綜采工作面超前應力區圍巖控制技術研究

牛正杰，牛田元

（1.晉能控股煤業集團晉城公司，山西 晉城 048000；2.長春建筑學院，吉林 長春 130600）

1 15102 工作面概述

晉能控股煤業集團15102 工作面位于井田西部，東部為實體煤，西部為15101 采空區，南部與采區三條大巷相連，北部相距114 m 為礦井邊界。

15102 工作面設計走向長度為1 450 m，傾向長度為120 m，工作面回采煤層為15 號層，平均傾角為3°，15 號煤層結構較簡單，夾0～2 層夾矸，矸石一般分布于上部和下部，單層夾矸厚度上部為0.30～0.60 m，下部為0.25～0.30 m，為穩定可采煤層。煤層頂底板巖性如表1 所示。

表1 15 號煤層頂底板情況表

15102 工作面采用綜合機械化后退式回采工藝，截至目前工作面已回采660 m。根據礦區提供資料顯示，15102 工作面回采至668 m 處尾部揭露一條F7 逆斷層，斷層落差2.1 m，傾角為42°，對工作面回采影響較大。當工作面回采至650 m 處時進入斷層應力區，受回采應力、斷層應力影響，工作面進入應力區后，回風順槽圍巖出現應力顯現現象，主要表現在巷道片幫嚴重、頂板出現嚴重下沉以及底板鼓起等，導致回風順槽成型效果差，巷道斷面收縮量達總斷面的15%，嚴重制約著工作面的安全高效回采。

2 應力區圍巖聯合控制技術

為了提高工作面應力區順槽圍巖穩定性，決定對應力區采取“布置卸壓孔+施工注漿錨索+安裝π 型梁棚”聯合控制技術。

2.1 布置卸壓孔

為了防止集中應力對回風順槽圍巖產生應力破壞作用，決定對應力區回風順槽施工卸壓孔。

1）卸壓孔布置在工作面前方30 m 范圍內回風順槽頂板上，鉆孔采用MT-130 型錨索鉆機配套六棱鉆桿以及直徑為50 mm 的合金鋼鉆頭聯合施工。

2）卸壓鉆孔布置在回風順槽頂板中部，鉆孔直徑為50 mm，深度為5.0 m，鉆孔布置間距為3.0 m，卸壓鉆孔超前工作面20 m 布置。

2.2 施工注漿錨索

為了提高回風順槽應力區頂板穩定性，避免頂板應力松動圈范圍擴大，決定對回風順槽應力區頂板施工注漿錨索支護。

1）注漿錨索為7 股長度為4.5 m 的中空錨索，錨索直徑為25 mm，中部注漿孔直徑為12 mm，在注漿錨索端頭布置注漿射孔，注漿錨索最大承載能力為1 200 kN，延展率為19%。

2）應力區回風順槽頂板每排布置3 根注漿錨索，首先采用鉆機在回風順槽施工一排注漿錨索鉆孔，鉆孔深度為4.5 m，直徑為30 mm，鉆孔布置間距為2.0 m，排距為3.0 m，其中中部鉆孔垂直于頂板布置，兩邊鉆孔與巷幫成60°夾角布置。

3）注漿鉆孔施工完成后，對中鉆孔內依次安裝錨固劑及注漿錨索，每支注漿錨索采用3 支錨固劑進行錨固，錨固長度為1.2 m，注漿錨索錨固后，對錨索外露端安裝1 塊預應力鋼托板，托板長度及寬度均為0.5 m，鋼托板安裝后采用鎖具進行預緊。

4）注漿錨索錨固后，對錨索內安裝1 根直徑為10 mm 的注漿軟管，安裝完注漿軟管后，在錨索端頭安裝1 個止漿塞，然后將注漿軟管與專用高壓注漿泵連接，進行注漿施工，注漿液采用水泥漿與水玻璃混合液，注漿時先高壓后低壓，注漿壓力最終穩定在1.5 MPa 左右。

2.3 安裝π 型鋼棚

為了提高巷幫煤柱承載強度，防止煤柱片幫垮落導致頂板失穩現象，決定對超前應力區15 m 范圍內架設密集π 型鋼棚。

1）15102 工作面回風順槽安裝的π 型鋼棚主要由頂梁、棚腿、底座等部分組成，與傳統矩形鋼棚相比，π 型鋼棚具有支護穩定性強、支護效果好等優點。

2）π 型鋼棚安裝順序為：底座→棚腿→π 型頂梁，鋼棚安裝間距為1.5 m，鋼棚安裝后，在相鄰兩架鋼棚之間采用連接桿固定。

3）鋼棚安裝過程中應注意以下事項：鋼棚安裝時棚腿必須牢固、可靠，鋼棚底座必須固定在堅硬底板上；若回風順槽頂板破碎，鋼棚安裝后頂梁與頂板出現不接頂現象時，必須安裝水泥背板；安裝好鋼棚后，每班必須安排專人檢查鋼棚穩固情況，若發現鋼棚變形、倒架現象時，及時重新架設。

3 實際應用效果分析

截至2020 年12 月17 日，15102 工作面已回采至740 m 處，且工作面已完全過F7 斷層應力區，對回風順槽應力區圍巖采取聯合控制技術后，通過10 d現場圍巖觀察發現：

1）對應力區頂板布置卸壓鉆孔后，避免了集中應力對回風順槽頂板產生的切頂破壞作用，同時，通過施工卸壓孔，使得應力在卸壓孔內得到有效釋放，防止了應力向兩幫煤柱傳遞而導致的兩幫煤柱發生破碎、收縮現象。

2）對應力區回風順槽頂板施工注漿錨索支護后，提高了頂板巖體膠結穩定性及承載能力，該支護與傳統注漿支護相比，實現了注漿與錨注支護的同步施工，降低了支護作用強度，縮短了支護時間。

3）安裝π 型鋼棚后，提高了兩幫煤柱支撐強度，防止了頂板下沉現象，提高了頂板錨桿支護效果。

4）通過現場觀察發現，采取聯合支護后，應力區巷道頂板下沉量控制在0.12 m 以下，兩幫未出現嚴重破碎、收縮現象，巷道收縮量降低至6%，且巷道底鼓現象得到有效改善。

4 結語

掌石溝煤礦15102 工作面回采期間，對應力區巷道圍巖采取聯合支護技術后，有效控制了圍巖變形現象，提高了圍巖穩定性，降低了巷道收縮現象，保證了工作面后期安全高效回采，取得了顯著的應用效果。