阅读说明：本技术 一种工作面双巷掘进小煤柱加固施工方法 (Working face double-lane tunneling small coal pillar reinforcement construction method ) 是由 黄万朋 王学文 张呈国 崔海峰 蒋力帅 郭晓胜 于 2020-04-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种工作面双巷掘进小煤柱加固施工方法,涉及煤矿开采及巷道支护技术领域。其步骤包括：在工作面布置双巷掘进,巷道之间留设3-5m的小煤柱；在小煤柱安装对穿锚索,使煤柱处于三向受力状态；小煤柱两侧设置注浆锚杆控制围岩裂隙,保证煤柱的完整性；安装悬吊锚索,加强煤柱与上覆岩层的联系,防止煤柱滑移；煤帮设置钢管混凝土墩柱加固,提高煤柱承载能力控制帮鼓；回采期间进行超前预断顶卸压,降低煤柱上方的支承压力。该方法保证了掘进和回采过程中小煤柱的稳定性,双巷掘进能够缓解矿井工作面接替紧张的问题,小煤柱的设置能够提高采出率；另外还提高了小煤柱的承载能力,保证了小煤柱的长期稳定,实现了留小煤柱的双巷掘进。(The invention provides a working face double-roadway tunneling small coal pillar reinforcement construction method, and relates to the technical field of coal mining and roadway support. The method comprises the following steps: arranging double-roadway tunneling on a working face, and reserving small coal pillars of 3-5m between the roadways; installing a through anchor cable on the small coal pillar to enable the coal pillar to be in a three-dimensional stress state; grouting anchor rods are arranged on two sides of the small coal pillar to control surrounding rock cracks, so that the integrity of the coal pillar is guaranteed; mounting a suspension anchor cable to strengthen the connection between the coal pillar and the overlying rock stratum and prevent the coal pillar from sliding; the coal side is provided with a steel pipe concrete pier column for reinforcement, so that the bearing capacity of the coal column is improved, and the side drum is controlled; and during the recovery period, advanced pre-top breaking pressure relief is carried out, and the supporting pressure above the coal pillar is reduced. The method ensures the stability of the small coal pillars in the tunneling and stoping processes, the problem of tension on the mine working face can be relieved by double-lane tunneling, and the mining rate can be improved by the arrangement of the small coal pillars; in addition, the bearing capacity of the small coal pillar is improved, the long-term stability of the small coal pillar is ensured, and the double-lane tunneling of the small coal pillar is realized.)

一种工作面双巷掘进小煤柱加固施工方法

技术领域

本发明涉及煤矿开采及巷道支护技术领域，尤其是一种工作面双巷掘进小煤柱加固施工方法。

背景技术

传统的双巷掘进，能够实现工作面顺序回采，确保采掘接替正常；但基于矿压控制考虑，一般会保留10～30m的保护煤柱，这样就会造成煤炭资源的大量浪费。目前大部分煤矿所采用的沿空掘巷，虽然煤柱宽度缩小，提高了资源采出率，但掘巷距离采空区较近，易受采空区上方岩层运动影响而发生大变形，因此掘巷一般要保持6～10个月的滞后期，这样又会带来采掘接替紧张的问题。当前针对小煤柱的支护控制技术主要为传统的锚杆索加金属网支护，以及重点部位进行加强支护、注浆喷浆等。在该支护体系下，煤柱两侧的支护结构没有联系，无法保证双向加固；同时两侧过多的锚杆索孔破坏了煤柱本身的整体性，小煤柱容易发生全宽度上的塑性破坏，帮鼓现象严重，巷道不但会产生大变形，还会造成采空区漏风和火灾等严重问题。现有的锚杆锚索、注浆等支护方式的组合也难以实现对小煤柱的长期控制，也无法解决工作面接续和煤炭采出率之间的矛盾，为此需要对现有的施工方法做进一步的改进。

发明内容

为了解决双巷掘进中留设的小煤柱受回采影响稳定性控制困难的问题，保证工作面采掘接替，提高煤炭采出率，提高小煤柱的承载能力，本发明提供了一种工作面双巷掘进小煤柱加固施工方法，具体技术方案如下。

一种工作面双巷掘进小煤柱加固施工方法，包括：

步骤1.采煤工作面的一侧双巷掘进，超前巷道和滞后巷道之间留设3-5m的小煤柱；

步骤2.超前巷道和滞后巷道掘进后支护巷道，在巷道内向小煤柱侧打设注浆锚杆；

步骤3.安装悬吊锚索，所述悬吊锚索穿过小煤柱并倾斜固定在上覆岩层中；

步骤4.随滞后巷道掘进工作面在小煤柱安装对穿锚索，并通过对穿锚索对小煤柱两侧施加侧向围压；

步骤5.滞后巷道掘进工作面后方8-12m在小煤柱的两侧布置钢管混凝土墩柱，钢管混凝土墩柱向小煤柱一侧倾斜支撑小煤柱；

步骤6.滞后巷道掘进工作面的后方40-50m利用注浆锚杆对小煤柱两侧进行注浆；

步骤7.重复上述步骤1至6，直至完成双巷掘进；

步骤8.采煤工作面开始回采后，在巷道内煤柱侧超前工作面施工断顶卸压。

优选的是，超前巷道和滞后巷道掘进后支护巷道时打设注浆锚杆，安装悬吊锚索。

优选的是，巷道之间每隔50-100m设置一条联络巷，双巷掘进时一条巷道的掘进工作面滞后于另一条巷道的掘进工作面3-5m。

优选的是，注浆锚杆的长度小于小煤柱宽度的一半，所述悬吊锚索的锚固端设置在上覆坚硬岩层中，悬吊锚索的竖向倾角小于30°。

优选的是，对穿锚索安装时，在煤柱的两侧同时施工；对穿锚索的预紧采用多次循环预紧的方式，对穿锚索的张拉采用分级张拉。

进一步优选的是，对穿锚索的总长度大于小煤柱的宽度，对穿锚索包括自由段和外露段，外露段长度为200-300mm。

进一步优选的是，钢管混凝土墩柱向小煤柱一侧倾斜3-5°，钢管混凝土墩柱与小煤柱之间有300-500mm的空隙。

进一步优选的是，钢管混凝土墩柱在施工时，先架设6-8根空心钢管后，再向空心钢管内注混凝土；钢管混凝土墩柱顶部安装钢制托盘，钢制托盘和空心钢管之间设置有柔性垫层。

进一步优选的是，采煤工作面开始回采，自开切眼开始超前工作面施工断顶钻孔，钻孔内放置炸药后封孔，进行预裂爆破；随工作面推进设置密闭墙封闭联络巷。

本发明提供的一种工作面双巷掘进小煤柱加固施工方法有益效果包括：

(1)该方法采用双巷掘进方式，从而保证工作面顺序回采，同时为下一工作面预先掘出回采巷道，保证采掘接替；利用对穿锚索、注浆锚杆、悬吊锚索和钢管混凝土墩柱综合支护小煤柱，保证了煤柱的稳定性；回采时利用超前断顶卸压，保证了巷道的长期稳定。

(2)双巷之间留设的小煤柱宽度远小于传统双巷掘进留设的保护煤柱，这不仅大大提高了采出率，还避免了遗留煤柱过多采空区发生火灾，并且还可以有效的避免冲击地压危险。

(3)该方法在两条巷道之间的煤柱使用对穿锚索，对穿锚索的施工更加方便，对穿锚索改变了小煤柱的受力状态，使其三向受力，提高了煤柱自身的承载能力；注浆锚杆可以有效的控制围岩裂隙，加强小煤柱的整体性和稳定性；悬吊锚索加强了煤柱和上覆岩层的力学联系，防止小煤柱发生滑移；钢管混凝土墩柱从侧面加固小煤柱，并协同小煤柱对覆岩提供支撑，进一步提高了煤柱的承载能力；回采过程中通过超前预断顶对上覆岩层进行卸压，保证了工作面回采期间小煤柱的稳定。对穿锚索、注浆锚杆、悬吊锚索和钢管混凝土墩柱组合作用于小煤柱的加固，协同作用于巷道掘进的各个阶段，回采期间通过超前断顶卸压保证巷道稳定，实现对小煤柱的长期稳定控制。

附图说明

图1是双巷掘进的平面结构示意图；

图2是双巷掘进留小煤柱的施工示意图；

图3是小煤柱的截面结构示意图；

图4是超前断顶卸压钻孔施工布置图；

图中：1—超前巷道；2—滞后巷道；3—小煤柱；4—联络巷；5—对穿锚索；6—注浆锚杆；7—悬吊锚索；8—钢管混凝土墩柱；9—柔性垫层；10—钢制托盘；11—区段运输巷；12—下区段的轨道巷；13—导向孔；14—爆破孔；15-工作面。

具体实施方式

结合图1至图4所示，对本发明提供的一种工作面双巷掘进小煤柱加固施工方法的具体实施方式进行说明。

实施例1

一种工作面双巷掘进小煤柱加固施工方法，双巷掘进的小煤柱加固技术与施工工艺，双巷布置能够解决采掘接替紧张问题。留小煤柱护巷，则提高了煤炭采出率，减少了资源损失；同时以双向对穿锚索为主体的复合加固支护，能够极大提高小煤柱的承载能力，解决小煤柱受回采影响难以保持长期的稳定性，保证了留小煤柱的双巷掘进技术的可行性。该方法的步骤包括：

首先根据地质与矿井开采技术条件，利用理论计算、仿真模拟等综合手段进行前期的方案设计，确定合理的相关采掘参数包括：留小煤柱宽度、联络巷相隔距离和两掘进面距离等参数；以及对穿锚索、注浆锚杆和悬吊锚索的布置方式、孔深、间排距、角度等参数；还有钢管混凝土墩柱的选材、间距、核心混凝土强度和布置间距等参数；超前爆破预断顶的切顶高度、钻孔倾角、钻孔孔径、钻孔布置间距、导向孔与装药孔间距、炸药装药量、封孔长度、爆破方式等参数。

步骤1.采煤工作面的一侧双巷掘进，超前巷道和滞后巷道之间留设3-5m的小煤柱。

其中巷道之间每隔50-100m设置一条联络巷，用于施工过程中两条巷道的连通。双巷掘进时一条巷道的掘进工作面滞后于另一条巷道的掘进工作面3-5m，两条巷道分别为超前巷道和滞后巷道。

步骤2.超前巷道和滞后巷道在掘进后立即支护巷道，在巷道内向小煤柱侧打设注浆锚杆。其中注浆锚杆的长度小于小煤柱宽度的一半，避免过长钻孔对煤柱整体性的破坏。

注浆锚杆规格可选φ20mm、φ22mm、φ25mm、φ32mm，锚杆长度根据小于1/2的煤柱宽度进行选择，间排距根据对穿锚索的间排距进行设计，与对穿锚索交叉布置，以每平方米布置0.5-1根注浆锚杆为宜。注浆锚杆在施工时，首先在巷道的巷帮打钻孔，按照设计参数安装注浆锚杆，检查锚杆杆体的排气孔以备后期使用。

注浆锚杆通过连接注浆机将胶结材料通过杆体注入煤体裂隙中，注浆锚杆在未注浆之前做普通锚杆使用，杆体与煤柱体围岩锚固形成稳定承载结构；注浆后通过杆体将胶结浆液材料注入煤柱体裂隙中，将破裂煤柱体重新粘合成统一整体，提高煤柱的承载能力。与传统锚杆施工工艺相比，形成有压注浆，不但可以充填锚孔，浆液还可以在压力的作用下充填裂隙，粘合煤体。同时也避免了注浆管拔出时的浆液流失，安装方便，支护效果好。

步骤3.安装悬吊锚索，悬吊锚索穿过小煤柱并倾斜固定在上覆岩层中。

悬吊锚索在施工时，悬吊锚索的锚固端设置在上覆坚硬岩层中，悬吊锚索的竖向倾角小于30°，将小煤柱的顶部直接悬吊在上覆坚硬岩层中。悬吊锚索控制煤柱滑移，其中悬吊锚索应从煤柱两侧顶部斜向上布置，开孔点距离煤柱顶部约300-500mm左右，锚索长度根据覆岩顶板结构和厚度设计，保证锚索顶部锚固在稳定岩层中1-2m左右。在巷道轴线方向上，悬吊锚索的布置间距约为1500-2500mm左右为宜。

悬吊锚索在小煤柱两侧巷道内向顶板施工悬吊锚索，两侧的锚索分别穿过小煤柱顶端斜向上施工，将煤柱顶部直接悬吊在上覆坚硬岩层中，使得煤岩体的不连续面受到挤压和压密，形成相互作用的统一体，增强不连续面之间的抗剪力，避免巷道出现煤帮变形及小煤柱外错、滑移等现象。

另外，超前巷道和滞后巷道掘进后支护巷道时打设注浆锚杆，安装悬吊锚索，从而保证巷道掘进的安全。

步骤4.以滞后巷道掘进工作面为标准，在小煤柱内安装对穿锚索，并通过对穿锚索对小煤柱两侧施加侧向围压。

其中对穿锚索的总长度大于小煤柱的宽度，对穿锚索包括自由段和外露段，外露段长度为200-300mm。对穿锚索在施工时，应滞后于巷道掘进头，对小煤柱进行双向加固，通过钻孔、穿索、对锚索进行两端预紧、张拉，最后封孔注浆，进行外露端的保护。对穿锚索安装时，在煤柱的两侧同时施工，需要在两侧巷道内分别布置人员进行同时作业，保证两侧锚固预紧力相同。对穿锚索的预紧采用多次循环预紧的方式，对穿锚索的张拉采用分级张拉。

对穿锚索是在两侧巷道中向小煤柱钻孔，穿入普通锚索束体，采用张拉器具，通过两端的托盘和锁具对锚索束体进行张拉和预紧，实现对小煤柱的双向加固支护。现有的对穿锚索在使用时很难在两侧同时施工，因此围压的施加效果较差。同时在锚索孔内进行浆液充填，使束体与煤柱有效粘合。对穿锚索充分利用了束体的抗拉能力以及煤体结构的高抗压能力，锚索对小煤柱加固后，煤柱在两侧巷道内的两个自由面均受到压缩，给小煤柱提供较高的侧向围压，变单向受力状态为三向受力状态，大大提高小煤柱的力学承载性能。

对穿锚索双向加固施工中，使用的对穿锚索由煤矿常用的普通锚索改装制成，由自由段和锁止段两部分组成。自由段为钢绞线编制而成的束体，施工时全宽度穿过煤柱；锁止段位于煤柱两侧巷道内，由托盘和锁具组成，可以两端锁紧，施加预紧力。锚索规格可选φ17.8mm、φ21.6mm，间排距参数可设计为1000-2000mm×1000-2000mm，锚索总长度＝自由段长度(小煤柱宽度)+两外露段长度，其中外露段长度以200mm-300mm为宜。对穿锚索施工时，需两侧同时作业，以保证锚固预紧力相同。锚固预紧采取多次循环，分级张拉。锚索孔内全长段注浆封闭。

步骤5.滞后巷道的掘进工作面8-12m在小煤柱的两侧布置钢管混凝土墩柱，钢管混凝土墩柱向小煤柱一侧倾斜支撑小煤柱。

钢管混凝土墩柱侧向辅助加固小煤柱，钢混墩柱由无缝钢管和内部核心混凝土制作而成，钢管可选Q235、Q245、Q345、Q390等钢材，钢管外径为108mm-325mm，钢管壁厚为6mm-16mm，间距为600-800mm，核心混凝土强度不低于C40级。钢管混凝土墩柱确定的型号承载力要高于理论计算的支护阻力，并预留30％左右的富裕系数。施工时，两侧墩柱均向煤柱侧偏移3-5°的角度，墩柱与煤柱间留有300-500mm的距离。墩柱高度低于煤柱高度200-300mm左右，其间以柔性垫层为缓冲让压层，可用木楔、水泥背板等材料加工制作，保证接顶密实。为有效防止墩柱钻顶，随顶板下沉墩柱顶部穿入顶板岩层中，顶端还要有500mm×500mm的钢制托盘。

钢管混凝土墩柱向小煤柱一侧倾斜3-5°从而可以侧向保护煤柱，钢管混凝土墩柱与小煤柱之间有300-500mm的空隙，从而可以有效的适应变形。钢管混凝土墩柱在施工时，先架设6-8根空心钢管后，再向空心钢管内注混凝土；其中空心钢管顶端安装钢制托盘，保证了钢管混凝土墩柱的稳定性，顶部设置柔性垫层，保证接顶密实。钢管混凝土墩柱架设时需要在两侧巷道内同时作业。

钢管混凝土墩柱侧向辅助加固在小煤柱的两侧各架设一排钢管混凝土墩柱，钢管混凝土墩柱由外部无缝钢管充填核心混凝土组成，具有非常高的承载能力和结构稳定性。钢管混凝土墩柱一方面可以与煤柱共同承载上方覆岩压力；另一方面给小煤柱施加一个额外的横向阻力，进一步加强其侧向围压和提高煤柱的承载力，同时还能阻止小煤柱向巷道方向的帮鼓现象。

步骤6.滞后巷道掘进工作面的后方40-50m利用注浆锚杆对小煤柱两侧进行注浆，其中滞后的距离根据煤柱的裂隙发育程度确定。

锚杆的注浆加固材料可选固安特和马丽散等胶结材料，根据煤柱内裂隙的发育程度进行选择性注浆。

步骤7.重复上述步骤1至6，直至完成双巷掘进。

步骤8.采煤工作面开始回采后，在巷道内煤柱侧超前工作面施工断顶卸压。随工作面推进设置密闭墙封闭联络巷。

采煤工作面开始回采，自开切眼开始超前工作面施工断顶钻孔，钻孔内放置炸药后封孔，进行预裂爆破。工作面推采后，顶板在矿压作用下沿预裂爆破的切缝垮落，实现卸压，有效的避免了冲击地压。

在巷道靠煤柱侧超前工作面一定距离钻孔、爆破，通过预裂爆破形成预裂切缝，待工作面推过后，使得煤柱上方顶板在自身重力及矿山压力的作用下沿煤柱边缘断裂垮落。预裂爆破减少了煤柱上方顶板的悬顶面积，降低了小煤柱的应力集中，改善了巷道的支护条件，完成了工作面的卸压，有效的防治冲击地压灾害。

实施例2

本实施例以某矿1205工作面的准备巷道为例，对一种工作面双巷掘进小煤柱加固施工方法进行详细的说明。该工作面设计巷道为矩形断面，宽5.0m、高3.2m，掘进工作面煤层直接顶为粉砂岩，厚度为3m，基本顶为页岩，厚度为5m，煤层采高2m。

首先根据地质与矿井开采技术条件，通过理论计算、仿真模拟确定合理的相关技术参数：拟留设5m宽小煤柱，联络巷相隔距离50m，两掘进面距离相差5m，对穿锚索选择φ17.8mm×5400mm，锚索间排距为1000mm×1000mm，方形布置。注浆锚杆选择φ25mm×2000mm，锚杆间排距为1000mm×1000mm，方形布置，胶结加固材料选择固安特。悬吊锚索选择φ17.8mm×5200mm，间距为2000mm，锚索穿入煤柱上部与垂直方向夹角为30°。钢管混凝土墩柱中钢管外径取325mm、壁厚8mm，布置间距为600mm、墩柱与小煤柱间距300mm，向煤柱侧偏移角度为3°，核心混凝土强度为C40级，上方柔性垫层厚度为200mm。超前预断顶选择带有导向孔的预裂爆破技术，钻孔深度为3m、钻孔倾角为10°、钻孔孔径为42mm、装药孔间距为1200mm、导向孔与装药孔间距600mm、封孔长度为600mm。

具体施工包括：

步骤1：巷道开始施工，采用双巷掘进，超前巷道与滞后巷道相差5m，两巷间留设5m宽小煤柱，每隔50m设置一条联络巷，用于施工过程中两条巷道的沟通。

步骤2：超前巷道向前掘进时，随其后及时施工注浆锚杆和悬吊锚索。在煤柱两侧巷帮按照设计参数打孔，清理钻孔后，将安装好锚头的注浆锚杆插入钻孔，安装止浆塞、垫板、螺母，安装完成后检查杆体及排气孔以备后期注浆使用。悬吊锚索施工，在煤柱两侧巷道内顶端斜向上按照设计参数打孔，开孔点距离煤柱顶部300mm，清理钻孔后，将树脂药卷与锚索送入孔内搅拌，安装托盘和锁具，进行张拉预紧。

步骤3：滞后巷道向前掘进时，随其后及时施工注浆锚杆、悬吊锚索以及双向加固锚索。其中注浆锚杆与悬吊锚索的施工与步骤2相同。双向加固锚索以滞后巷道为标准，需要在两侧巷道内分别布置人员进行同时作业，施工时按设计参数钻孔，将孔清理干净后，检查成孔是否符合要求，然后将对穿锚索穿入孔内，保持索体平顺，采用张拉器具，通过两端的托盘和锁具对锚索进行锁定、张拉和预紧。预紧采取多次循环预紧方式，张拉采取分级张拉，张拉后封孔注浆，进行外部保护。

步骤4：滞后巷道掘进10m进行钢管混凝土墩柱的施工，墩柱架设时需要在两侧巷道内同时作业。将地面加工好的空钢管运送至井下巷道，按照设计要求架设空钢管，在钢管与顶板间安装柔性垫层，保证接顶密实，柔性垫层上部安装500mm×500的钢制托盘。架设完毕后将配置好的核心混凝土注入空钢管内，每架设6至8根空钢管进行一次集中混凝土注浆，每架钢管注满注实，形成完整的钢管混凝土墩柱。

步骤5：滞后巷道掘进50m进行锚杆注浆的施工。将注浆机与注浆锚杆尾端连接，向杆体内注入胶结加固材料，待注浆饱满后停止待其凝固。

步骤6：重复上述施工步骤1至5，直到巷道掘进完成。

步骤7：工作面开采后，自开切眼开始，在巷道内靠煤柱侧超前工作面一定距离施工超前断顶钻孔，钻孔距离煤柱侧200mm。按照设计参数进行钻孔、装药、爆破后在小煤柱侧形成预裂切缝。待工作面推过后，使得煤柱上方顶板在自重及矿山压力的作用下沿煤柱边缘断裂垮落，完成工作面的卸压。同时，随着工作面的推进，两巷道间的联络巷打密闭墙封闭。

该方法建立了全方位、全阶段的小煤柱复合加固技术体系，以双向对穿锚索为主体加固煤柱，变煤柱单向受力状态为三向受力状态，大大提高了煤柱自身承载力；以锚杆注浆控制围岩裂隙，加强煤柱自身的整体性和稳定性；以悬吊锚索加强煤柱与上方覆岩的力学联系，防止其发生外错滑移；以钢管混凝土墩柱侧向加固煤帮，与煤柱共同支撑覆岩，进一步提高煤柱承载力；以超前预断顶进行阶段性卸压，为工作面回采期间小煤柱及巷道的维护提供良好条件。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。