掘进巷道片帮机理及控制技术

张敏敏

（晋能控股煤业集团雁崖煤业公司，山西 大同 037031）

1 概述

晋能控股煤业集团雁崖煤业公司5310 高抽巷位于井田三盘区，巷道设计长度为2842 m，巷道设计断面规格为宽×高=4.5 m×3.5 m。巷道从三盘区辅运巷开口以5°仰角上山掘进施工，巷道掘进54 m后掘进至三盘区皮带巷顶板后水平掘进200 m，掘进到位后再以5°仰角上山掘进直至揭露2#煤层后沿煤层顶板平行掘进。截至目前巷道已掘进1260 m。

5310 高抽巷掘进煤层为2#层，煤层平均厚度为3.2 m，煤层起伏变化大，呈南高北低走向。煤层直接顶主要以炭质泥岩为主，平均厚度为4.2 m，局部夹杂煤线，平均厚度为0.2 m；基本顶主要以细砂岩为主，平均厚度为11.8 m；直接底主要以泥岩及3#～5#煤层合并层为主，平均厚度为5.9 m。

5310 高抽巷围岩原设计采用“锚杆（索）+金属网”联合支护设计。顶板每排布置6 根长2.5 m左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆间距为0.85 m，排距为1.2 m；顶板每排布置长度为6.3 m 预应力锚索，锚索间距为1.8 m，排距为2.4 m；巷道两帮每排布置三排护帮，护帮锚杆长2.0 m，锚杆间距为1.0 m，排距为1.2 m，如图1。

2 巷道破坏现状及问题分析

2.1 巷道破坏现状

（1）巷道在前1200 m 掘进过程中，巷道掘进为2#实体煤，巷道成型效果相对较好，采用锚杆（索）支护能够有效控制围岩变形。但是当巷道掘进至1200 m 处时，巷道顶板出现煌斑岩侵入现象，导致巷道底板往上2.0 m 范围为2#煤层，2.0～3.5 m范围内为煌斑岩，局部2#煤层挤压至巷道底板下。

（2）巷道掘进至1200 m 处时巷道顶板围岩变化不大，但是巷道两帮出现局部破碎现象。当巷道掘进至1220 m 处时巷道割煤后右帮片帮严重，片帮最大深度为1.8 m，两帮采用螺纹钢锚杆支护效果差。掘进工作面迎头10 m 范围内护帮锚杆失效率达到18%，导致巷道掘进速度由原来的12 m/d 降低至5.4 m/d。

2.2 巷道片帮机理

（1）煤体稳定性差。5310 高抽巷掘进的2#煤层属于硅化煤，煤体稳定性差，煤体整体成颗粒破碎状。通过对煤体进行单轴抗压试验发现，煤体抗压强度为8 MPa，极易破碎，巷帮在进行支护钻孔施工以及掘进机割煤时都会影响煤体稳定性。

（2）煌斑岩侵入影响。巷道掘进至1200 m 处巷道右侧煤层出现煌斑岩侵入现象，煌斑岩侵入煤体后进一步破坏了煤体整体稳定性，而且煌斑岩位于煤层上部，巷道在掘进过程中煌斑岩很容易出现失稳现象，导致巷道围岩受应力加大，不稳定煤体在应力作用下出现剥离破坏作用，导致煤体破碎现象。

（3）巷帮支护强度低。原巷帮主要采用长度为2.0 m 螺纹钢进行支护，采用端头锚固方式，锚固长度为0.35 m。而5310 高抽巷在过煌斑岩侵入区时，巷帮煤体受应力破坏严重，煤体内形成较发育的围岩松动圈，锚杆锚固端位于松动圈内导致锚杆锚固效果差，无法对破碎煤体进行有效支护。

3 巷帮联合支护技术应用

为了提高5310 高抽巷破碎巷帮稳定性，决定对巷帮采取“深孔超前注浆+超前护帮锚索+桁架锚索”联合控制技术[1-5]。

3.1 深孔超前注浆施工

（1）5310 高抽巷掘进至1260 m 处时，对工作面迎头煤壁施工一排注浆钻孔，每排3 个（钻孔编号为1#、2#、3#），同一排钻孔成直线布置，钻孔开孔位置距顶板间距为2.0 m。

（2）注浆钻孔间距为1.0 m，1#钻孔布置在距巷帮3.0 m 处，钻孔深度为8 m，2#钻孔深度为6.0 m，3#钻孔深度为4.0 m，所有钻孔直径为40 mm，钻孔与右帮夹角为30°，钻孔超前工作面迎头距离为5.2 m，钻孔深入右帮煤体深度为2.0 m，如图1。

图1 5310 高抽巷破碎巷帮注浆钻孔布置示意图

（3）为了达到加固巷帮煤体的注浆效果，在注浆施工前对超前钻孔埋入一根直径为20 mm 注浆软管，并在钻孔内设计巷帮为主安装环形封孔器。

（4）钻孔施工完后，将注浆软管与注浆枪连接，进行注浆施工。注浆液采用马丽散注浆液。马丽散是一种双组分合成高分子—聚亚胺胶脂材料，该注浆材料在高压注入破碎煤岩体后可迅速渗透至煤岩体裂隙内，并快速凝固膨胀实现对岩体裂隙填堵粘接作用。

3.2 超前护帮锚索支护

为了防止巷道掘进期间巷帮煤体出现超前破碎现象，决定对巷帮煤体施工超前护帮锚索支护。

（1）首先采用钻机对工作面右侧设计巷帮位置施工一排超前锚索孔，锚索孔深度为5.0 m，直径为25 mm，每排布置4 个，孔间距为0.9 m。第一个锚索孔距顶板间距为0.3 m，锚索孔垂直煤壁布置，水平方向允许误差偏角为±2°，竖直方向允许误差偏角为±3°。

（2）锚索超前支护孔施工完后，对钻孔内分别锚注一根长度为8.3 m、直径为21.8 mm 预应力锚索，锚索锚固长度为1.5 m，锚固力不低于390 kN。锚固后锚杆外露端采用圆钢托架及锚杆将其固定。

（3）当巷道掘进7.0 m 后施工第二排超前护帮锚索，相邻两排护帮锚索叠加交错布置，叠加距离为1.0 m。

3.3 桁架锚索支护

巷帮永久支护施工完后，决定对巷帮施工桁架锚索支护，从而削弱应力对巷帮产生的扩张破坏作用。

（1）桁架锚索主要由2 根锚索、张拉器、槽钢等部分组成。锚索长度为4.0 m，直径为17.8 mm；槽钢长度为2.5 m，宽度为12 mm。在槽钢两端各焊制一个长度为0.1 m、宽度为5 mm 的槽孔。

（2）首先采用钻机在破碎巷帮施工两个锚索支护孔，支护孔间排距为2.0 m，支护孔施工相邻两排永久支护之间，如图2。第一个支护孔距顶板间距为0.75 m，支护孔深度为4.0 m，仰俯角为30°。

（3）支护孔施工完后，对钻孔内锚注两个锚索，控制锚索外露长度为0.2 m。然后在锚索外露端分别安装槽钢、张拉器，并利用张拉器对两根锚索进行预紧，预紧力不得低于400 N.m，预紧后保证槽钢与巷帮接触严实。

4 结束语

截至2020 年9 月17 日，5310 高抽巷已掘进至1450 m，巷道完全通过了煌斑岩侵入区。通过对煌斑岩侵入区巷帮破碎原因的合理分析，提出了“深孔超前注浆+超前护帮锚索+桁架锚索”联合控制方案，巷道在后期掘进过程中大大降低了片帮现象，片帮最大深度控制在0.4 m 以下，巷帮支护失效率降低至4%以下，提高了巷道成型率，保证了巷道安全快速掘进，取得了较好的效果。