超前應(yīng)力破壞區(qū)回采巷道支護(hù)技術(shù)

王曙光

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)燕子山礦，山西 大同 037001）

1 8218 工作面概況

燕子山礦8218 工作面井下位于東C3 號層302盤區(qū)，北部為實(shí)煤區(qū)，南部為東C3 號層302 盤區(qū)8218 設(shè)計工作面（設(shè)計傾向長度179 m），東部為和尚嘴礦界，西部為可采邊界線[1]。

8218 工作面設(shè)計走向長度2558 m、傾向長度為240 m，東C3 號層302 盤區(qū)8218 工作面煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有3～5 層厚0.02～1.88 m 的夾石，煤層平均厚度為5.01 m，屬厚煤層。煤層頂?shù)装鍘r性如表1 所示。

表1 8218 工作面回采的C3 號層頂?shù)装鍘r性

8218 工作面采用綜合機(jī)械化回采工藝，工作面在470～560 m 處由于受鄰近8217 工作面采空區(qū)垮落影響，巷道保安煤柱寬度為12 m，工作面推進(jìn)至480 m處時受回采超前應(yīng)力以及8217 采空區(qū)殘余應(yīng)力影響，回風(fēng)順槽圍巖受應(yīng)力破壞嚴(yán)重，原順槽永久支護(hù)及臨時支護(hù)效果差，無法有效控制圍巖變形現(xiàn)象[2]。

2 超前應(yīng)力區(qū)加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)

2.1 注漿錨桿支護(hù)

8218 工作面超前應(yīng)力區(qū)回風(fēng)順槽圍巖在集中應(yīng)力疊加破壞作用下，圍巖破碎嚴(yán)重，圍巖內(nèi)部出現(xiàn)“圍巖松動圈”是導(dǎo)致原頂板錨桿（索）錨固失效的主要原因，所以決定對超前應(yīng)力區(qū)頂板施工注漿錨桿，如圖1 所示。

圖1 8218 回風(fēng)順槽應(yīng)力區(qū)支護(hù)斷面示意圖（單位：mm）

2.1.1 注漿錨桿結(jié)構(gòu)

1）采用注漿錨桿長度為3.5 m，桿體直徑為25 mm，桿體分為兩段，前段為中空狀，后段為實(shí)芯狀，中空狀長度為2.5 m，主要用于注漿，實(shí)芯狀長度為1.0 m，主要用于錨固。

2）在注漿錨桿前段桿體中部孔直徑為12 mm，在其桿體上均勻布置2 排注漿小孔，孔徑為8 mm，每排布置4 個，布置間距為0.5 m。

3）注漿錨桿外露端配套支護(hù)承載件為JW 型鋼帶，鋼帶長度為0.5 m、寬度為0.32 m；注漿軟管直徑為10 mm，注漿軟管與專用注漿泵進(jìn)行連接[3]。

4）注漿材料選取水泥砂漿，水泥與沙子質(zhì)量配比為1∶2，水泥砂漿內(nèi)添加一定量速凝劑增加漿液凝固強(qiáng)度以及縮短凝固時間，速凝劑添加量為水泥的3%。

2.1.2 注漿錨桿施工工藝

1）首先采用錨索鉆機(jī)在距工作面5.0 m 處開始在回風(fēng)順槽頂板施工注漿錨桿鉆孔，每排施工3 個，鉆孔深度為3.5 m、直徑為30 mm，鉆孔布置間距為1.8 m、排距為2.0 m。

2）注漿錨桿鉆孔施工后對鉆孔內(nèi)填裝錨固劑，然后對錨桿進(jìn)行錨固，錨固后在桿體外露端依次安裝JW 型鋼帶、異型托板、球形墊、減摩墊以及螺母，桿體預(yù)緊力為400 N·m。

3）注漿錨桿錨固后對桿體內(nèi)插入注漿軟管，并安裝止?jié){塞，將注漿軟管與注漿泵進(jìn)行連接注漿施工。

2.2 梯形梁鋼棚施工

1）頂板施工梯形梁鋼棚主要由梯形架、組合托盤、錨索等部分組成，梯形架主要由圓鋼和螺紋鋼組成，梯形架長度為2.0 m、寬度為0.5 m，梯形架兩側(cè)采用直徑為20 mm 以及長度為2.0 m 圓鋼；連接桿采用長度為0.5 m 螺紋鋼，梯形架采用9 根螺紋鋼，布置間距為0.25 m。

2）在梯形架上布置3 塊組合錨索托盤，托盤焊接在螺紋鋼上，托盤長度及寬度為0.5 m，托盤上布置3 個錨索支護(hù)孔；每塊組合托盤配套3 根長度為8.3 m、直徑為21.8 mm 錨索。

2.3 L 型鋼棚

通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，在集中應(yīng)力作用下位于煤壁側(cè)巷幫肩角煤柱很容易出現(xiàn)垮落現(xiàn)象，主要原因有以下幾方面：工作面回采煤層屬于石炭系煤層，煤體發(fā)育不穩(wěn)定很容易垮落；原回風(fēng)順槽頂板采用的錨桿（索）支護(hù)時對肩角煤柱維護(hù)不到位，在大應(yīng)力作用下很容易出現(xiàn)煤柱垮落。對此決定在煤壁側(cè)巷幫上施工一排L 型鋼棚[4]。

1）L 型鋼棚采用12 號槽鋼焊制而成，鋼棚長邊長度為1.5 m、短邊長度為1.0 m，在兩邊上各焊制一個直徑為30 mm 錨索支護(hù)鉆孔，同時在兩邊連接處同樣焊接一個直徑為30 mm 的支護(hù)孔。

2）L 型鋼棚安裝時短邊固定在頂板上，長邊固定在巷幫上，先采用錨索將短邊固定在頂板上，然后再對幫部進(jìn)行固定，最后對肩角處施工錨索固定，幫部及頂板錨索垂直布置，肩角處錨索以45°斜角布置。采用的錨索長度為4.3 m，直徑為17.8 mm[5]。

2.4 自移式伸縮鋼棚支護(hù)

由于工作面超前應(yīng)力區(qū)傳統(tǒng)采用單體柱支護(hù)，在應(yīng)力作用單體柱很容易出現(xiàn)變形、卸壓現(xiàn)象，所以決定對8218 回風(fēng)順槽超前30 m 范圍內(nèi)安裝自移式液壓伸縮棚，如圖2 所示。

圖2 自移式液壓伸縮棚結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

2.4.1 伸縮鋼棚結(jié)構(gòu)

1）自移式液壓伸縮棚主要由液壓棚腿、操作閥組、滑靴、頂梁、連接桿、雙向液壓桿等部分組成。

2）頂梁長度為4.2 m、寬度為0.5 m，頂梁采用12號槽鋼焊制而成，在頂梁兩端各安裝一個套筒，套筒長度為300 mm、直徑為150 mm。

3）液壓棚腿最大行程為4.5 m，每架配套2 根棚腿，棚腿上安裝集中操作閥組，主要控制棚腿油缸升降、雙向液壓桿拉伸等動作，在棚腿底端安裝一個滑靴。雙向液壓桿安裝在兩架支架滑靴之間，主要用于拉架、推架等動作。

2.4.2 液壓伸縮棚工作原理

1）首先將自移式液壓伸縮棚各配件運(yùn)輸?shù)较锏乐付ㄎ恢?，并進(jìn)行組裝，每2 架伸縮鋼棚為一組，共計安裝2 組支架，支架安裝后采用高壓液管將操作閥與液泵進(jìn)行連接。

2）支架安裝后通過控制閥組使支架液壓棚腿升起，從而保證頂梁與頂板接觸，通過時通過閥組控制雙向液壓桿拉伸保證支架間距為1.0 m；當(dāng)需要移動支架時通過棚腿閥組降下頂梁，然后控制雙向液壓桿閥組使前液壓桿伸出從而推動前鋼棚移動，移動到位后再次控制閥組使后液壓桿收縮，從而將后鋼棚向前移動，完成鋼棚一個移動循環(huán)動作。

3 實(shí)際應(yīng)用效果分析

通過對8218 工作面超前應(yīng)力區(qū)回風(fēng)順槽圍巖采取梯形棚、L 型鋼棚、注漿錨桿等加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)后，分別從圍巖控制效果、經(jīng)濟(jì)效益兩大方面進(jìn)行分析，取得了以下顯著應(yīng)用成效。

3.1 圍巖控制效果

8218 工作面推進(jìn)至480 m 處時對回風(fēng)順槽超前應(yīng)力區(qū)圍巖采取了加強(qiáng)支護(hù)措施，截至2022 年4 月19 日工作面已推進(jìn)至590 m，通過實(shí)際應(yīng)用效果來看，圍巖得到了有效控制。

1）采用注漿錨桿支護(hù)實(shí)現(xiàn)了錨桿與注漿同步施工，縮短了破碎圍巖支護(hù)周期，以及實(shí)現(xiàn)了錨桿全錨支護(hù)效果，通過注漿后控制了圍巖“松動圈”范圍擴(kuò)大，避免了原頂板錨桿（索）錨固失效現(xiàn)象，實(shí)測應(yīng)力區(qū)頂板錨桿失效率降低至4%以下。

2）對回風(fēng)順槽頂板施工梯形錨索棚后提高了頂板整體穩(wěn)定性，控制頂板下沉破碎現(xiàn)象，實(shí)測在后期回采過程中頂板下沉量減小至0.15 m。

3）通過對巷道肩角煤柱施工L 型鋼棚后，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)錨桿（索）支護(hù)時肩角煤柱支護(hù)不到位，肩角煤柱垮落嚴(yán)重等不足，提高了肩角煤柱整體穩(wěn)定性，在后期回采過程中肩角煤柱未出現(xiàn)垮落、破碎現(xiàn)象。

3.2 取得的經(jīng)濟(jì)效益

1）對回風(fēng)順槽應(yīng)力區(qū)采取聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)后，提高了工作面回采速度，工作面每天回采量由原來的1.5 m 提高至4.5 m，原煤產(chǎn)量提高了1.2 萬t/d，經(jīng)濟(jì)效益達(dá)3200 萬元。

2）通過對回風(fēng)順槽采取聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)后，巷道內(nèi)支設(shè)單體柱卸壓、變形現(xiàn)象得到了有效控制，單體柱損壞率由原來的19%降低為3%,單體柱維修費(fèi)用減少了27.4 萬元。

3）回風(fēng)順槽采取聯(lián)合支護(hù)前巷道圍巖變形嚴(yán)重，工作面尾端支架前移困難，需對回風(fēng)順槽進(jìn)行二次修復(fù)，修復(fù)難度大且勞動作業(yè)強(qiáng)度高，成本費(fèi)用高，而采用聯(lián)合支護(hù)后控制了圍巖變形，無需對回風(fēng)順槽進(jìn)行修復(fù)，減少了巷道修復(fù)費(fèi)用達(dá)16.9 萬元。

4 結(jié)語

燕子山礦對8218 工作面回采過程中回風(fēng)順槽超前應(yīng)力區(qū)變形圍巖采取合理有效的聯(lián)合支護(hù)措施后，保證了巷道斷面規(guī)格，控制頂板破碎、底板鼓起、兩幫收斂等圍巖應(yīng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象，有力保障了工作面安全快速推進(jìn)，取得了顯著應(yīng)用成效。