陷落柱应力区巷道掘进支护技术

葛 梁

（山西宏宇诚铸建设工程有限公司，山西 朔州 038300）

1 概述

麻家梁矿14102巷位于井田的东南部，北临+665水平南回风大巷（东），东临14103辅助运输顺槽联巷，西临14102辅助运输顺槽，南部未开采。

14102巷设计长度为1400m，巷道设计断面规格为宽×高=5.5×3.6m，巷道掘进煤层为山西组4#煤层，平均厚度为6.8m。煤层结构复杂，夹石2～3层，一般为3层，夹石厚度最大可达0.40m。4#煤层含伪顶，主要以泥岩为主，平均厚度为0.66m；直接顶主要以泥岩与细砂岩混合岩层为主，平均厚度为2.4m；基本顶主要以中、细砂岩为主，平均厚度为6.21m。14102巷采用综合机械化掘进施工工艺，已掘进489m。

根据地测资料显示，14102巷掘进至476m处位于巷道北侧21m处含有一个陷落柱X4。陷落柱呈椭圆形，长轴长为42m且与巷道平行，短轴长为24m。陷落柱内主要以碎状泥岩、砂岩充填为主。受陷落柱影响，施工巷道掘进至470m处，工作面煤体出现松软现象；当巷道掘进至476m处时，位于陷落柱侧煤壁片帮严重，顶板与煤壁之间肩角煤柱预留困难；当巷道掘进至485m处，煤壁片帮深度达1.5m，陷落柱侧顶板下沉量达0.43m，巷帮及顶板支护失效率达41%,工作面瓦斯涌出量加大，最大达2.9%，严重威胁巷道安全快速掘进。

2 巷道应力区原支护设计及问题分析

2.1 原支护设计

14102初步支护设计中顶板及巷帮采用金属网、钢带、锚索、锚杆进行联合支护。

（1）顶板支护。顶板每排布置5根螺纹钢锚杆，锚杆长度为2.5m，锚杆间距×排距=1.1×1.0m，每排锚杆配套一根规格为长×宽=4.8×0.15m“M”型钢带，锚杆与钢带之间采用规格为长×宽=0.1×0.1m拱形垫片预紧，预紧力为200N·m。顶板锚索采用长度为5.5m、直径为17.8mm预应力钢绞线，每排施工3根，间距×排距=1.8×3.0m，锚索外露端采用规格为长×宽=0.3×0.3m钢方垫预紧。顶板金属网采用网格为50×50mm菱形经纬网，规格为长×宽=6.0×1.2m，相邻两卷金属网搭接长度不得低于0.2m。

（2）巷帮支护。巷帮采用锚杆支护形式，锚杆长度为2.0m，从顶板至底板每排布置3根锚杆，锚杆间距×排距=1.1×1.0m，第一根锚杆距顶板间距为0.5m，锚杆外露端采用一根规格为长×宽=0.45×0.25m“W”型钢带预紧。巷帮金属网网格为50×50mm，规格为长×宽=4.0×2.0m。

2.2 X4陷落柱应力区巷道破坏机理

（1）保安煤柱稳定结构破坏。由于14102巷北侧煤体含有X4陷落柱，4#煤层在陷落柱侵入挤压影响，破坏了原煤层连续稳定性，巷道掘进前应力区与陷落柱之间的煤柱受压大但处于原岩应力平衡状态，巷道掘进后打破原岩应力平衡，在压力作用下保安煤柱出现拉伸破坏，向巷道开挖空间变形、垮落。

（2）掘进煤层承载能力低。由于山4#煤层结构复杂，稳定性差，煤体内含多层夹矸，破坏了煤体稳定结构，而且山4#煤体岩石普氏系数f=1.0，煤体强度及承载能力低，在巷道掘进应力及构造应力影响下，顶煤出现剪切破坏，巷帮出现剥离破坏，从而导致顶板、巷帮破碎严重。

（3）支护强度不足。由于受应力影响，巷帮煤壁及陷落柱侧顶板深处出现严重破碎现象。通过窥视孔发现，巷帮2.3m范围内出现严重破碎，顶板往上3.4m范围内出现严重破碎，且直接顶与顶煤之间出现局部离层现象。原支护设计中顶板及巷帮锚杆长度不足，锚杆锚固端位于不稳定煤体松动圈内，锚杆支护后失效严重，降低了锚杆支护效果。

（4）支护设计不合理。原顶板支护设计中，顶板钢带长度为4.8m，每排布置5根锚杆，两端锚杆距巷帮间距为0.4m，而巷帮支护设计中第一根锚杆距顶板间距为0.5m，从而造成巷道肩角煤柱支护不到位，在应力作用下，位于陷落柱侧肩角煤柱出现垮落现象。

3 支护工艺优化

为了降低陷落柱对14102巷围岩稳定性影响，提高巷道成型率，保证巷道支护效果，决定采用“注浆+L型钢棚+柔模浇筑”联合支护技术对围岩进行维护。

3.1 注浆支护

（1）为了提高巷帮煤体及顶煤稳定性，对巷帮及顶板破碎煤体采取注浆支护。通过实际观察发现，位于陷落柱侧在距顶1.5m范围内巷帮煤体，以及在距煤壁2.1m范围内顶板煤体出现严重破碎现象，决定在此范围内采取注浆支护技术。

（2）14102巷从489m对施工巷道采取注浆支护，采用风动Y-28型钻机配套中空钻杆以及直径为45mm“一”字型钻头进行钻孔施工，巷帮共计施工两个钻孔。第一个钻孔距顶板1.5m处，钻孔与巷帮垂直布置，第二个钻孔施工在距顶板0.7m处，钻孔与巷帮成45°仰角布置。顶板施工三个注浆钻孔，钻孔间距为0.8m。第一个钻孔距巷帮间距为0.5m，与巷帮夹角为75°，第二个、第三个钻孔与顶板垂直布置，如图1所示。巷帮及顶板注浆钻孔深度为5.0m，排距为3.0m。

（3）顶板及巷帮注浆钻孔施工完后，采用2ZBQ气动注浆泵对钻孔高压注射聚氨酯浆液，注浆压力为1.6MPa。当单孔注浆达到设计压力且稳定10min后停止注浆，并对钻孔进行封孔处理。当注浆2h后巷道方可继续掘进施工。

3.2 “L”型钢棚支护

（1）采用“L”型钢棚主要是对巷帮与顶板之间肩角煤柱进行连续钢性被动支护，弥补传统锚杆支护不足、支护效果差等问题，可有效防止肩角煤柱破碎、垮落现象。

（2）“L”型钢棚主要由底座、棚腿、顶梁、卡缆、固定锚杆以及连接杆等部分组成。棚腿长度为3.6m，顶梁长度为1.5m，棚腿底座采用一块规格为长×宽=0.5×0.5m钢方垫焊制而成。连接杆主要由11#槽钢焊制而成，长度为1.0m。

（3）首先在巷道底板处安装棚腿底座，每个底座采用四个地锚与底板固定，两个底座中线与巷道中线垂直，底座固定安装后采用连接螺母与棚腿固定。棚腿紧贴巷帮安装，每根棚腿中部采用一根长度为1.5m锚杆将其与浇筑面固定。

（4）棚腿安装后安装钢棚顶梁，顶梁与棚腿采用卡扣式连接并采用抱箍固定，顶梁与顶板之间同样采用一根固定锚杆固定。顶梁安装后顶梁与棚腿之间采用连接杆固定，“L”型钢棚假设间距为1.0m。

3.3 柔模浇筑技术

为了提高巷帮煤柱承载能力，阻断应力破碎区煤体向巷道内涌出瓦斯，决定在陷落柱侧巷帮煤柱采取柔模浇筑技术。

（1）巷道每掘进5.0m施工一次柔模浇筑技术。首先在巷帮处支设两排木柱，木柱长度为3.6m，直径为30mm，木柱支设间距为2.0m，排距为0.5m。木柱支设完成后在木柱外围进行支设木盒。

（2）当木盒支设高度达1.0m后采用注浆泵向盒内浇筑配比为水泥:沙子:石子=1:2:2的混凝土。浇筑期间采用振动泵震动，确保浇筑严实。浇筑到位后继续支设木盒。

（3）当柔模浇筑完成后，在浇筑面施工三根长度为4.0m预应力锚索，锚索外露端采用一根长度为0.5m工字钢梁及锁具进行预紧。锚索间距为1.2m，锚索排距为2.0m。

图1 14106巷陷落柱侧煤柱及顶板联合支护断面示意图

4 效果

针对14102巷在476～518m段受邻近X4陷落柱影响出现片帮、顶板破碎下沉等现象，决定巷道从489m处采用“注浆+L型钢棚+柔模浇筑”联合支护，已完全通过应力破碎区。应用效果表明，采取联合支护后提高了巷帮支撑作用，解决了应力作用下巷帮片帮现象，阻止了破碎煤体内瓦斯向工作面涌出，保证了肩角煤柱稳定性。采取联合支护后，控制了顶板下沉量，最大下沉量控制在0.12m以下，提高了巷道成型率。巷道过应力区掘进速度由原来的3.7m/d提高至6.8m/d，加快了巷道掘进速度，保证了巷道施工安全，取得了显著的应用成效。