綜采工作面超前應力區(qū)圍巖破碎機理及控制技術(shù)

孫陽

（晉能控股煤業(yè)集團忻州窯礦）

綜采工作面超前應力區(qū)圍巖控制是采掘施工一項重要內(nèi)容，工作面回采過程中受鄰近采空區(qū)殘余應力、構(gòu)造應力等集中應力以及回采工藝、煤層賦存影響，工作面超前應力區(qū)巷道圍巖出現(xiàn)應力破壞現(xiàn)象［1-4］，主要表現(xiàn)在頂板破碎、斷裂，底板鼓起以及兩幫收斂等，超前應力區(qū)一旦出現(xiàn)應力破壞，不僅降低應力區(qū)巷道成型率，影響工作面后期設備回撤，而且很容易出現(xiàn)頂板垮落事故，威脅工作面安全回采。目前國內(nèi)外學者已致力于研究應力區(qū)圍巖變形機理、控制方法等，如楊博［5］與朱曉寧［6］提出了架棚、注漿、密集組合錨索等支護手段，圍巖控制效果明顯，能夠降低圍巖變形速率，控制蠕動變形量，但是未從根本上解決圍巖變形、破碎等技術(shù)難題。本文以挖金灣礦8107 工作面為研究對象，明確了應力區(qū)圍巖破碎機理，提出了“深孔卸壓+液壓伸縮鋼棚+水力膨脹錨桿”協(xié)同支護技術(shù)，以期達到預期的控制效果及目的。

1 工程概況

晉能控股煤業(yè)集團挖金灣煤業(yè)公司8107 工作面位于井田一盤區(qū)，工作面東部與8105 工作面采空區(qū)相鄰，南部與盤區(qū)北回風巷、主運輸巷、輔助運輸巷相接，西部尚未開拓，北部與張家墳村保護煤柱相鄰。對應上覆為侏羅系14#煤層古窯采空區(qū)。

8107 工作面長度為1 754 m，傾向長度為200 m，工作面可采長度為1 550 m，工作面回采煤層為山西組4#煤層，煤層平均厚度在3.52 m，平均傾角為3°，含3～4 層夾石（0.08～0.30 m），煤厚變化穩(wěn)定，煤層硬度f=1.5，密度ρ=1.47 t/m3，煤層頂?shù)装鍘r性如表1所示。

工作面在回采過程中有3 條斷層出現(xiàn)，分別在2107 巷回采至1 274 m 處出現(xiàn)一條落差為1.70～2.10 m 正斷層（斷層編號F1）；2107 巷回采至1 473 m 處出現(xiàn)一條落差為1.4 m 正斷層（斷層編號F2）；5107巷回采至1 494 m處出現(xiàn)一條落差為2.0正斷層（斷層編號F3）；其中F1、F2斷層已揭露。

8107 工作面揭露的F3 斷層落差為2.0 m，傾角為52°，工作面前方為斷層上升盤，斷層對工作面影響長度為62 m，工作面揭露斷層巖體為深灰色粗山巖，巖體巖石普氏系數(shù)f=5.5，巖體硬度高，采用采煤機破巖難度大且設備損壞嚴重。為了提高工作面過斷層回采效率，工作面采用松動爆破破巖法過F3斷層，在斷層巖體區(qū)布置一排深度為1.0 m，直徑為35 mm松動爆破孔，孔間距為1.5 m，每隔炮孔填裝1 支礦用乳化炸藥以及1支毫秒延期電雷管，爆破后采用采煤機繼續(xù)回采。工作面回采期間在回風順槽超前30 m 范圍內(nèi)支設單體柱進行頂板維護，每排支設3根，單體柱與π型頂梁聯(lián)合支護，單體柱間距為1.5 m，排距為1.0 m。

8107 工作面揭露斷層后受集中應力以及施工工藝影響，在前5.0 m 范圍內(nèi)回風順槽圍巖出現(xiàn)變形破碎現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為頂板破碎、斷裂，底板鼓起、兩幫收斂以及順槽內(nèi)單體柱變形等，當工作面回采至1 501 m 處時回風順槽局部區(qū)域出現(xiàn)頂板冒漏，實測頂板最大下沉量達0.44 m，兩幫最大收縮量為0.57 m，最大底鼓量為0.49 m，位于工作面?zhèn)认飵途植砍霈F(xiàn)垮落，導致工作面端頭移架難度大，部分支架出現(xiàn)壓架現(xiàn)象，制約著工作面安全快速回采。

2 回風順槽圍巖破碎機理

通過現(xiàn)場觀察分析發(fā)現(xiàn)，8107 回風順槽圍巖出現(xiàn)嚴重變形現(xiàn)象，主要原因集中體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）集中應力破壞嚴重。8107 回風順槽東部為8105 采空區(qū)，預留保安煤柱寬度為25 m，而工作面揭露的F3 斷層從采空區(qū)側(cè)向工作面方向以42°斜角侵入，工作面在揭露斷層后在工作面前方20 m 范圍形成超前回采應力區(qū)，在采空區(qū)殘余應力、構(gòu)造應力等多重應力疊加擾動作用下，超前應力區(qū)回風順槽以及工作面斷層區(qū)圍巖出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，導致圍巖失穩(wěn)并形成“松動圈”，順槽內(nèi)原永久支護及臨時支護強度降低。

（2）回采工藝影響。工作面過斷層時對斷層巖體采取松動爆破施工，爆破后在回采過程中工作面?zhèn)让褐休d強度降低，斷層巖體與煤體膠結(jié)處出現(xiàn)斷裂、破碎，在應力作用下煤柱出現(xiàn)“收攏”現(xiàn)象，回風順槽頂板兩側(cè)出現(xiàn)跨距，通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，在工作面超前5.0 m 范圍內(nèi)頂板最大跨距達0.27 m，造成回風順槽頂板兩側(cè)煤柱支撐失穩(wěn)、頂板斷裂以及工作面?zhèn)让好褐迦氲装逡灾鹿钠稹?/p>

（3）支護強度低。8107 回風順槽掘進期間主要采用錨桿（索）對圍巖變形進行控制，當工作面回采時圍巖受二次采動影響，出現(xiàn)“松動圈”［7-8］，導致原錨桿（索）永久支護錨固失效，支護強度降低，而回風順槽應力區(qū)采用單體柱支護時，雖然起到臨時支護作用，但是單體柱支護端面距小，無法實現(xiàn)全斷面支護，在大應力作用下單體柱很容易出現(xiàn)卸壓、變形現(xiàn)象。

3 超前應力區(qū)圍巖控制技術(shù)

為了控制8107 回風順槽變形現(xiàn)象，防止回風順槽在應力作用下出現(xiàn)頂板冒漏、煤柱垮落等現(xiàn)象，決定對集中應力區(qū)回風順槽圍巖采取“深孔卸壓+液壓伸縮棚+水力膨脹錨桿”聯(lián)合支護。

3.1 深孔卸壓技術(shù)

3.1.1 深孔卸壓原理

圍巖應力在裂隙區(qū)以及采掘空間內(nèi)進行釋放，釋放過程中對圍巖產(chǎn)生水平或垂直的剪切破壞作用，使圍巖表層出現(xiàn)“卸壓破壞區(qū)”，隨著應力持續(xù)擴張破壞，破壞區(qū)范圍不斷擴大，當破壞區(qū)范圍延伸至錨桿（索）錨固段時，造成支護失效現(xiàn)象。深孔卸壓技術(shù)指對大應力圍巖中施工卸壓深孔，使圍巖內(nèi)部集中應力提前釋放［9］，降低或削弱應力對圍巖破壞作用。

3.1.2 深孔卸壓施工

（1）深孔卸壓鉆孔布置在8107 回風順槽頂板中部且垂直頂板，第一個卸壓鉆孔超前工作面5.0 m 處布置，卸壓鉆孔間距為5.0 m，直徑為75 mm，深度為8.0 m，采用液壓鉆機配套直徑為75 mm 合金鋼鉆頭施工。

（2）由于回風順槽頂板破碎嚴重，鉆孔施工后在卸壓過程中很容易造成孔壁破碎垮落，所以決定對卸壓孔內(nèi)安裝護孔管，護孔管每節(jié)長度為2.0 m，直徑為73 mm，采用中空鋼管焊制而成，鋼管四周均勻布置若干個直徑為10 mm卸壓小孔。

（3）護孔管之間采用絲扣連接，每個卸壓孔安裝4 根護孔管，采用膨脹水泥對孔口管進行封孔處理，封孔長度為1.0 m，并采用錨桿將孔口管固定在頂板上。

3.2 液壓伸縮鋼棚支護

為了提高兩幫煤柱支撐強度以及頂板承載能力，決定對回風順槽應力區(qū)架設液壓伸縮鋼棚代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單體柱支護。

3.2.1 液壓伸縮鋼棚結(jié)構(gòu)

（1）8107 回風順槽使用的液壓伸縮鋼棚由液壓棚腿、底座、頂梁、連接環(huán)及套筒等部分組成，如圖1所示。

（2）液壓棚腿伸縮行程為1.5～4.5 m，棚腿上安裝三向閥，通過液槍注放液實現(xiàn)升降，棚腿與底座之間采用高強度螺桿連接，棚腿頂端與頂梁之間采用套筒連接，在棚腿兩側(cè)各焊制一個連接桿固定環(huán)。

（3）頂梁采用11#工字鋼梁焊制而成，頂梁長度為4.2 m，寬度為0.5 m，在頂梁兩端各焊制一個套筒，套筒長度為0.3 m，直徑為150 mm。

（4）底座采用一塊長度及寬度為0.5 m 鋼板焊制而成，在底座中部焊制一個連接座；連接桿采用長度為1.5 m、直徑為22 mm圓鋼制成。

3.2.2 支護工序

（1）液壓伸縮鋼棚架設順序為安裝底座—安裝液壓伸縮腿—安裝頂梁—液槍注液—安裝連接桿。通過液槍、三向閥注液后棚腿升起，使頂梁與頂板接觸嚴實，若頂板不平，頂梁與頂板接觸面積不足80%時，采用板梁進行填充。

（2）液壓伸縮鋼棚架設間距為1.5 m，鋼棚架設后應安排專人對鋼棚變形、棚腿卸壓情況進行觀察，超前應力區(qū)共計架設15 架鋼棚，當工作面回采至距第一架鋼棚3.0 m處時及時回撤鋼棚。

3.3 水力膨脹錨桿支護

3.3.1 水力膨脹錨桿支護原理

傳統(tǒng)錨桿支護時主要采用錨固劑作為介質(zhì)將錨桿錨固端與鉆孔圍巖黏接，錨桿錨固后對桿體施加預應力，實現(xiàn)錨桿組合梁（拱）以及懸吊作用［10］，但是大應力圍巖中支護孔圍巖破碎嚴重，錨桿錨固效果差。而水力膨脹錨桿錨固后對中空桿體高壓注水，使桿體膨脹，一方面對鉆孔破碎巖體擠壓，控制圍巖裂隙擴展；另一方面膨脹錨桿桿體在膨脹過程中，桿體縱向長度變形，增加了桿體張拉預應力，提高錨桿支護強度。支護原理如圖2所示。

3.3.2 水力膨脹錨桿支護結(jié)構(gòu)

8107 回風順槽施工水力膨脹錨桿主要由中空桿體、玻璃鋼托盤、擋圈以及注水口等部分組成（圖3），中空桿體采用長度為2.0 m、直徑為20 mm 中空圓鋼焊制而成，桿體壁厚為2 mm，桿體一側(cè)設置為凹槽狀，桿體端頭設計為實心錨固段，長度為0.6 m，錨桿最大破斷力為120 kN，摩擦阻力為150 kN，屈服強度為300 MPa，桿體延伸率為35%；玻璃鋼托盤直徑為30 mm。

3.3.3 支護工藝

（1）在回風順槽兩幫上，錨桿布置間距為1.0 m，距頂板間距為0.8 m，采用手持式鉆機在順槽應力區(qū)施工支護孔，鉆孔深度為2.0 m，直徑為25 mm，鉆孔垂直巷幫布置。

（2）錨桿支護孔施工完后在鉆孔內(nèi)安裝2支錨固劑以及膨脹錨桿，采用鉆機錨固，桿體錨固后在錨桿外露端安裝玻璃鋼托桿并預緊，預緊力為300 N·m。

（3）錨桿安裝后在桿體內(nèi)部安裝注水管，并在錨桿端頭安裝閥門，將注水管與注漿泵連接高壓注水，注水壓力為30 MPa，錨桿托錨力為120 kN。

4 實際應用效果

通過對8107 回風順槽應力區(qū)圍巖采取聯(lián)合支護技術(shù)后，對頂板每隔20 m安裝一臺YH-300型數(shù)字顯示離層儀，兩幫每隔30 m 安裝一套位移監(jiān)測儀，通過10 d現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)：

（1）工作面超前應力區(qū)在距工作面10 m 范圍內(nèi)受應力影響大，采取聯(lián)合支護后頂板出現(xiàn)局部下沉現(xiàn)象，實測最大下沉量為0.17 m，最大底鼓量為0.32 m，兩幫最大收斂量為0.35 m，但未出現(xiàn)頂板斷裂、冒漏現(xiàn)象。

（2）在10～15 m 范圍應力影響相對較小，采取聯(lián)合支護后頂板未出現(xiàn)嚴重失穩(wěn)現(xiàn)象，頂板下沉量減小至0.12 m，底鼓量減小至0.24 m，兩幫局部收斂量為0.21 m，巷道整體變形量不足10%；15 m 后超前應力區(qū)圍巖穩(wěn)定性好，采用聯(lián)合支護起到了預期支護效果。

（3）工作面超前應力區(qū)采取聯(lián)合支護后，提高了圍巖整體穩(wěn)定性，應力區(qū)圍巖原永久錨桿（索）支護失效現(xiàn)象得到了明顯控制，錨桿（索）支護失效率降低至3%。

5 結(jié)語

（1）通過對8107 順槽應力區(qū)圍巖采取深孔卸壓后，實現(xiàn)了圍巖應力超前釋放，避免了圍巖應力卸壓擴張破壞作用，降低了圍巖裂隙發(fā)育，提高了圍巖錨桿（索）支護質(zhì)量。

（2）與傳統(tǒng)液壓單體柱相比，液壓伸縮鋼棚對頂板支護斷面大、支護強度高，適用于大應力圍巖支護中，而且液壓伸縮棚支護后有效控制了頂板蠕動變形現(xiàn)象，避免了因兩幫煤柱支撐強度低而導致煤柱收斂、破碎以及底板鼓起現(xiàn)象。

（3）通過對回風順槽應力區(qū)巷幫煤柱施工水力膨脹錨桿后，解決了因煤體破碎導致幫錨桿失效以及兩幫收斂現(xiàn)象，水力膨脹錨桿能夠有效控制巷幫煤柱巖體裂隙擴張現(xiàn)象，防止了因支護強度不足導致巷幫與頂板之間三角煤柱垮落現(xiàn)象。