綜采工作面尾端頭應(yīng)力區(qū)支護(hù)技術(shù)

徐瑞新

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左云長(zhǎng)春興煤業(yè)有限公司，山西大同 037100）

綜采工作面超前應(yīng)力區(qū)圍巖控制是工作面回采期間重要一項(xiàng)任務(wù)，工作面回采過(guò)程中在工作面前方順槽30m 范圍內(nèi)形成應(yīng)力集中區(qū)，順槽圍巖在超前作用下出現(xiàn)煤柱垮落、頂板下沉斷裂、底板鼓起等應(yīng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象，不僅縮小了順槽斷面，影響工作面端頭支架前移，而且一旦順槽出現(xiàn)變形、垮落后工作面端頭煤柱受力大，很容易垮落造成端頭空頂面積大、端頭支架受力大出現(xiàn)卸壓等現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅著工作面安全回采；本文以長(zhǎng)春興煤礦303工作面為研究對(duì)象，對(duì)工作面過(guò)斷層期間超前應(yīng)力區(qū)順槽圍巖采取聯(lián)合控制技術(shù)。

1 概述

長(zhǎng)春興煤礦303工作面位于井田南盤(pán)區(qū)，工作面東部為東盤(pán)區(qū)設(shè)計(jì)采掘區(qū)域，北部為北盤(pán)區(qū)211 工作面，南部為中煤金海洋南陽(yáng)坡煤礦采空區(qū)，西部為南盤(pán)區(qū)大巷。

303工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度為2150m，工作面長(zhǎng)度為230m，工作面布置于石炭系太原組中下部22#煤層中，22#煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度較穩(wěn)定，上距19#煤層17.94~53.10m，下距25-1#煤層4.11~15.17m。工作面煤層總厚8.68~10.75m。有益厚度7.4~11.26m。含4~12 層夾矸，夾矸平均總厚2.36m，平均單層厚0.28m，煤層大致走向東西，傾向北。傾角較小，平均2°。煤層頂?shù)装鍘r性如表1所示。

表1 303工作面回采的22#煤層頂?shù)装鍘r性表

2 工作面回采現(xiàn)狀

2.1 順槽支護(hù)設(shè)計(jì)

（1）錨桿：左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，鋼材編號(hào)MG335，直徑20mm，長(zhǎng)度2200mm、2400mm兩種，間排距1000~1200mm，配套150mm×150mm×10mm 拱形托盤(pán)加高強(qiáng)托板調(diào)心球墊。

（2）錨索：七股鋼絞線，直徑17.8mm，長(zhǎng)度6300mm，抗拉強(qiáng)度1860Rm/MPa，間排距選取1600~2400mm，配套300mm×300mm×16mm的穹形多功能鋼板托板加強(qiáng)度相匹配錨具。

（3）護(hù)表網(wǎng)片：采用?6mm鋼筋焊接網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格：100mm×100mm；鋪設(shè)雙層網(wǎng)時(shí)加12#鐵絲編制菱形網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格60mm×60mm。

（4）錨固劑：采用K2335 型和Z2360 型樹(shù)脂錨固劑結(jié)合使用。設(shè)計(jì)錨固力：錨桿錨固力為105kN；錨索預(yù)緊力為200kN，錨索試驗(yàn)錨固力大于285kN。

2.2 工作面回采現(xiàn)狀

303工作面回采至660m處位于回風(fēng)順槽側(cè)揭露一套F6正斷層，斷層傾角為52°，落差為2.4m，斷層從尾端向工作面侵入煤層，工作面回采至670m處時(shí)尾端頭煤柱垮落嚴(yán)重，造成端頭處出現(xiàn)局部空頂現(xiàn)象，工作面端頭支架工作阻力大，部分支架出現(xiàn)卸壓現(xiàn)象；位于工作面超前30m 范圍內(nèi)回風(fēng)順槽圍巖變形嚴(yán)重，實(shí)測(cè)頂板下沉量達(dá)0.45m，兩幫收斂量達(dá)0.57m，工作面回采難度大，且嚴(yán)重威脅著工作面安全高效回采。

2.3 原支護(hù)主要存在的問(wèn)題

（1）動(dòng)壓影響嚴(yán)重：工作面回采過(guò)斷層期間回風(fēng)順槽超前30m 范圍內(nèi)形成動(dòng)壓破壞區(qū)，在動(dòng)壓影響下順槽圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重破碎現(xiàn)象，而原順槽采用的錨桿（索）支護(hù)在動(dòng)壓作用孔壁圍巖破裂、垮落，造成錨桿（索）端頭錨固失效，支護(hù)強(qiáng)度降低。

（2）支護(hù)應(yīng)力“疲勞”現(xiàn)象嚴(yán)重：回風(fēng)順槽在掘進(jìn)過(guò)程中錨桿（索）對(duì)圍巖蠕動(dòng)變形進(jìn)行控制，最終達(dá)到耦合支護(hù)作用，在耦合支護(hù)過(guò)程中支護(hù)體產(chǎn)生微量變形現(xiàn)象；當(dāng)工作面回采時(shí)順槽圍巖出現(xiàn)二次蠕動(dòng)變形，此時(shí)原支護(hù)體在應(yīng)力作用下產(chǎn)生應(yīng)力“疲勞”現(xiàn)象，與變形圍巖無(wú)法實(shí)現(xiàn)二次耦合支護(hù)作用，且圍巖變形過(guò)程中很容易造成支護(hù)體破斷現(xiàn)象。

（3）支護(hù)強(qiáng)度低：原頂板錨桿（索）屬于主動(dòng)支護(hù)，在動(dòng)壓作用下錨桿（索）支護(hù)強(qiáng)度降低，無(wú)法有效約束頂板變形、下沉現(xiàn)象，導(dǎo)致頂板破碎、冒漏等。

3 工作面尾端頭支護(hù)優(yōu)化

為了提高工作面尾端頭圍巖穩(wěn)定性，解決傳統(tǒng)尾端頭支護(hù)強(qiáng)度低、圍巖變形等技術(shù)難題，決定對(duì)原尾端頭支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 可伸縮超前支架支護(hù)

3.1.1 支架結(jié)構(gòu)組成

（1）可伸縮超前支架包括縱梁、縱梁伸縮油缸、頂梁、折疊梁、支撐油缸、操作閥組、底座等部分，如圖1所示；所述縱梁為20mm鋼板焊接而成，縱梁的底端固定在頂梁上，并與縱梁伸縮油缸相連；

圖1 可伸縮超前支架結(jié)構(gòu)示意圖

（2）縱梁伸縮油缸的缸體一端與縱梁連接，另一端與頂梁連接，缸體上的進(jìn)液管與閥組連接。頂梁、折疊梁、支撐油缸、底座等進(jìn)液管與閥組相連，液管固定在油缸的缸體上，便于操作。

3.1.2 支架工作原理

隨著工作面的推進(jìn)，首先通過(guò)操作閥組降低折疊梁和支撐油缸后，前移超前支架底座，滿足超前支護(hù)距離后，再通過(guò)操作閥組控制縱梁伸縮油缸，調(diào)整縱梁的間距，有效避開(kāi)頂板原有支護(hù)后，撐起折疊梁和支撐油缸，保證縱梁與巷道頂板接觸嚴(yán)密。在加強(qiáng)超前頂板支護(hù)管理的同時(shí)，減少了傳統(tǒng)超前支架對(duì)原有頂板支護(hù)破壞程度，提高了支護(hù)強(qiáng)度，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了支護(hù)成本，提高了工作面自動(dòng)化程度，易于推廣。

3.1.3 超前支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算

（1）工作面在回采過(guò)程中超前應(yīng)力區(qū)順槽內(nèi)支護(hù)在未來(lái)壓時(shí)屬于主動(dòng)支護(hù)，支護(hù)主要承載直接頂載荷，來(lái)壓時(shí)屬于被動(dòng)支柱主要承載直接頂全部載荷以及老頂部分載荷，所以支護(hù)強(qiáng)度可按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Pt——支護(hù)強(qiáng)度；

L——超前應(yīng)力區(qū)支護(hù)長(zhǎng)度，20m；

B——順槽寬度，4.5m；

h1——直接頂厚度，10.15m；

h2——基本頂厚度，5.6m；

p1、p2——直接頂、基本頂巖石密度，2.2×103kg/m；

G——重力系數(shù)，9.8kg/N；

K——?jiǎng)虞d系數(shù)，0.6。

通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)所需支護(hù)強(qiáng)度為0.34MPa，而可伸縮超前支架最大支護(hù)強(qiáng)度為1.06MPa，滿足支護(hù)需求。

3.2 注漿錨索棚支護(hù)

為了提高尾順槽頂板整體穩(wěn)定性，決定對(duì)工作面回風(fēng)順槽頂板施工注漿錨索棚支護(hù)。

（1）注漿錨索棚主要由JW型鋼棚、注漿錨索、讓壓器等部分組成；JW 型鋼棚長(zhǎng)度為4.2m，寬度為0.32m，鋼棚上布置三個(gè)注漿錨索支護(hù)孔，孔間距為2.0m。

（2）注漿錨索長(zhǎng)度為8.3m，直徑為30mm，注漿錨索主要由止?jié){塞、剛性注漿管、柔性注漿管、金屬脹環(huán)、楔頭芯桿等部分組成，如圖2所示。

圖2 注漿錨索結(jié)構(gòu)示意圖

（3）注漿材料采用馬麗散混合液，注漿液主要由馬麗散、催化劑兩種成份組成，配比為1∶1，注漿時(shí)注漿壓力為3.0MPa，單孔注漿量為45L。

（4）注漿錨索棚支護(hù)工序：支護(hù)鉆孔施工→安裝注漿錨索→安裝JW型鋼棚→注漿施工→預(yù)緊；注漿錨索布置間距為2.0m，布置排距為3.0m。

3.3 實(shí)際應(yīng)用效果分析

掌石溝煤礦對(duì)303 工作面尾端順槽圍巖支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化后，通過(guò)3個(gè)月實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，取得了以下顯著應(yīng)用成效：

（1）與傳統(tǒng)單體柱相比可伸縮超前支架支護(hù)強(qiáng)度高，便于操作、移動(dòng)，解決了傳統(tǒng)單體柱臨時(shí)支護(hù)時(shí)支護(hù)截面小、支護(hù)強(qiáng)度低易變形等技術(shù)難題；工作面在后期回采過(guò)程中支架未出現(xiàn)變形現(xiàn)象，支架對(duì)頂板支護(hù)效果好，有效控制端頭頂板下沉現(xiàn)象。

（2）對(duì)端頭圍巖采取注漿錨索棚支護(hù)后，實(shí)現(xiàn)了注漿與錨索錨索協(xié)同支護(hù)，對(duì)破碎圍巖注漿加固后利用全長(zhǎng)錨固錨索有效控制頂板二次蠕動(dòng)變形失穩(wěn)現(xiàn)象；

大大提高了頂板穩(wěn)定性，頂板下沉量減小至0.21m，兩幫收斂量減小至0.24m。

4 結(jié)束語(yǔ)

掌石溝煤礦針對(duì)303 工作面前期回采過(guò)程中尾端頭煤柱垮落嚴(yán)重、順槽圍巖變形嚴(yán)重等現(xiàn)象，對(duì)尾端順槽采用可伸縮超前支架以及注漿錨索吊棚聯(lián)合支護(hù)，實(shí)際應(yīng)用效果表明，對(duì)尾端順槽支護(hù)優(yōu)化后能夠有效提高應(yīng)力區(qū)圍巖整體穩(wěn)定性，控制了圍巖變形現(xiàn)象，保證了工作面安全高效回采，取得了顯著應(yīng)用成效。