王海波

（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

晋能控股煤业集团雁崖煤业大同有限公司8310工作面位于塔山三盘区东翼，工作面沿石炭系3#与5#合并煤层底板布置。工作面沿南北走向布置，北部为井田边界，南部为塔山三盘区辅助运输巷，顺槽两侧为实煤区。8310 工作面走向长度为2680 m，倾向长度为280 m，工作面掘进的煤层平均厚度为11.2 m，平均倾角为4°。煤层顶底板岩性见表1。

表1 8310 工作面3#～5#煤层顶底板岩性表

8310 顶板高抽巷是为抽放三盘区8310 工作面在开采层顶部处于采动影响裂隙带内瓦斯的巷道，巷道布置在3#～5#煤层顶部，设计总长2712 m，矩形断面：宽×高=4.2 m×3.1 m。

2 高抽巷穿层掘进工艺及现状

2.1 掘进工艺及现状

8310 高抽巷采用综合机械化掘进工艺，施工巷道从辅助运输巷以5°仰角上山掘进40 m 后，进入三盘区皮带巷顶板，两巷层间距为2.5 m，掘进40 m 且过三盘区回风巷顶板后继续以5°仰角上山掘进，直至进入3#～5#煤层顶板后平行掘进。截至2021 年3 月24 日8310 高抽巷已掘进95 m。

8310高抽巷在前80 m掘进期间围岩相对稳定，当巷道掘进至85 m 处时工作面迎头与巷道开口位置落差为6.2 m，此时巷道围岩出现破碎现象，主要集中在顶板中部断裂破碎、两帮与顶板之间三角煤柱垮落等。巷道掘进至92 m 处时出现冒漏现象，顶板最大冒漏高度1.5 m，宽度3.2 m，原顶板支护失效现象严重。

2.2 支护工艺

8310 高抽巷顶板初步支护设计采用锚杆（索）+W 型钢带进行联合支护。锚杆为长度2.5 m、直径22 mm 的无筋螺纹钢，每排布置5 根，采用端头锚固方式，锚固长度为0.6 m，采用一支MSK23/60型锚固剂，锚杆间排距为1.0 m；顶板采用一根长度为4.0 m、宽度为0.25 m、厚度为4 mm 的W 型钢带与同一排锚杆配套使用。

顶板锚索采用长度为6.5 m、直径为21.8 mm的9 股预应力钢绞线，顶板每排布置3 根，锚索采用端头锚固方式，锚固长度为1.55 m，采用两支MSK23/60 型和一支MSKC23/35 型锚固剂锚固，锚索布置间距×排距=3.0 m×1.5 m。

2.3 巷道围岩破坏机理

由于8310 高抽巷掘进煤层为石炭系3#与5#合并煤层，煤层节理及裂隙发育，煤体抗压及承载强度低。通过单轴抗压试验发现，3#～5#煤层平均单轴抗压强度不足17 MPa，而8310 高抽巷采用穿层施工工艺，在穿层施工过程中破坏了煤层层状结构，导致煤体破碎严重。

8310 高抽巷在掘进过程中主要采用传统的锚杆（索）支护，当巷道围岩破碎并形成围岩裂隙“松动圈”，松动圈范围随应力作用范围不断扩大，导致锚杆（索）支护时锚固端失效严重，锚杆预应力无法有效传递至锚固段稳定岩体内，大大削弱了锚杆（索）悬吊支护作用及组合梁（拱）作用。

3 穿层施工联合支护技术

为了保证8310 高抽巷安全快速掘进，解决穿层施工时锚杆（索）支护主要存在的技术难题，决定对穿层施工期间支护进行合理优化，在原顶板支护不变的情况下提出了“超前管棚注浆+桁架锚索+JW 型锚棚”联合加强支护设计[1-5]。

3.1 超前管棚注浆支护

（1）支护原理：巷道在上山掘进前对工作面迎头设计顶板位置施工一排超前注浆管棚，然后对钢管进行注浆使注浆液超前渗透至不稳定围岩裂隙内，注浆过程中可将注浆钢管与煤壁岩体充分粘接，从而实现了对工作面前方应力区岩体超前注浆加固，实现超前支护。

（2）支护材料：注浆钢管长度为3.5 m，直径为40 mm，为无缝中空钢管，中部孔直径为20 mm，光管外端头为丝扣结构，丝扣长度为0.2 m，底端为削尖状便于插入岩体，在钢管四周焊制三排注浆射孔，孔直径为12 mm，每排布置9 个，孔间距为0.5 m；采用ZBQ15/9 型气动注浆泵进行注浆施工，注浆压力为5.0 MPa，注浆量为15 L/min；注浆液采用配比为1:1的马丽散与催化剂复合材料。

（3）支护工序：① 首先采用手持式钻机在8310 高抽巷迎头施工一排超前支护钻孔，巷道迎头施工9 个超前管棚注浆钻孔（钻孔编号为1#、2#……9#），钻孔深度3.2 m，直径45 mm，钻孔开孔位置位于设计顶板上并以5°仰角布置；② 超前支护孔施工完后，将超前注浆钢管插入钻孔内，然后在两帮及中部钢管内插入直径为16 mm 注浆软管，在钢管口处采用止浆塞进行封堵；③ 将注浆软管与注浆泵连接进行注浆施工，注浆压力为3.5～5.0 MPa 范围内，单孔注浆量为150 L。

3.2 桁架锚索支护

（1）桁架锚索支护原理：传统锚杆（索）支护时，支护体主要利用锚固剂进行锚固，然后对杆体施加预应力，预应力通过杆体传送至深部稳定围岩内，形成稳定的应力梁结构。但是当围岩存在外界应力且对围岩产生持续破坏作用时，传统锚杆（索）支护无法消除或削弱外界应力作用，从而导致锚杆（索）支护“疲劳”现象，降低了支护效果。桁架锚索支护在原锚杆（索）支护作用的前提下，通过改变锚索支护角度，并对锚索施加水平应力，使锚索对钻孔壁产生斜角向上的作用分力，两分力垂直向上，从而有效削弱外界应力破坏作用，如图1。

（2）支护工序：① 8310 高抽巷上山掘进期间，顶板安装的桁架锚索支护主要由桁架拉杆、张拉器以及预应力锚索组成。桁架拉杆共计两根，每根长度为1.2 m，张拉器最大张拉应力为400 kN，预应力锚索长度为4.3 m，直径为17.8 mm；② 桁架锚索施工在相邻两根钢带之间顶板上，支护排距为2.0 m，首先在顶板施工两个锚索支护斜孔，钻孔与顶板斜角为75°，锚索间距为2.0 m，锚索施工完后对锚索进行锚注；③ 预应力锚索锚注后，在锚索外露端安装桁架拉杆，并采用张拉器对拉杆施加水平拉应力，确保锚索对钻孔壁产生足够的斜角作用分力。

3.3 JW 型锚棚支护

（1）JW 型锚棚由一根长3.6 m、宽0.34 m 的JW 型钢梁和三根长8.5 m、直径21.8 mm 恒阻锚索组成，JW 型钢梁横截面成“JW”型，钢梁厚度为5.5 mm，最大承载强度为760 MPa。

（2）每根JW 型钢梁与三根预应力锚索联合支护作用，锚索布置间距为1.5 m，相邻两节JW 型锚棚布置排距为2.0 m，且与桁架锚索支护交错布置，如图1。

图1 8310 高抽巷穿层施工顶板支护示意图（mm）

4 结语

截至2021 年4 月8310 高抽巷已掘进194 m，巷道穿层施工已到位，通过对巷道穿层施工期间的顶板采取“超前管棚注浆+桁架锚索+JW 型锚棚”联合支护技术，巷道在掘进过程中未出现顶板冒漏，有效控制了顶板下沉，实测顶板下沉量控制在0.14 m 以下，两帮未出现大面积破碎、垮落现象，两帮收敛量控制在0.26 m 以下，巷道后期掘进速度提高至6.2 m/d，取得了显著应用成效。