作面安全高效回采，取得了顯著的應(yīng)用成效。