回采面超前應力破壞區聯合支護措施

朱曉寧

（大同煤礦集團有限責任公司，山西 大同 037001）

1 概況

大同煤礦集團朔煤小峪煤業公司8202工作面位于402盤區北部，北部為實煤區，南部為8204采空區，西部為402盤區輔助運輸巷、回風巷，東部為礦界。8202工作面對應上覆為3#層采空區，與5#煤層間距為3～5m左右。

8202工作面設計走向長度為1487m，傾向長度為185m，工作面回采煤層為5#煤層，平均厚度為10.3m。煤層結構較穩定，其中位于煤層4.0m處夾雜一層矸石，主要為炭質泥巖，厚度為1.5m。5#煤層無偽頂，直接頂為細粒砂巖厚1～3m，平均厚2m，基本頂為中粒砂巖厚4～6m，平均厚5m。8202工作面采用綜合機械化放頂煤回采工藝，割煤高度為4.0m，頭尾順槽端面規格為寬×高=4.5×4.0m，以煤層中夾雜矸石層為順槽頂板。工作面回采至440m處，工作面回風順槽側頂板出現局部破碎現象，端面距加大，回風順槽頂板下沉、變形現象嚴重。當工作面回采至447m處時，工作面距回風順槽15m范圍內端面出現大面積破碎、裂隙現象，回風順槽頂板出現局部冒落現象，支護失效嚴重。為了保證工作面安全高效回采，8202工作面回采至447m被迫停止回采。

2 工作面及回風順槽頂板破碎原因分析

（1）超前應力影響。8202工作面在回采期間主要受回采應力、鄰近8204采空區、上覆3#層采空區應力以及位于454m處靠近回風順槽側揭露的一條F5斷層應力等影響，造成回風順槽側工作面超前20m處應力集中，工作面煤體及回風順槽原支護無法消除集中應力的破壞作用。

（2）卸壓空間有限。工作面在前期回采過程中，工作面超前集中應力作用在煤巖層中，對煤巖層產生垂直剪切破壞，使煤巖體產生裂隙，集中應力在裂隙內進行卸壓作用，隨著煤巖體裂隙帶變大、增多，集中應力卸壓作用增強，破壞作用增大，導致煤巖體遭到嚴重破壞。

（3）頂板承載作用差。8202工作面采用的是放頂煤回采工藝，工作面機械采煤高度為4.0m，頂板巖體厚度為1.5m，且為炭質泥巖，巖石單軸抗壓強度不足25MPa。在超前集中應力作用下，該巖層承載能力低，無法起到穩定連續梁作用，頂板出現破碎現象，破壞了巖體整體穩定性，降低了頂板承載作用。

3 超前應力區頂板聯合支護措施

3.1 卸壓鉆孔施工

為了增加應力區頂板卸壓空間，降低集中應力對工作面及回風順槽頂板集中破壞作用，決定在回風順槽頂板施工一排斜角水力造穴卸壓孔。

（1）卸壓鉆孔施工在回風順槽頂板，距工作面煤壁間距為1.0m，鉆孔總深度為5.0m，鉆孔向工作面側斜角為45°，鉆孔間距為5.0m。

（2）采用型號為ZDY2500LXY型煤礦用履帶式液壓鉆機、直徑為55mm鉆桿配套直徑為70mm合金鉆頭鉆孔聯合進行鉆孔施工，鉆孔施工到位后及時清理鉆孔內煤巖屑。

（3）更換旋轉鉆頭并從鉆孔4.0m處開始進行造穴施工，造穴孔長度為1.0m，寬度為0.5m，每次施工4個（1#～4#）卸壓鉆孔。當工作面回采推進后距3#卸壓孔間距為5.0m時，及時施工第二組卸壓孔，以此類推直至工作面完全過應力破壞區。

3.2 架設雙梁聯鎖鋼棚

為了降低回風順槽頂板集中應力破壞作用，提高巷道頂板穩定性，減少應力破壞傳遞作用，決定在回風順槽應力集中區架設雙梁聯鎖鋼棚。

（1）雙梁聯鎖鋼棚主要由工字鋼棚腿、工字鋼橫梁、槽鋼縱梁、圓鋼卡纜、圓鋼連接桿等部分組成。棚腿長度為4.0m，在棚腿兩側各焊制兩個直徑為20mm圓環，環間距為1.0m。橫梁長度為0.5m，縱梁長度為4.5m。

（2）當工作面回采至547m處時，對回風順槽架設雙梁聯鎖鋼棚。首先固定鋼棚棚腿，棚腿與巷幫之間采用錨桿進行固定。一組棚腿安裝后依次安裝橫梁及縱梁，橫梁與鋼棚之間采用螺母進行固定，縱梁與橫梁之間采用卡纜固定。每架鋼棚安裝兩根縱梁，梁間距為0.3m。

（3）雙梁聯鎖鋼棚架設間距為2.0m。所有鋼棚安裝后，在相鄰兩架鋼棚棚腿處安裝兩組圓鋼連接桿，進行聯鎖保護。第一架鋼棚架設在工作面前方10m處，當工作面回采至距鋼棚間距為3.0m時，及時拆除第一架鋼棚。

3.3 注漿加固

為了提高回風順槽側工作面煤壁穩定性及頂板承載能力，防止煤壁片幫，降低工作面頂板超前破壞作用，決定對工作面煤壁采取注漿加固。

（1）工作面注漿鉆孔施工在90#～117#支架之間前方煤壁上，鉆孔距頂板間距為2.0m，鉆孔深度為5.0m，直徑為45mm，鉆孔仰角為30°，鉆孔間距為4.0m。工作面每排共計布置10個注漿鉆孔。

（2）鉆孔施工完后依次對鉆孔內高壓注入聚氨酯粘合劑，注漿壓力為0.9MPa，單孔注漿時間為12min，單孔注漿量為25kg。注漿后及時對鉆孔進行有效封堵。

（3）注漿3h后在煤壁施工3個觀察孔，觀察孔與注漿孔參數相同，觀察孔施工在相鄰兩個鉆孔之間。觀察孔施工后通過鉆孔窺視儀觀察鉆孔孔壁煤巖體粘接情況，若窺視孔3.5m范圍內，煤巖體膠結穩定性好確定注漿有效。注漿后工作面繼續回采。當工作面推進4.0m后施工第二排注漿鉆孔。

超前應力區回風順槽頂板聯合支護平面示意圖如圖1所示。

圖1 超前應力區回風順槽頂板聯合支護平面示意圖

4 效果

（1）通過在回風順槽頂板施工斜角卸壓造穴鉆孔，工作面超前應力區頂板集中壓力得到有效釋放，避免了因煤巖體釋壓空間小，導致在集中應力作用下出現煤體擠壓破壞嚴重、煤壁片幫、端面頂板破碎現象。

（2）與傳統工字鋼棚相比，雙梁聯鎖鋼棚支護斷面大，支護強度高，具有較強的支撐作用力，減少了回風順槽頂板集中應力破壞作用出現斷裂、破碎、下沉現象，防止了因采空區側煤柱支撐強度低，巷道巷幫煤柱張拉破壞，導致巷幫煤柱移近量加大、底板鼓起。

（3）對工作面煤壁進行注漿加固后，提高了工作面煤壁及頂板整體膠結穩定性，加強了煤巖體抗拉壓強度，防止了煤壁片幫，降低了集中應力對煤體及頂板超前破壞作用，減小了工作面回采期間端面空頂距。

工作面過應力破壞區共計用時15d，平均回采速度為7.2m/d，工作面煤壁片幫距在0.4m以下，煤壁成型效果好，端面處未出現破碎現象?；仫L順槽頂板未發生嚴重破碎、下沉，最大下沉量控制在0.15m以下，兩幫移近量控制在0.5m以下，底鼓量控制在0.35m以下，保證了工作面安全高效回采。