孤島工作面超前應(yīng)力區(qū)圍巖控制技術(shù)

李守堂

（山西柳林興無煤礦有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033300）

煤礦孤島工作面在回采過程中應(yīng)力顯現(xiàn)是普遍存在的問題，主要表現(xiàn)在圍巖破碎、頂板下沉、底鼓等，其回采面臨著很大的困難。受集中應(yīng)力影響，孤島工作面回采期間超前應(yīng)力區(qū)巷道圍巖變形嚴(yán)重。研究發(fā)現(xiàn)，孤島工作面回采時超前應(yīng)力區(qū)巷道變形量是掘進(jìn)期間的10 倍左右，影響后期端頭設(shè)備和工作面回采速度。

為了有效解決孤島工作面回采時圍巖大變形等技術(shù)難題，專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究并探討了相應(yīng)的圍巖控制技術(shù)。張科學(xué)等人[1]分析了孤島工作面回采巷道圍巖穩(wěn)定性機(jī)理，并提出了“錨桿+U 型鋼”聯(lián)合支護(hù)；田華鋒[2]對孤島工作面圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并提出了“錨桿（索）+金屬網(wǎng)+鋼帶”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。本文以興無煤礦H4201 孤島工作面為研究對象，根據(jù)該工作面地質(zhì)現(xiàn)狀及回采情況，提出了適用于興無煤礦孤島工作面應(yīng)力區(qū)圍巖控制技術(shù)[3-5]，為其他工作面回采提供實(shí)踐依據(jù)。

1 概述

山西柳林興無煤礦有限責(zé)任公司H4201 工作面位于二采區(qū)，開采煤層為山西組底部4 號煤層，距上部3 號煤層底板平均20 m，距下部5 號煤層頂平均為6.45 m。煤層厚度為3.1～3.9 m，平均為3.65 m。該煤層偶含一層夾矸，夾矸厚度為0.20～0.80 m，煤層單一，為結(jié)構(gòu)簡單，層位、厚度穩(wěn)定的大部分可采煤層。煤層頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖，底板為砂巖或碳質(zhì)泥巖，頂?shù)装鍘r性見表1。本井田構(gòu)造簡單，總體上地層為走向北西—南東、傾向南西的緩傾斜的單斜構(gòu)造，傾角為3°～8°，一般為5°～6°。

表1 H4201 工作面4#煤層頂?shù)装鍘r性表

H4201 綜采工作面長度76 m，工作面東南部為4 號煤層42211、42212、42213 采空區(qū)，西北部為4 號 煤 層42105、42104、42013、42102、42101 采空區(qū)，西南部相鄰4 號煤層42106 采空區(qū)，東北部相鄰+760 m 水平回風(fēng)大巷、+760 m 水平副大巷。H4201 綜采工作面為孤島工作面，采用“U”型通風(fēng)方式，運(yùn)輸、回風(fēng)順槽平均長度為654 m，順槽為矩形斷面，寬度為4.5 m，高度為3.0 m。

H4201 回風(fēng)順槽屬于孤島工作面回采巷道，由于巷道前期在掘進(jìn)過程中受采動影響巷道圍巖出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，工作面在回采過程中受二次采動影響，回風(fēng)順槽出現(xiàn)大變形現(xiàn)象，特別是在回采超前應(yīng)力區(qū)30 m 范圍內(nèi)，圍巖變形量大，主要體現(xiàn)在頂板及兩幫變形嚴(yán)重，頂板下沉量達(dá)0.55 m，兩幫收斂量達(dá)0.62 m。

2 超前應(yīng)力區(qū)聯(lián)合支護(hù)

為了有效控制H4201 綜采工作面超前應(yīng)力區(qū)圍巖變形情況，決定對回風(fēng)順槽距工作面30 m 范圍內(nèi)施工“讓壓恒阻錨索+π 型單體柱”聯(lián)合支護(hù)。

2.1 讓壓恒阻錨索支護(hù)

2.1.1 讓壓恒阻錨索支護(hù)原理

傳統(tǒng)錨索支護(hù)時，錨索錨固后對錨索安裝承載件并進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力通過錨索傳遞至錨固段穩(wěn)定巖體內(nèi)，形成懸吊、應(yīng)力組合梁（拱）支護(hù)作用。但對于大變形圍巖中，當(dāng)錨索有效支護(hù)區(qū)域內(nèi)的巖體出現(xiàn)離層時，對錨索產(chǎn)生拉伸作用，當(dāng)拉伸長度大于錨索最大允許長度時，錨索出現(xiàn)破斷現(xiàn)象。

讓壓恒阻錨索支護(hù)是指在錨索施加預(yù)應(yīng)力的預(yù)伸段安裝讓壓恒阻套件，在無應(yīng)力作用下讓壓錨索支護(hù)作用與普通錨索支護(hù)作用相同，當(dāng)頂板來壓變形時，頂巖對讓壓恒阻套件加壓，讓壓件出現(xiàn)變形且變形量為圍巖下沉量，從而避免錨索破斷，同時保持錨索恒阻，起到有效的支護(hù)效果。

2.1.2 讓壓恒阻錨索結(jié)構(gòu)

讓壓恒阻錨索主要由讓壓器、恒阻錨索、鎖具、承載件等部分組成，如圖1 所示。讓壓器主要由劈裂塞和讓壓管兩部分組成。讓壓管采用高強(qiáng)度錳鋼制成，讓壓管采用圓柱狀，圓柱外徑為100 mm，長度為150 mm，中部為中空狀，中部孔直徑為70 mm。在讓壓管兩側(cè)對稱布置一個劈裂槽，劈裂槽深度為10 mm。劈裂塞為中孔圓臺環(huán)狀，中部孔直徑為25 mm，主要用于穿過恒阻錨索。劈裂塞底部為圓盤狀，直徑為80 mm，長度為100 mm。

圖1 讓壓恒阻錨索結(jié)構(gòu)示意圖

恒阻錨索采用長度為6.0 m、直徑為21.8 mm的9 股鋼絞線制成，錨索最大破斷力為455 kN，延展率為15%，恒阻錨索采用端頭錨固方式，鎖具采用三芯片套筒式鎖具，承載件采用規(guī)格為120 mm×120 mm×10 mm 的蝶形托盤。

2.1.3 施工工藝

（1）首先在H4201 綜采工作面回風(fēng)順槽應(yīng)力區(qū)頂板施工錨索鉆孔，每排布置兩個，鉆孔布置間距為2.5 m，排距為2.0 m，鉆孔垂直頂板布置，鉆孔深度為6.0 m，直徑為28 mm。

（2）支護(hù)孔施工完后，對鉆孔內(nèi)安裝一支MSK23/35 型和兩支MSK23/60 型錨固劑，然后安裝恒阻錨索、攪拌套并采用鉆機(jī)進(jìn)行攪拌錨固。

（3）恒阻錨索錨固后，在其外露端依次安裝蝶形托盤、讓壓器、鎖具，并采用張拉機(jī)具對其預(yù)緊，預(yù)緊力不得低于370 kN。

（4）讓壓錨索支護(hù)后，當(dāng)頂板受應(yīng)力影響出現(xiàn)下沉?xí)r，鎖具將拉力傳遞至劈裂塞，劈裂塞在外力作用下穿進(jìn)讓壓管內(nèi)，讓壓管在劈裂塞作用下沿劈裂槽破裂。此時外界拉力轉(zhuǎn)換為錨索工作阻力，實(shí)現(xiàn)恒阻支護(hù)作用。

2.2 π 型單體柱支護(hù)

H4201 綜采工作面回采前期，順槽超前區(qū)主要采用單體柱進(jìn)行維護(hù)，每排布置4 根，單體柱布置間排距為1.0 m，頂梁長度為0.5 m。通過實(shí)際應(yīng)用效果來看，原單體柱布置密集，不利于端頭設(shè)備移動，且單體柱頂梁支護(hù)端承載能力差，多數(shù)單體柱出現(xiàn)變形現(xiàn)象，支柱回收難度大。對此，對原單體柱支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化，改用“一梁兩柱”支護(hù)方式。

選用單體柱型號為DZ35-320/100，單體柱最大工作阻力為320 kN，采用π 型頂梁長度為4.2 m，頂梁兩端各支設(shè)一根液壓單體柱，單體柱布置排距為1.0 m。為防止在應(yīng)力作用下單體柱出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，在單體柱底端安裝柱靴，相鄰兩排單體柱安裝防倒拉桿裝置，單體柱支設(shè)時初撐力不得低于280 kN。

3 實(shí)際應(yīng)用效果分析

H4201 回風(fēng)順槽超前應(yīng)力區(qū)頂板采取“讓壓恒阻錨索+π 型單體柱”聯(lián)合支護(hù)后，對巷道頂板及兩幫變形情況進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在工作面超前應(yīng)力區(qū)10 m 范圍回風(fēng)順槽受應(yīng)力影響最大，實(shí)測頂板最大下沉量達(dá)0.28 m，兩幫收斂量達(dá)0.37 m；在10～20 m 范圍內(nèi)頂板最大下沉量為0.21 m，兩幫最大收斂量為0.33 m；在20～30 m 范圍內(nèi)圍巖變形量較小，頂板最大下沉總量為0.14 m，兩幫最大收斂量為0.25 m；30 m 后頂板下沉量穩(wěn)定在0.1 m，兩幫收斂量穩(wěn)定在0.17 m，如圖2 所示。但是頂板及兩幫未出現(xiàn)破碎、垮落等現(xiàn)象，不影響后期端頭設(shè)備移動，圍巖變形量在允許范圍內(nèi)。

圖2 聯(lián)合支護(hù)后H4201 回風(fēng)順槽超前應(yīng)力區(qū)頂板及兩幫變形曲線圖

4 結(jié)語

興無煤礦通過對H4201 孤島工作面超前應(yīng)力區(qū)圍巖采取聯(lián)合控制技術(shù)后，控制了應(yīng)力區(qū)圍巖大變形現(xiàn)象，保證了工作面后期安全順利回采，避免了應(yīng)力區(qū)圍巖受應(yīng)力作用出現(xiàn)破碎、垮落現(xiàn)象，取得了顯著應(yīng)用成效。