超前應力區煤柱片幫機理及控制技術

靳 宇

（晉能控股煤業集團白洞礦業公司，山西 大同 037031）

綜采工作面在回采過程中，工作面前方20 m范圍產生超前應力區。隨著工作面推進，應力區隨工作面前移。超前應力對回采巷道圍巖產生一定影響，遇地質構造時，在構造應力、回采應力等集中應力作用下，超前應力區產生嚴重破壞作用，主要表現在回采巷道頂板破碎、底板鼓起、兩幫收縮等。傳統超前應力區主要采用支設單體液壓支柱進行支護，單體柱雖然可對巷道頂底板起到一定支護作用，但無法控制兩幫收斂、片幫等。本文以白洞礦8111工作面為例，對工作面回采過程中回風順槽煤體片幫機理進行分析[1-5]，并提出了合理有效的控制技術。

1 工作面概況

晉能控股煤業集團白洞礦業公司8111 工作面位于井田301 盤區南部左翼。工作面東部為8110 采空區，西部、南部為實煤區，北部為301 盤區東部的皮帶、軌道及回風巷。8111 工作面切巷長151 m，可采長度為1316 m，回采煤層為石炭系5#煤層。工作面煤層總厚為8.0～10.49 m，平均厚度為9.05 m，煤層普遍有3～8 層夾石，夾石厚一般為0.10～0.30 m，夾石斷斷續續，不穩定，平均傾角為8°。煤層頂底板巖性見表1。

表1 8114 工作面回采的5#煤層頂底板巖性表

2 工作面回采現狀及問題分析

2.1 工作面回采現狀

8111 工作面采用綜合機械化放頂煤回采工藝，采煤高度為3.2 m，放煤高度為5.85 m。采用ZF12000/23/35 型液壓支架進行頂板支護，采用MG400/930-WD 雙滾筒采煤機進行割煤，采用型號為SGZ800/800 和SGZ1000/1400 前后刮板輸送機進行運煤。至2020 年2 月16 日8111 工作面已回采617 m，5111 巷（回風順槽）掘進過程中發現位于工作面615 m 處尾部有落差為1.7 m、傾角為52°的F21 斷層，以48°斜角穿進工作面，對工作面回采影響長度為62 m。工作面回采至610 m 處時，回風順槽工作面側巷幫20 m 范圍內出現嚴重片幫、垮落現象，回風順槽頂板出現斷裂、下沉現象。工作面回采至617 m 處時，回風順槽煤幫中部片幫深度達1.9 m，片幫長度達8.7 m，回風順槽頂板局部錨桿（索）失效，頂底板收縮量達0.58 m。

2.2 煤柱片幫機理

（1）煤層結構復雜。8111 工作面回采煤層為石炭系5#煤層，煤層結構復雜，煤層內含多層泥巖夾矸，導致煤層整體穩定性差。8111 工作面回風順槽在掘進過程中兩幫煤體已產生應力剪切破壞，在回采應力作用下，煤體產生二次破壞，導致煤體失穩，出現煤體垮落、破碎。

（2）上覆采空區影響。8111 工作面上約10 m為3#層的8112、8110 采空區，工作面回采過程中受上覆采空區以及鄰近采空區殘余應力疊加影響，工作面頂板、回風順槽頂板出現斷裂、破碎現象，造成回風順槽兩幫煤體失穩。

（3）構造應力影響。在8111 工作面回采至615 m 處時，在尾部揭露F21 斷層，斷層侵入后破壞了煤巖體結構完整性，導致斷層兩盤側煤巖體在空間上出現位移，斷層應力在兩幫錯位處進行卸壓，卸壓過程中應力對兩盤側煤巖體產生水平剪切破壞作用，造成煤巖體破壞嚴重。

（4）支護效果差。為了便于工作面后期回采，回風順槽在掘進過程中位于煤壁側巷幫采用玻璃鋼錨桿進行支護，錨桿長度為2.0 m，直徑18 mm，錨桿外露端安裝直徑為120 mm 玻璃鋼托盤。該支護在應力作用下易出現張拉破壞，支護強度低，支護效果差。

3 煤柱片幫控制技術

為了有效控制8111 工作面回風順槽煤壁側煤體片幫，決定對煤柱采取“注漿加固+施工水力膨脹錨桿+施工桁架錨索”聯合支護措施。

3.1 注漿加固

3.1.1 注漿方案

為了準確觀察頂板圍巖變化情況，工作面回采至617 m 后，分別在工作面前方5.0 m、10 m、15 m、20 m 處在回風順槽煤壁側煤柱各施工一個仰斜窺視孔，孔深8.0 m，直徑50 mm，仰角65°，窺視孔施工在距底板1.8 m 處巷幫上。通過現場窺視發現，在工作面前方10 m 范圍內工作面頂板往上2.5 m 范圍內整體呈破碎狀，無穩定的膠結層結構，在10～15 m 范圍內頂板往上1.4 m 范圍內出現破碎現象，在15～20 m 范圍在0.7 m 范圍局部出現破碎現象。由此可見工作面頂板破碎后承載能力降低，頂板垂直應力傳遞至巷幫，導致巷幫破碎，所以決定對工作面超前15 m 范圍內進行超前注漿加固。

3.1.2 注漿鉆孔布置

（1）采用雙孔注漿工藝，每組布置兩個注漿鉆孔（鉆孔1#、2#），鉆孔布置間距為1.0 m，鉆孔直徑為40 mm，深度為4.0 m，注漿鉆孔布置組距為3.0 m。

教學質量對教學過程有著監督與評價的作用，其中也就包含了教學過程以及質量標準等方面。所以說創新高職教學管理就是要從構建教學質量標準體系上來進行，不僅要對教學質量進行把控，同時也要關注學生的學習特點，及時對教師與學生進行準確的評價，確保教學活動的有序開展。其次，是要從學校中的實際情況入手，在充實教師隊伍的同時來關注學生的學習情況，制定出有效的措施，形成完善的管理評價標準體系，在優化人才培養機制的同時來實現提升教學效果的目標[3]。

（2）1#鉆孔為頂板加固鉆孔，鉆孔開口位置距頂板間距為0.6 m，鉆孔仰角為45°。2#鉆孔為煤壁加固鉆孔，鉆孔開口位置距頂板間距為1.6 m，鉆孔垂直煤壁布置。如圖1。

圖1 8111 工作面回風順槽巷幫煤柱支護示意圖（mm）

3.1.3 注漿施工

（1）注漿鉆孔施工完后，對鉆孔安裝注漿花管并采用封孔器進行封孔處理，注漿花管與2ZBQ型氣動注漿泵連接進行注漿施工，注漿順序為先頂板鉆孔后煤壁鉆孔。

（2）注漿液采用水泥與粉煤灰混合注漿液，水泥與粉煤灰配比為1:0.7。為了縮短漿液凝固時間，對漿液添加劑量為水泥量1.2%的速凝劑。粉煤灰漿液具有取材簡單、成本費用低、凝固體具有一定韌性等優點。注漿時注漿壓力控制1.0～1.5 MPa 范圍內。

3.2 水力膨脹錨桿施工

3.2.1 水力膨脹錨桿支護原理

傳統的鋼錨桿支護，主要利用錨桿錨固作用以及預應作用使桿體及托盤對破碎圍巖進行控制維護。傳統錨桿在支護過程中通過施加的預應力只能對桿體徑向方向巖體裂隙進行擠壓，防止裂隙擴張破壞作用，但無法對桿體軸向巖體裂隙進行控制作用；而水力膨脹錨桿在傳統錨桿支護作用的同時，支護體后通過高壓水力作用使桿體膨脹，桿體膨脹過程中對鉆孔軸向裂隙進行擠壓，控制裂隙范圍進一步擴大。

3.2.2 支護設備

（2）注水設備。采用SKG7.5/5.0 型風動注水泵，注水泵主要由泵體、注水流量監測儀、注水軟管、卸壓閥、閥門、進水管路、進風管路等部分組成。注水泵功率為7.5 kW，額定注水量為5.0 L/min。

3.2.3 支護施工

（1）對工作面625～680 m 范圍內回風順槽側煤壁施工兩排水力膨脹錨桿支護孔，采用手持式鉆機配套直徑為34 mm“八”字型鉆頭進行鉆孔施工，鉆孔深度為1.8 m，直徑為35 mm，鉆孔布置間距為1.2 m，排距為2.0 m。

（2）支護鉆孔施工完后，對鉆孔內錨注一根水力膨脹錨桿；然后對錨桿腔體內安裝一根直徑為15 mm 注水軟管，并在錨桿端頭處安裝一個止水塞；最后將注水軟管與注漿泵連接進行高壓注水施工，注水壓力不低于4 MPa。

4 效果

通過對工作面應力區煤壁采取“注漿+水力膨脹錨桿”聯合支護技術，工作面在后期回采過程中有效控制了回風順槽頂板斷裂、工作面側巷幫煤柱破碎、垮落現象，巷幫煤體片幫深度控制在0.6 m以下，片幫長度控制在1.6 m 以下，回風順槽兩幫及頂底板收縮量控制在0.22 m 以下，保證了工作面安全高效回采，取得了顯著應用成效。