綜采工作面尾端頭應力區支護技術

徐瑞新

（山西煤炭進出口集團左云長春興煤業有限公司，山西大同 037100）

綜采工作面超前應力區圍巖控制是工作面回采期間重要一項任務，工作面回采過程中在工作面前方順槽30m 范圍內形成應力集中區，順槽圍巖在超前作用下出現煤柱垮落、頂板下沉斷裂、底板鼓起等應力顯現現象，不僅縮小了順槽斷面，影響工作面端頭支架前移，而且一旦順槽出現變形、垮落后工作面端頭煤柱受力大，很容易垮落造成端頭空頂面積大、端頭支架受力大出現卸壓等現象，嚴重威脅著工作面安全回采；本文以長春興煤礦303工作面為研究對象，對工作面過斷層期間超前應力區順槽圍巖采取聯合控制技術。

1 概述

長春興煤礦303工作面位于井田南盤區，工作面東部為東盤區設計采掘區域，北部為北盤區211 工作面，南部為中煤金海洋南陽坡煤礦采空區，西部為南盤區大巷。

303工作面設計走向長度為2150m，工作面長度為230m，工作面布置于石炭系太原組中下部22#煤層中，22#煤層結構復雜，厚度較穩定，上距19#煤層17.94~53.10m，下距25-1#煤層4.11~15.17m。工作面煤層總厚8.68~10.75m。有益厚度7.4~11.26m。含4~12 層夾矸，夾矸平均總厚2.36m，平均單層厚0.28m，煤層大致走向東西，傾向北。傾角較小，平均2°。煤層頂底板巖性如表1所示。

表1 303工作面回采的22#煤層頂底板巖性表

2 工作面回采現狀

2.1 順槽支護設計

（1）錨桿：左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，鋼材編號MG335，直徑20mm，長度2200mm、2400mm兩種，間排距1000~1200mm，配套150mm×150mm×10mm 拱形托盤加高強托板調心球墊。

（2）錨索：七股鋼絞線，直徑17.8mm，長度6300mm，抗拉強度1860Rm/MPa，間排距選取1600~2400mm，配套300mm×300mm×16mm的穹形多功能鋼板托板加強度相匹配錨具。

（3）護表網片：采用?6mm鋼筋焊接網，網孔規格：100mm×100mm；鋪設雙層網時加12#鐵絲編制菱形網，網孔規格60mm×60mm。

（4）錨固劑：采用K2335 型和Z2360 型樹脂錨固劑結合使用。設計錨固力：錨桿錨固力為105kN；錨索預緊力為200kN，錨索試驗錨固力大于285kN。

2.2 工作面回采現狀

303工作面回采至660m處位于回風順槽側揭露一套F6正斷層，斷層傾角為52°，落差為2.4m，斷層從尾端向工作面侵入煤層，工作面回采至670m處時尾端頭煤柱垮落嚴重，造成端頭處出現局部空頂現象，工作面端頭支架工作阻力大，部分支架出現卸壓現象；位于工作面超前30m 范圍內回風順槽圍巖變形嚴重，實測頂板下沉量達0.45m，兩幫收斂量達0.57m，工作面回采難度大，且嚴重威脅著工作面安全高效回采。

2.3 原支護主要存在的問題

（1）動壓影響嚴重：工作面回采過斷層期間回風順槽超前30m 范圍內形成動壓破壞區，在動壓影響下順槽圍巖出現嚴重破碎現象，而原順槽采用的錨桿（索）支護在動壓作用孔壁圍巖破裂、垮落，造成錨桿（索）端頭錨固失效，支護強度降低。

（2）支護應力“疲勞”現象嚴重：回風順槽在掘進過程中錨桿（索）對圍巖蠕動變形進行控制，最終達到耦合支護作用，在耦合支護過程中支護體產生微量變形現象；當工作面回采時順槽圍巖出現二次蠕動變形，此時原支護體在應力作用下產生應力“疲勞”現象，與變形圍巖無法實現二次耦合支護作用，且圍巖變形過程中很容易造成支護體破斷現象。

（3）支護強度低：原頂板錨桿（索）屬于主動支護，在動壓作用下錨桿（索）支護強度降低，無法有效約束頂板變形、下沉現象，導致頂板破碎、冒漏等。

3 工作面尾端頭支護優化

為了提高工作面尾端頭圍巖穩定性，解決傳統尾端頭支護強度低、圍巖變形等技術難題，決定對原尾端頭支護進行優化。

3.1 可伸縮超前支架支護

3.1.1 支架結構組成

（1）可伸縮超前支架包括縱梁、縱梁伸縮油缸、頂梁、折疊梁、支撐油缸、操作閥組、底座等部分，如圖1所示；所述縱梁為20mm鋼板焊接而成，縱梁的底端固定在頂梁上，并與縱梁伸縮油缸相連；

圖1 可伸縮超前支架結構示意圖

（2）縱梁伸縮油缸的缸體一端與縱梁連接，另一端與頂梁連接，缸體上的進液管與閥組連接。頂梁、折疊梁、支撐油缸、底座等進液管與閥組相連，液管固定在油缸的缸體上，便于操作。

3.1.2 支架工作原理

隨著工作面的推進，首先通過操作閥組降低折疊梁和支撐油缸后，前移超前支架底座，滿足超前支護距離后，再通過操作閥組控制縱梁伸縮油缸，調整縱梁的間距，有效避開頂板原有支護后，撐起折疊梁和支撐油缸，保證縱梁與巷道頂板接觸嚴密。在加強超前頂板支護管理的同時，減少了傳統超前支架對原有頂板支護破壞程度，提高了支護強度，降低了工人的勞動強度，降低了支護成本，提高了工作面自動化程度，易于推廣。

3.1.3 超前支護強度驗算

（1）工作面在回采過程中超前應力區順槽內支護在未來壓時屬于主動支護，支護主要承載直接頂載荷，來壓時屬于被動支柱主要承載直接頂全部載荷以及老頂部分載荷，所以支護強度可按以下公式進行計算：

式中：Pt——支護強度；

L——超前應力區支護長度，20m；

B——順槽寬度，4.5m；

h1——直接頂厚度，10.15m；

h2——基本頂厚度，5.6m；

p1、p2——直接頂、基本頂巖石密度，2.2×103kg/m；

G——重力系數，9.8kg/N；

K——動載系數，0.6。

通過計算設計所需支護強度為0.34MPa，而可伸縮超前支架最大支護強度為1.06MPa，滿足支護需求。

3.2 注漿錨索棚支護

為了提高尾順槽頂板整體穩定性，決定對工作面回風順槽頂板施工注漿錨索棚支護。

（1）注漿錨索棚主要由JW型鋼棚、注漿錨索、讓壓器等部分組成；JW 型鋼棚長度為4.2m，寬度為0.32m，鋼棚上布置三個注漿錨索支護孔，孔間距為2.0m。

（2）注漿錨索長度為8.3m，直徑為30mm，注漿錨索主要由止漿塞、剛性注漿管、柔性注漿管、金屬脹環、楔頭芯桿等部分組成，如圖2所示。

圖2 注漿錨索結構示意圖

（3）注漿材料采用馬麗散混合液，注漿液主要由馬麗散、催化劑兩種成份組成，配比為1∶1，注漿時注漿壓力為3.0MPa，單孔注漿量為45L。

（4）注漿錨索棚支護工序：支護鉆孔施工→安裝注漿錨索→安裝JW型鋼棚→注漿施工→預緊；注漿錨索布置間距為2.0m，布置排距為3.0m。

3.3 實際應用效果分析

掌石溝煤礦對303 工作面尾端順槽圍巖支護進行優化后，通過3個月實際應用效果來看，取得了以下顯著應用成效：

（1）與傳統單體柱相比可伸縮超前支架支護強度高，便于操作、移動，解決了傳統單體柱臨時支護時支護截面小、支護強度低易變形等技術難題；工作面在后期回采過程中支架未出現變形現象，支架對頂板支護效果好，有效控制端頭頂板下沉現象。

（2）對端頭圍巖采取注漿錨索棚支護后，實現了注漿與錨索錨索協同支護，對破碎圍巖注漿加固后利用全長錨固錨索有效控制頂板二次蠕動變形失穩現象；

大大提高了頂板穩定性，頂板下沉量減小至0.21m，兩幫收斂量減小至0.24m。

4 結束語

掌石溝煤礦針對303 工作面前期回采過程中尾端頭煤柱垮落嚴重、順槽圍巖變形嚴重等現象，對尾端順槽采用可伸縮超前支架以及注漿錨索吊棚聯合支護，實際應用效果表明，對尾端順槽支護優化后能夠有效提高應力區圍巖整體穩定性，控制了圍巖變形現象，保證了工作面安全高效回采，取得了顯著應用成效。