孤島工作面超前應力區圍巖控制技術

李守堂

（山西柳林興無煤礦有限責任公司，山西 呂梁 033300）

煤礦孤島工作面在回采過程中應力顯現是普遍存在的問題，主要表現在圍巖破碎、頂板下沉、底鼓等，其回采面臨著很大的困難。受集中應力影響，孤島工作面回采期間超前應力區巷道圍巖變形嚴重。研究發現，孤島工作面回采時超前應力區巷道變形量是掘進期間的10 倍左右，影響后期端頭設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難題，專家學者進行了大量研究并探討了相應的圍巖控制技術。張科學等人[1]分析了孤島工作面回采巷道圍巖穩定性機理，并提出了“錨桿+U 型鋼”聯合支護；田華鋒[2]對孤島工作面圍巖結構進行分析，并提出了“錨桿（索）+金屬網+鋼帶”聯合支護技術。本文以興無煤礦H4201 孤島工作面為研究對象，根據該工作面地質現狀及回采情況，提出了適用于興無煤礦孤島工作面應力區圍巖控制技術[3-5]，為其他工作面回采提供實踐依據。

1 概述

山西柳林興無煤礦有限責任公司H4201 工作面位于二采區，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，為結構簡單，層位、厚度穩定的大部分可采煤層。煤層頂板為砂質泥巖、泥巖，底板為砂巖或碳質泥巖，頂底板巖性見表1。本井田構造簡單，總體上地層為走向北西—南東、傾向南西的緩傾斜的單斜構造，傾角為3°～8°，一般為5°～6°。

表1 H4201 工作面4#煤層頂底板巖性表

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，西北部為4 號 煤 層42105、42104、42013、42102、42101 采空區，西南部相鄰4 號煤層42106 采空區，東北部相鄰+760 m 水平回風大巷、+760 m 水平副大巷。H4201 綜采工作面為孤島工作面，采用“U”型通風方式，運輸、回風順槽平均長度為654 m，順槽為矩形斷面，寬度為4.5 m，高度為3.0 m。

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

2 超前應力區聯合支護

為了有效控制H4201 綜采工作面超前應力區圍巖變形情況，決定對回風順槽距工作面30 m 范圍內施工“讓壓恒阻錨索+π 型單體柱”聯合支護。

2.1 讓壓恒阻錨索支護

2.1.1 讓壓恒阻錨索支護原理

傳統錨索支護時，錨索錨固后對錨索安裝承載件并進行預緊，預緊力通過錨索傳遞至錨固段穩定巖體內，形成懸吊、應力組合梁（拱）支護作用。但對于大變形圍巖中，當錨索有效支護區域內的巖體出現離層時，對錨索產生拉伸作用，當拉伸長度大于錨索最大允許長度時，錨索出現破斷現象。

讓壓恒阻錨索支護是指在錨索施加預應力的預伸段安裝讓壓恒阻套件，在無應力作用下讓壓錨索支護作用與普通錨索支護作用相同，當頂板來壓變形時，頂巖對讓壓恒阻套件加壓，讓壓件出現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，起到有效的支護效果。

2.1.2 讓壓恒阻錨索結構

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 讓壓恒阻錨索結構示意圖

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 綜采工作面回風順槽應力區頂板施工錨索鉆孔，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）支護孔施工完后，對鉆孔內安裝一支MSK23/35 型和兩支MSK23/60 型錨固劑，然后安裝恒阻錨索、攪拌套并采用鉆機進行攪拌錨固。

（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，并采用張拉機具對其預緊，預緊力不得低于370 kN。

（4）讓壓錨索支護后，當頂板受應力影響出現下沉時，鎖具將拉力傳遞至劈裂塞，劈裂塞在外力作用下穿進讓壓管內，讓壓管在劈裂塞作用下沿劈裂槽破裂。此時外界拉力轉換為錨索工作阻力，實現恒阻支護作用。

2.2 π 型單體柱支護

H4201 綜采工作面回采前期，順槽超前區主要采用單體柱進行維護，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。通過實際應用效果來看，原單體柱布置密集，不利于端頭設備移動，且單體柱頂梁支護端承載能力差，多數單體柱出現變形現象，支柱回收難度大。對此，對原單體柱支護方式進行優化，改用“一梁兩柱”支護方式。

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，頂梁兩端各支設一根液壓單體柱，單體柱布置排距為1.0 m。為防止在應力作用下單體柱出現滑移現象，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，單體柱支設時初撐力不得低于280 kN。

3 實際應用效果分析

H4201 回風順槽超前應力區頂板采取“讓壓恒阻錨索+π 型單體柱”聯合支護后，對巷道頂板及兩幫變形情況進行監測。監測發現，在工作面超前應力區10 m 范圍回風順槽受應力影響最大，實測頂板最大下沉量達0.28 m，兩幫收斂量達0.37 m；在10～20 m 范圍內頂板最大下沉量為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 后頂板下沉量穩定在0.1 m，兩幫收斂量穩定在0.17 m，如圖2 所示。但是頂板及兩幫未出現破碎、垮落等現象，不影響后期端頭設備移動，圍巖變形量在允許范圍內。

圖2 聯合支護后H4201 回風順槽超前應力區頂板及兩幫變形曲線圖

4 結語

興無煤礦通過對H4201 孤島工作面超前應力區圍巖采取聯合控制技術后，控制了應力區圍巖大變形現象，保證了工作面后期安全順利回采，避免了應力區圍巖受應力作用出現破碎、垮落現象，取得了顯著應用成效。