超前應力破壞區回采巷道支護技術

王曙光

（晉能控股煤業集團燕子山礦，山西 大同 037001）

1 8218 工作面概況

燕子山礦8218 工作面井下位于東C3 號層302盤區，北部為實煤區，南部為東C3 號層302 盤區8218 設計工作面（設計傾向長度179 m），東部為和尚嘴礦界，西部為可采邊界線[1]。

8218 工作面設計走向長度2558 m、傾向長度為240 m，東C3 號層302 盤區8218 工作面煤層結構復雜，有3～5 層厚0.02～1.88 m 的夾石，煤層平均厚度為5.01 m，屬厚煤層。煤層頂底板巖性如表1 所示。

表1 8218 工作面回采的C3 號層頂底板巖性

8218 工作面采用綜合機械化回采工藝，工作面在470～560 m 處由于受鄰近8217 工作面采空區垮落影響，巷道保安煤柱寬度為12 m，工作面推進至480 m處時受回采超前應力以及8217 采空區殘余應力影響，回風順槽圍巖受應力破壞嚴重，原順槽永久支護及臨時支護效果差，無法有效控制圍巖變形現象[2]。

2 超前應力區加強支護技術

2.1 注漿錨桿支護

8218 工作面超前應力區回風順槽圍巖在集中應力疊加破壞作用下，圍巖破碎嚴重，圍巖內部出現“圍巖松動圈”是導致原頂板錨桿（索）錨固失效的主要原因，所以決定對超前應力區頂板施工注漿錨桿，如圖1 所示。

圖1 8218 回風順槽應力區支護斷面示意圖（單位：mm）

2.1.1 注漿錨桿結構

1）采用注漿錨桿長度為3.5 m，桿體直徑為25 mm，桿體分為兩段，前段為中空狀，后段為實芯狀，中空狀長度為2.5 m，主要用于注漿，實芯狀長度為1.0 m，主要用于錨固。

2）在注漿錨桿前段桿體中部孔直徑為12 mm，在其桿體上均勻布置2 排注漿小孔，孔徑為8 mm，每排布置4 個，布置間距為0.5 m。

3）注漿錨桿外露端配套支護承載件為JW 型鋼帶，鋼帶長度為0.5 m、寬度為0.32 m；注漿軟管直徑為10 mm，注漿軟管與專用注漿泵進行連接[3]。

4）注漿材料選取水泥砂漿，水泥與沙子質量配比為1∶2，水泥砂漿內添加一定量速凝劑增加漿液凝固強度以及縮短凝固時間，速凝劑添加量為水泥的3%。

2.1.2 注漿錨桿施工工藝

1）首先采用錨索鉆機在距工作面5.0 m 處開始在回風順槽頂板施工注漿錨桿鉆孔，每排施工3 個，鉆孔深度為3.5 m、直徑為30 mm，鉆孔布置間距為1.8 m、排距為2.0 m。

2）注漿錨桿鉆孔施工后對鉆孔內填裝錨固劑，然后對錨桿進行錨固，錨固后在桿體外露端依次安裝JW 型鋼帶、異型托板、球形墊、減摩墊以及螺母，桿體預緊力為400 N·m。

3）注漿錨桿錨固后對桿體內插入注漿軟管，并安裝止漿塞，將注漿軟管與注漿泵進行連接注漿施工。

2.2 梯形梁鋼棚施工

1）頂板施工梯形梁鋼棚主要由梯形架、組合托盤、錨索等部分組成，梯形架主要由圓鋼和螺紋鋼組成，梯形架長度為2.0 m、寬度為0.5 m，梯形架兩側采用直徑為20 mm 以及長度為2.0 m 圓鋼；連接桿采用長度為0.5 m 螺紋鋼，梯形架采用9 根螺紋鋼，布置間距為0.25 m。

2）在梯形架上布置3 塊組合錨索托盤，托盤焊接在螺紋鋼上，托盤長度及寬度為0.5 m，托盤上布置3 個錨索支護孔；每塊組合托盤配套3 根長度為8.3 m、直徑為21.8 mm 錨索。

2.3 L 型鋼棚

通過現場觀察發現，在集中應力作用下位于煤壁側巷幫肩角煤柱很容易出現垮落現象，主要原因有以下幾方面：工作面回采煤層屬于石炭系煤層，煤體發育不穩定很容易垮落；原回風順槽頂板采用的錨桿（索）支護時對肩角煤柱維護不到位，在大應力作用下很容易出現煤柱垮落。對此決定在煤壁側巷幫上施工一排L 型鋼棚[4]。

1）L 型鋼棚采用12 號槽鋼焊制而成，鋼棚長邊長度為1.5 m、短邊長度為1.0 m，在兩邊上各焊制一個直徑為30 mm 錨索支護鉆孔，同時在兩邊連接處同樣焊接一個直徑為30 mm 的支護孔。

2）L 型鋼棚安裝時短邊固定在頂板上，長邊固定在巷幫上，先采用錨索將短邊固定在頂板上，然后再對幫部進行固定，最后對肩角處施工錨索固定，幫部及頂板錨索垂直布置，肩角處錨索以45°斜角布置。采用的錨索長度為4.3 m，直徑為17.8 mm[5]。

2.4 自移式伸縮鋼棚支護

由于工作面超前應力區傳統采用單體柱支護，在應力作用單體柱很容易出現變形、卸壓現象，所以決定對8218 回風順槽超前30 m 范圍內安裝自移式液壓伸縮棚，如圖2 所示。

圖2 自移式液壓伸縮棚結構示意圖（單位：mm）

2.4.1 伸縮鋼棚結構

1）自移式液壓伸縮棚主要由液壓棚腿、操作閥組、滑靴、頂梁、連接桿、雙向液壓桿等部分組成。

2）頂梁長度為4.2 m、寬度為0.5 m，頂梁采用12號槽鋼焊制而成，在頂梁兩端各安裝一個套筒，套筒長度為300 mm、直徑為150 mm。

3）液壓棚腿最大行程為4.5 m，每架配套2 根棚腿，棚腿上安裝集中操作閥組，主要控制棚腿油缸升降、雙向液壓桿拉伸等動作，在棚腿底端安裝一個滑靴。雙向液壓桿安裝在兩架支架滑靴之間，主要用于拉架、推架等動作。

2.4.2 液壓伸縮棚工作原理

1）首先將自移式液壓伸縮棚各配件運輸到巷道指定位置，并進行組裝，每2 架伸縮鋼棚為一組，共計安裝2 組支架，支架安裝后采用高壓液管將操作閥與液泵進行連接。

2）支架安裝后通過控制閥組使支架液壓棚腿升起，從而保證頂梁與頂板接觸，通過時通過閥組控制雙向液壓桿拉伸保證支架間距為1.0 m；當需要移動支架時通過棚腿閥組降下頂梁，然后控制雙向液壓桿閥組使前液壓桿伸出從而推動前鋼棚移動，移動到位后再次控制閥組使后液壓桿收縮，從而將后鋼棚向前移動，完成鋼棚一個移動循環動作。

3 實際應用效果分析

通過對8218 工作面超前應力區回風順槽圍巖采取梯形棚、L 型鋼棚、注漿錨桿等加強支護技術后，分別從圍巖控制效果、經濟效益兩大方面進行分析，取得了以下顯著應用成效。

3.1 圍巖控制效果

8218 工作面推進至480 m 處時對回風順槽超前應力區圍巖采取了加強支護措施，截至2022 年4 月19 日工作面已推進至590 m，通過實際應用效果來看，圍巖得到了有效控制。

1）采用注漿錨桿支護實現了錨桿與注漿同步施工，縮短了破碎圍巖支護周期，以及實現了錨桿全錨支護效果，通過注漿后控制了圍巖“松動圈”范圍擴大，避免了原頂板錨桿（索）錨固失效現象，實測應力區頂板錨桿失效率降低至4%以下。

2）對回風順槽頂板施工梯形錨索棚后提高了頂板整體穩定性，控制頂板下沉破碎現象，實測在后期回采過程中頂板下沉量減小至0.15 m。

3）通過對巷道肩角煤柱施工L 型鋼棚后，彌補了傳統錨桿（索）支護時肩角煤柱支護不到位，肩角煤柱垮落嚴重等不足，提高了肩角煤柱整體穩定性，在后期回采過程中肩角煤柱未出現垮落、破碎現象。

3.2 取得的經濟效益

1）對回風順槽應力區采取聯合加強支護技術后，提高了工作面回采速度，工作面每天回采量由原來的1.5 m 提高至4.5 m，原煤產量提高了1.2 萬t/d，經濟效益達3200 萬元。

2）通過對回風順槽采取聯合加強支護技術后，巷道內支設單體柱卸壓、變形現象得到了有效控制，單體柱損壞率由原來的19%降低為3%,單體柱維修費用減少了27.4 萬元。

3）回風順槽采取聯合支護前巷道圍巖變形嚴重，工作面尾端支架前移困難，需對回風順槽進行二次修復，修復難度大且勞動作業強度高，成本費用高，而采用聯合支護后控制了圍巖變形，無需對回風順槽進行修復，減少了巷道修復費用達16.9 萬元。

4 結語

燕子山礦對8218 工作面回采過程中回風順槽超前應力區變形圍巖采取合理有效的聯合支護措施后，保證了巷道斷面規格，控制頂板破碎、底板鼓起、兩幫收斂等圍巖應力顯現現象，有力保障了工作面安全快速推進，取得了顯著應用成效。