李财隆

（晋能控股煤业集团雁崖煤业大同有限公司，山西 大同 037031）

1 工程概况

晋能控股煤业集团雁崖煤业大同有限公司塔山矿三盘区8311 工作面位于三盘区西翼，工作面南部为2312 巷、北部为褐煤区，东部为三盘区西翼盘区巷，西部为实煤区与挖金湾井田山4#煤层8201 工作面相邻。

8312 工作面主采山4#煤层，根据巷道掘进揭露的煤层情况分析，属复杂结构煤层，煤层厚度3.20～3.60 m，平均厚度3.40 m。 煤层中普遍含有1 层夹石，局部含有2 层夹石，夹石厚度为0.10～0.20 m。 夹石岩性为：灰黑色砂质泥岩、深灰色高岭质泥岩。8311 工作面顶板中存在坚硬、完整的厚岩层，山4#煤层直接顶主要由泥岩、砂质泥岩、中粒砂岩三层岩层组成，基本顶由泥岩、中粒砂岩、泥岩三层岩层组成。山4#煤层顶板情况如表1 所示。

表1 8311 工作面山西组4#煤层顶底板岩性

8311 工作面长228 m，走向长度为616 m，可采长度为590 m，工作面采用综合机械化回采工艺。8311 工作面与8312 工作面预留小煤柱宽度为6.0 m，截至2020年1月12 目前工作面已回采240 m。

2 矿压显现特征

由于受回采应力、围岩稳定性等影响，8311 工作面在回采时小煤柱巷道（2312 巷） 矿压显现强烈，呈现长时大变形特征。 受采动影响，2312 巷局部地段区段小煤柱呈现支护结构失稳破坏现象（对穿锚索破断、松动圈范围逐步扩大等），主要表现在巷道顶板出现下沉，最大下沉量达0.45 m，两帮收敛量达0.52 m，且小煤柱与顶板三角区域出现垮落，严重威胁着8312 工作面后期安全高效回采。

3 围岩稳定性分析

1）在2311 巷及2312 巷掘完后，小煤柱处于二向应力状态。8311 工作面回采后，因覆岩坚硬厚层顶板跨落时间效应，致使区段小煤柱长时间处于高支承压力作用下，高应力已经完全贯穿整个煤柱，造成煤柱二次应力破坏严重[1]，出现煤柱垮落、破碎现象。

2）2311 巷与2312 巷掘进及8311 工作面采动对小煤柱造成动压影响，使煤体由原岩应力弹性状态向高应力塑性状态转换，围岩力学性能下降，围岩稳定性进一步降低。

3）8311 工作面顶板中存在的坚硬、 完整的厚岩层，故8311 工作面回采过程中，8311 工作面端头易形成大面积沿采空侧向悬顶，给巷内支护产生较大的附加作用力，2311 巷靠近采空区侧顶板下沉增大，促使直接顶与基本顶之间离层[2]，对2312 巷围岩稳定性控制造成不利影响。

4）由于8311 工作面悬顶梁的旋转变形和悬伸岩层上覆压力的作用将导致2312 巷巷旁支护荷载大大增加[3]，导致巷道围岩发生严重变形而失稳，甚至出现顶板大面积来压等动力灾害。

5）由于8311 工作面顶板坚硬岩层不但不能及时、完全冒落，甚至形成永久性的悬臂式结构，大大增加了煤柱的载荷，造成2312 巷变形急剧增加，进而影响其围岩稳定性。

4 巷道围岩控制技术

4.1 爆破切顶卸压

为了阻止8311 工作面回采过程中应力向小煤柱方向传递，削弱小煤柱巷道应力破坏作用，决定在8311 工作面运输顺槽（2311 巷）实施松动爆破切顶卸压工艺。

（1）为了实现8311 工作面回采过程中直接顶能够完全垮落，切顶卸压孔在2311 巷顶板上方施工。 卸压孔设计深度为7.0 m，爆破孔直径65 mm，布置间距为3.0 m，爆破孔施工在距小煤柱0.15 m处，且爆破孔向采空区方向75°夹角布置，钻孔开口位置沿巷道走向方向成直线布置，如图1 所示。

（2）切顶卸压孔施工前由地测人员现场给线，并标定钻孔开口位置。 卸压孔采用MYT-190 型液压钻机配套六棱钻杆以及直径为60 mm 合金钢钻头进行施工，钻孔每钻进1.0 m 准确测量深度。

（3）定向爆破切顶卸压孔施工完后，对钻孔内安装定向聚能。 聚能管主要由直径为63 mm PVC管制成，聚能管两端均匀布置7 个直径为20 mm能量释放孔，孔间距为0.25 m，每节聚能管长度为2.0 m，每个卸压孔内安装2 根聚能管，管与管之间采用连接套固定连接。

（4）聚能管安装后对孔内填装矿用三级乳化炸药，每个孔内填装5 支药卷，每支药卷长度为0.3 m，单孔总装药量为1.5 kg。 同时对药卷内正向装入一支毫秒延期电雷管[4]，每次爆破孔数不得超过3 个。

4.2 联合支护

为了提高小煤柱稳定性，防止小煤柱垮落，并控制2312 巷围岩变形量，决定对小煤柱巷道围岩采用“迈步式锚索梁棚+三角区注浆加固+巷帮水力膨胀锚杆”联合支护技术。

（1）锚索梁棚支护

由于8311 工作面回采过程中超前应力对2312 巷小煤柱侧顶板影响较大，导致该侧顶板出现失稳现象，所以决定施工迈步式锚索梁棚进行加固。

①2312 巷顶板共计施工两排锚索梁棚，锚索梁棚沿巷道走向布置，每架锚索梁棚主要由一根长度为3.2 m、宽度为0.11 m 工字钢梁（钢梁上焊制两个锚索支护孔，孔间距为2.5 m）和两根长度为8.3 m、直径为21.8 mm 恒阻锚索组成。

②第一排锚索梁棚施工在距小煤柱0.2 m处，同一排相邻两排锚索吊棚布置间距为1.25 m，锚索吊棚布置排距为1.0 m，相邻两排锚索吊棚成迈步式布置，如图1 所示。

图1 小煤柱巷道联合支护平面

（2）注浆加固支护

受应力作用三角区岩体破碎严重，三角区煤柱垮落后降低了小煤柱整体支撑强度，所以拟对三角区煤柱采取注浆加固。

①通过现场对小煤柱三角区观察发现，在应力作用下小煤柱破坏范围主要集中在顶板往下1.5 m 范围内，所以对小煤柱采取顶板双排钻孔同步注浆加固施工工艺。

②巷帮钻孔施工在距顶板1.5 m 处巷帮煤柱上，该钻孔主要对小煤柱进行加固，钻孔深度为4.0 m，钻孔仰角为45°，钻孔直径为45 mm。 顶钻孔施工在2312 巷顶板距小煤柱1.0 m 处，钻孔向小煤柱方向施工，钻孔与顶板仰角为60°，钻孔深度为3.0 m，直径为45 mm，该钻孔主要对小煤柱顶板裂隙进行填充加固[5]。

③注浆液主要采用马丽散与催化剂配比为1:1 的混合浆液[6]。 注浆工序为：钻孔施工→安装注浆软管→安装止浆塞→连接专用双液桶注浆泵→注浆施工，注浆时注浆压力为2.0 MPa，单孔注浆量为45 kg。

（3）膨胀锚杆支护

为了解决传统锚杆支护时锚固效果差且无法削弱杆体侧向应力等技术难题，决定对小煤柱施工迈步式D 型水力膨胀锚杆。

①支护原理。 一般锚杆在支护时通过锚固剂锚固作用固定在稳定岩体内，然后通过托盘及螺母对杆体施加预应力，从而达到控制围岩扩张破坏作用[7]。 而膨胀锚杆在锚固作用的基础上，对杆体高压注水使杆体膨胀，杆体膨胀过程中对钻孔壁岩体产生挤压作用，从而有效削弱了钻孔壁径向应力破坏作用[8-10]，起到锚杆双向（轴向、径向）应力支护作用，如图2 所示。

图2 水力膨胀锚杆支护原理

②锚杆结构。 D 型膨胀锚杆为中空状，锚杆杆体侧面成“凹”型，杆体横截面成“D”形状，杆体采用模具一次性浇筑而成，杆体厚度为5 mm，长度为2.0 m，杆体端部为销尖状，杆体最大承载能力355 MPa。

③施工工艺。 小煤柱巷帮共计施工两排水力膨胀锚杆，第一排施工在距顶板1.0 m 处，第二排与第一排布置排距为1.5 m，水力膨胀锚杆布置间距为2.0 m，相邻两排水力膨胀锚杆采用迈步式布置。 采用手持式钻机对小煤柱施工支护孔，孔深为2.0 m，直径为35 mm，钻孔施工完后对水力膨胀锚杆进行锚固。 水力膨胀锚杆锚固后在锚杆外露端安装托盘并采用螺母预紧，然后在水力锚杆内埋入一根高压注水软管，对锚杆外露端头处采用止浆塞堵塞，再将注水软管与高压注水泵连接进行注水施工。 注水压力在15～22 MPa 之间，注水过程中发现膨胀锚杆D型口完全膨胀后立即停止注水。

5 结语

截至2020年8月23日，8311 工作面回采已结束。 工作面回采期间，通过对小煤柱巷道应用联合支护技术，并在后期回采过程中对小煤柱巷道顶板、两帮安装围岩监测仪进行矿压监测。 监测数据分析表明，8311 工作面前方30 m 范围内小煤柱巷道受应力影响较大，顶板局部出现下沉现象，顶板最大顶板下沉量为0.17 m，两帮收敛量最大为0.21 m。 采用切顶卸压和巷道联合支护技术后，回采期间小煤柱巷道围岩未出现破碎、三角区域垮落现象，提高了应力区小煤柱巷道围岩承载力，保证了工作面安全高效回采，取得了显著的应用成效。