綜采工作面超前應力區圍巖控制技術

李致周

（晉能控股煤業集團王家嶺煤礦， 山西 忻州 036600）

晉能控股煤業集團王家嶺煤礦18105 工作面位于井田一采區，工作面膠帶順槽為進風順槽，順槽東側為18105 綜放工作面，西側是未開采的實體煤柱，北側井田邊界，南側是集中輔運大巷、集中膠帶大巷和1 號集中回風大巷[1]。

18105 工作面開采8 號煤層，工作面長1 986.6 m，寬222.4 m，煤厚6.5～8.60 m，煤層傾角6°，采煤方法為綜采放頂煤，采高3.5 m，放高4 m 左右。煤層絕大部分含2～3 層夾矸。煤層上方偽頂厚0～0.5 m，為炭質泥巖；偽頂上方為泥巖直接頂，厚度2～3 m。直接頂上方為厚層完整砂巖老頂，厚度超過20 m。煤層屬自燃煤層，煤塵有爆炸危險性。煤層頂底板巖性如表1 所示。

表1 18105 工作面回采的8 號煤層頂底板巖性

1 工作面回采難題及問題分析

1.1 工作面回采難題

截止2020 年7 月21 日18105 工作面已回采670 m，工作面回采至657 m 處工作面位于回風順槽側揭露一條F5 正斷層，斷層落差為1.6 m，傾角為49°，工作面采用強行破巖法過斷層，當工作面回采至660 m 處時工作面煤壁出現片幫、頂板出現破碎現象，且回風順槽圍巖出現失穩現象，隨著工作面的推進，當工作面回采至670 m 處時回風順槽位于工作面前方20 m 范圍內出現嚴重破碎、變形現象，主要表現在回風順槽兩幫出現收斂，收斂量達0.51 m，底鼓量達0.57 m，頂板下沉量達0.44 m，不僅增加工作面液壓支架移架難度，而且嚴重威脅工作面安全高效回采[2-3]。

1.2 圍巖破碎機理

根據18105 回風順槽圍巖變形情況，分析了圍巖變形機理主要表現在以下幾方面：

1）圍巖穩定性差：18105 回風順槽為全煤巷道掘進，巷道掘進煤層為8 號煤層，煤層整體結構復雜，穩定性差，煤層內含多層夾矸，巷道在超前應力集中破壞作用下，巷道兩幫煤柱支撐強度降低，導致煤柱垮落破碎，致使頂板出現失穩現象；同時回風順槽底板主要以砂質泥巖為主，底板穩定性差，在應力傳遞破壞作用下，兩幫煤柱插入底板，導致底板鼓起。

2）集中應力影響：18105 工作面回采過程中位于工作面前方30 m 范圍內為應力影響區，傳統綜采工作面主要對應力影響區采取支設單體柱進行加強支護，但是18105 工作面回采至657 m 處揭露一條正斷層，在構造應力以及回采應力等集中應力破壞作用下，工作面前方圍巖破壞嚴重。

3）回采工藝影響：18105 工作面回采的8 號煤層平均厚度為7.5 m，工作面采用綜合機械化放頂煤回采工藝，采煤高度為3.5 m，放煤高度為3.0 m，所以回風順槽頂板預留頂煤厚度為3.0 m，頂板在超前應力作用下穩定性出現失穩現象，無法形成穩定承載梁結構。

2 應力區破碎圍巖支護技術

2.1 卸壓鉆孔施工

1）鉆孔卸壓目的：超前應力區圍巖在集中應力作用下巖體產生剪應力破壞作用，破壞了巖體整體穩定結構，當巖體在應力作用產生裂隙時，應力在裂隙帶內進行卸壓，卸壓過程中對裂隙巖體產生擴張破壞作用，導致裂隙帶范圍擴大；而通過卸壓作用人工干預卸壓通道，集中應力在卸壓鉆孔內進行釋放，有效避免了應力在裂隙空間內釋放時導致裂隙巖體破壞作用[4-5]。

2）卸壓鉆孔布置參數：卸壓鉆孔布置回風順槽頂板中部，鉆孔深度為5.0 m，直徑為60 mm，鉆孔垂直頂板布置，鉆孔布置間距為5.0 m，為防止卸壓過程中應力對孔壁巖體產生破壞作用，導致塌孔現象，在卸壓鉆孔內安裝長度為3.0 m，直徑為58 mm 護孔管。

2.2 組合錨索施工

為了進一步提高頂板整體穩定性，防止頂板出現垮落現象，決定在原巷道頂板基礎上，對頂板施工組合錨索進行施工。

1）組合錨索主要由托盤、恒阻錨索、鎖具等部分組成，托盤長度及寬度為0.5 m，厚度為4 mm，托盤上均勻布置三個直徑為30 mm 錨索支護孔；每組組合錨索配套三根恒阻錨索，每根恒阻錨索長度為8.3 m，直徑為21.8 mm，錨索采用兩支錨固劑錨固。

2）18105 工作面回風順槽頂板施工的恒阻錨索采用“一二一”布置方式，錨索布置間距為3.0 m，布置排距為2.0 m，如圖1 所示。

圖1 18105 回風順槽應力區圍巖聯合支護平面示意圖（mm）

3）首先采用啟動錨索鉆機對頂板施工三個錨索鉆孔，鉆孔施工完后對鉆孔內填裝兩支錨固劑并對錨索進行錨固，錨索錨固后保證外露長度控制在0.15～0.25 m 范圍內，錨索錨固后安裝托盤然后在錨索外露端安裝鎖具，并采用張拉千斤進行預緊，錨索預緊后保證托盤與頂板接觸嚴實。

2.3 梯形梁棚支護

為了提高兩幫煤柱支撐作用力，削弱垂直應力對兩幫煤柱破壞作用，在工作面超前應力區架設梯形梁棚代替傳統的單體支柱。

1）18105 回風順槽應力區架設的梯形梁棚主要由頂梁、棚腿、卡纜、連接桿等部分組成，棚腿長度為3.5 m，采用U29 型鋼梁制成，頂梁長度為4.2 m，寬度為0.5 m，頂梁采用10 號槽鋼焊制而成，整體成梯形狀。

2）梯形梁梁棚架設時先安裝棚腿，棚腿與巷幫之間采用錨桿進行固定，棚腿安裝后安裝頂梁，頂梁與棚腿之間采用卡蘭進行固定，頂梁安裝后保證頂梁與頂板接觸嚴實，梯形梁棚安裝間距為1.0 m，待所有梯形梁棚安裝后在棚腿之間采用拉桿進行固定。

3 結語

截止2020 年8 月2 日工作面已回采至715 m，工作面已過F5 斷層影響區，通過對工作面過斷層應力區期間圍巖失穩機理進行分析后，并及時采取合理有效的圍巖控制技術，工作面在后期回采過程中18105 回風順槽應力區圍巖破壞現象得到了有效改善，通過實測頂板下沉量降低至0.18 m，兩幫收斂量降低至0.24 m，底鼓量降低至0.21 m，有效保證了工作面安全高效回采，取得了顯著應用成效。