綜采工作面尾端頭應(yīng)力破壞區(qū)控制技術(shù)

郭 艮

（山西焦煤集團(tuán)山煤國(guó)際長(zhǎng)春興煤業(yè)公司，山西 大同 037100）

1 概況

長(zhǎng)春興煤礦211 工作面位于南盤區(qū)中部，工作面東西走向布置，北部為101 工作面采空區(qū)，東部為井田邊界，南部為東輔運(yùn)巷，西部為南盤區(qū)大巷。211 工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)1400 m，傾向長(zhǎng)210 m，回采煤層為22#層，均厚9.5 m，平均傾角2°。見(jiàn)表1。

表1 211 工作面回采煤層頂?shù)装鍘r性表

211 工作面回采至640 m 處時(shí)進(jìn)入101 采空區(qū)小煤柱影響區(qū)，最小寬度處7.2 m，影響范圍640～720 m，該區(qū)域211 回風(fēng)順槽與101 采空區(qū)之間保安煤柱垮落嚴(yán)重。同時(shí)，工作面在637～750 m段尾部揭露三條正斷層，斷層平均落差為1.5 m，傾角為54°。211 工作面回采至650 m 處時(shí)，尾端頭煤柱出現(xiàn)垮落，最大空頂面積為3.2 m2，端頭支架受力大，由3 架卸壓閥開啟，支架最大工作阻力為44 MPa，距工作面10～15 m 范圍內(nèi)回風(fēng)順槽頂板斷裂、下沉且伴隨著底鼓現(xiàn)象。

2 工作面尾端破壞機(jī)理

2.1 原端頭支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1.1 永久支護(hù)

211 工作面回風(fēng)順槽永久支護(hù)采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)、W 型鋼帶聯(lián)合支護(hù)。

1）頂板錨桿采用長(zhǎng)度為2.5 m、直徑為22 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿；同一排布置5 根錨桿，錨桿外露端安裝一根長(zhǎng)度為4.2 m、寬度為0.22 m“W”型鋼帶；錨桿布置間排距為1.0 m。

2）頂板錨索采用7 股預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索長(zhǎng)度為5.3 m，直徑為17.8 mm，錨索布置間距為1.8 m，排距為3.0 m。

2.1.2 臨時(shí)支護(hù)

工作面回采期間在回風(fēng)順槽超前工作面20 m范圍內(nèi)支設(shè)DW45-250/110X 型單體液壓支柱配合柱鞋、柱帽進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，每排支設(shè)3 根。單體柱支設(shè)間距為1.25 m，排距為1.5 m，單體液壓支柱初撐力不低于15 MPa。

2.2 尾端頭破壞機(jī)理

1）煤柱支撐強(qiáng)度低。211 工作面進(jìn)入窄煤柱區(qū)后，位于采空區(qū)側(cè)巷幫煤柱寬度小，煤柱內(nèi)部破碎嚴(yán)重，煤柱內(nèi)裂隙發(fā)育、支撐強(qiáng)度降低，無(wú)法對(duì)頂?shù)装逡苿?dòng)進(jìn)行有效約束，造成頂板下沉破碎、底板鼓起等。

2）集中應(yīng)力破壞。211 工作面回采至637～750 m 段揭露三條斷層，在工作面超前應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力以及鄰近采空區(qū)殘余應(yīng)力等集中應(yīng)力作用下，該區(qū)域回風(fēng)順槽圍巖破壞嚴(yán)重，圍巖承載強(qiáng)度及抗載荷能力降低，導(dǎo)致巷幫煤柱垮落、頂板斷裂等。

3）支護(hù)強(qiáng)度低。原頂板施工錨桿（索）支護(hù)在長(zhǎng)期應(yīng)力作用下出現(xiàn)支護(hù)疲勞現(xiàn)象，且在頂板淋水作用下圍巖軟化現(xiàn)象嚴(yán)重，錨桿（索）支護(hù)體銹蝕、破斷以及錨固失效。

4）圍巖穩(wěn)定性差。211 工作面回采煤層為22#層，煤層內(nèi)含多層夾矸，工作面?zhèn)让褐诨夭蓴_動(dòng)作用下，工作面前方10 m 范圍內(nèi)煤柱破碎，原幫部玻璃鋼錨桿支護(hù)對(duì)幫煤柱破碎、裂隙發(fā)育約束能力低，造成煤柱垮落。

3 工作面尾端頭聯(lián)合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

3.1 端頭卸壓技術(shù)

為了削弱端頭圍巖應(yīng)力破壞作用，決定對(duì)尾端順槽施工卸壓鉆孔進(jìn)行人工強(qiáng)制卸壓并對(duì)卸壓區(qū)施工讓壓支護(hù)[1-5]，如圖1。

圖1 211 工作面尾端頭順槽聯(lián)合支護(hù)示意圖（mm）

3.1.1 卸壓孔布置

1）卸壓原理。通過(guò)對(duì)圍巖施工卸壓孔使巖體高應(yīng)力區(qū)向更深部轉(zhuǎn)移，使應(yīng)力區(qū)圍巖形成自承載結(jié)構(gòu)，能夠承受回采引起的集中應(yīng)力。對(duì)圍巖施工卸壓孔后，未完全破壞圍巖結(jié)構(gòu)及整體性，仍具有一定承載強(qiáng)度，可向深部自承結(jié)構(gòu)巖體提供側(cè)向約束力。

2）卸壓鉆孔布置參數(shù)。卸壓鉆孔布置在211 回風(fēng)順槽頂板中部，頂板卸壓孔深度為5.0 m，卸壓孔直徑為75 mm，每5.0 m 布置一組卸壓孔。

3）安裝護(hù)孔卸壓管。鉆孔卸壓過(guò)程中對(duì)孔壁巖體產(chǎn)生卸壓破壞作用，所以決定對(duì)兩幫及頂板卸壓孔安裝護(hù)孔卸壓管。護(hù)孔卸壓管采用直徑為73 mm 無(wú)縫鋼管焊制而成，鋼管壁均勻布置四排卸壓小孔，每節(jié)卸壓管長(zhǎng)度為3.0 m。卸壓管安裝后端頭采用錨桿進(jìn)行固定。

3.1.2 讓壓錨索支護(hù)

為了有效控制尾端頭回風(fēng)順槽頂板在應(yīng)力作用下出現(xiàn)蠕動(dòng)變形現(xiàn)象，在超前工作面30 m 范圍內(nèi)施工讓壓錨索。

1）讓壓錨索支護(hù)主要由恒阻大變形錨索、讓壓器、托盤等部分組成，如圖1 所示。恒阻大變形錨索長(zhǎng)度為6.0 m，直徑為21.8 mm；讓壓器主要由讓壓管和劈裂塞等部分組成，讓壓管長(zhǎng)度為0.3 m，直徑為150 mm，讓壓管側(cè)面設(shè)置一個(gè)劈裂槽，劈裂塞為錐形結(jié)構(gòu)。

2）每排布置3 根讓壓錨索，錨索布置間距為1.8 m，排距為3.0 m。讓壓錨索端頭安裝一塊長(zhǎng)度及寬度為0.3 m 拱形托盤，采用鎖具進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力不得低于290 kN。

3.2 端頭煤柱深孔注漿

為了防止回采期間尾端頭煤柱出現(xiàn)垮落，造成端頭空頂現(xiàn)象，對(duì)工作面超前20 m 范圍內(nèi)端頭煤柱進(jìn)行深孔注漿施工。

1）尾端頭煤柱每排布置2 個(gè)注漿鉆孔，鉆孔布置在回風(fēng)順槽位于工作面?zhèn)让褐?，上鉆孔距頂板間距為1.0 m，鉆孔深度為8.0 m，鉆孔以10°仰角布置；下鉆孔距底板間距為1.5 m，鉆孔垂直巷幫布置，鉆孔深度為4.0 m，鉆孔布置排距為5.0 m。

2）端頭注漿采用水泥-水玻璃雙液混合漿液，水泥采用礦用高強(qiáng)度硅酸鹽水泥，水泥漿液中加入濃度為80%的水玻璃。為了提高注漿液凝固速度，在水泥漿液中摻雜濃度為0.5%的食鹽和0.05%的三乙醇胺作為速凝劑。

3.3 滑靴式恒壓鋼棚支護(hù)

為了解決傳統(tǒng)單體柱支護(hù)時(shí)支護(hù)數(shù)量多、支護(hù)強(qiáng)度低以及安全出口堵塞等技術(shù)難題，對(duì)211 工作面端頭安裝滑靴式恒壓鋼棚。

1）滑靴式恒壓鋼棚主要由滑靴底座、液壓伸縮棚腿、槽鋼雙頂梁以及上行液壓千斤等部分組成。每架鋼棚棚腿底端各穿一個(gè)滑靴，相鄰兩架鋼棚滑靴之間安裝一個(gè)雙向液壓千斤。

2）滑靴式恒壓鋼棚安裝間距為1.0 m，棚腿及雙向千斤液壓系統(tǒng)安裝在端頭支架高壓液管上。當(dāng)工作面回采至第一架鋼棚時(shí)降下鋼棚頂梁，然后利用雙向千斤推動(dòng)滑靴移動(dòng)即可，移動(dòng)步距為1.0 m。

3.4 實(shí)際應(yīng)用效果分析

1）卸壓效果好。通過(guò)對(duì)尾端頭順槽圍巖進(jìn)行人工卸壓，使圍巖內(nèi)部應(yīng)力沿卸壓通道釋放，削弱了應(yīng)力對(duì)圍巖的破壞作用，保護(hù)了圍巖完整性。

2）提高了應(yīng)力區(qū)圍巖抗壓強(qiáng)度。對(duì)端頭易垮落煤柱進(jìn)行超前注漿支護(hù)后，注漿液在煤柱內(nèi)滲透、粘接并形成網(wǎng)絡(luò)骨架，通過(guò)改變圍巖力學(xué)結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì)從而提高圍巖抗載荷強(qiáng)度。注漿區(qū)巖體單軸抗壓強(qiáng)度提高至45 MPa。

3）降低支護(hù)設(shè)備變形率。與傳統(tǒng)工字鋼棚相比，滑靴式恒壓鋼棚通過(guò)液壓棚腿可適應(yīng)大變形蠕動(dòng)變形圍巖，實(shí)現(xiàn)了鋼棚對(duì)頂板恒壓支護(hù)作用，支護(hù)強(qiáng)度高、實(shí)用性強(qiáng)，解決了傳統(tǒng)工字鋼棚、單體柱支柱時(shí)支護(hù)強(qiáng)度低、易變形等技術(shù)難題。端頭區(qū)支護(hù)設(shè)備維修費(fèi)用減少了17.8 萬(wàn)元。

4）控制了圍巖變形現(xiàn)象。工作面在后期回采過(guò)程中未出現(xiàn)端頭煤柱大面積垮落現(xiàn)象，端頭空頂面積減小至0.7 m2。工作面超前30 m 范圍內(nèi)回風(fēng)順槽頂板最大下沉量0.17 m，兩幫收斂量0.24 m，底鼓量0.26 m，端頭支架最大工作阻力28 MPa。

4 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)春興煤礦對(duì)211 工作面回采期間端頭圍巖采取聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，有效控制端頭煤柱在應(yīng)力作用下出現(xiàn)破碎、垮落現(xiàn)象，提高了超前應(yīng)力區(qū)順槽的完好率，解決了因應(yīng)力作用導(dǎo)致端頭煤柱垮落，造成頂板空頂面積大、圍巖破碎嚴(yán)重、支架載荷大等技術(shù)難題，保證了工作面安全快速推進(jìn)，取得了預(yù)期效果。