回采面超前应力破坏区联合支护措施

朱晓宁

（大同煤矿集团有限责任公司，山西 大同 037001）

1 概况

大同煤矿集团朔煤小峪煤业公司8202工作面位于402盘区北部，北部为实煤区，南部为8204采空区，西部为402盘区辅助运输巷、回风巷，东部为矿界。8202工作面对应上覆为3#层采空区，与5#煤层间距为3～5m左右。

8202工作面设计走向长度为1487m，倾向长度为185m，工作面回采煤层为5#煤层，平均厚度为10.3m。煤层结构较稳定，其中位于煤层4.0m处夹杂一层矸石，主要为炭质泥岩，厚度为1.5m。5#煤层无伪顶，直接顶为细粒砂岩厚1～3m，平均厚2m，基本顶为中粒砂岩厚4～6m，平均厚5m。8202工作面采用综合机械化放顶煤回采工艺，割煤高度为4.0m，头尾顺槽端面规格为宽×高=4.5×4.0m，以煤层中夹杂矸石层为顺槽顶板。工作面回采至440m处，工作面回风顺槽侧顶板出现局部破碎现象，端面距加大，回风顺槽顶板下沉、变形现象严重。当工作面回采至447m处时，工作面距回风顺槽15m范围内端面出现大面积破碎、裂隙现象，回风顺槽顶板出现局部冒落现象，支护失效严重。为了保证工作面安全高效回采，8202工作面回采至447m被迫停止回采。

2 工作面及回风顺槽顶板破碎原因分析

（1）超前应力影响。8202工作面在回采期间主要受回采应力、邻近8204采空区、上覆3#层采空区应力以及位于454m处靠近回风顺槽侧揭露的一条F5断层应力等影响，造成回风顺槽侧工作面超前20m处应力集中，工作面煤体及回风顺槽原支护无法消除集中应力的破坏作用。

（2）卸压空间有限。工作面在前期回采过程中，工作面超前集中应力作用在煤岩层中，对煤岩层产生垂直剪切破坏，使煤岩体产生裂隙，集中应力在裂隙内进行卸压作用，随着煤岩体裂隙带变大、增多，集中应力卸压作用增强，破坏作用增大，导致煤岩体遭到严重破坏。

（3）顶板承载作用差。8202工作面采用的是放顶煤回采工艺，工作面机械采煤高度为4.0m，顶板岩体厚度为1.5m，且为炭质泥岩，岩石单轴抗压强度不足25MPa。在超前集中应力作用下，该岩层承载能力低，无法起到稳定连续梁作用，顶板出现破碎现象，破坏了岩体整体稳定性，降低了顶板承载作用。

3 超前应力区顶板联合支护措施

3.1 卸压钻孔施工

为了增加应力区顶板卸压空间，降低集中应力对工作面及回风顺槽顶板集中破坏作用，决定在回风顺槽顶板施工一排斜角水力造穴卸压孔。

（1）卸压钻孔施工在回风顺槽顶板，距工作面煤壁间距为1.0m，钻孔总深度为5.0m，钻孔向工作面侧斜角为45°，钻孔间距为5.0m。

（2）采用型号为ZDY2500LXY型煤矿用履带式液压钻机、直径为55mm钻杆配套直径为70mm合金钻头钻孔联合进行钻孔施工，钻孔施工到位后及时清理钻孔内煤岩屑。

（3）更换旋转钻头并从钻孔4.0m处开始进行造穴施工，造穴孔长度为1.0m，宽度为0.5m，每次施工4个（1#～4#）卸压钻孔。当工作面回采推进后距3#卸压孔间距为5.0m时，及时施工第二组卸压孔，以此类推直至工作面完全过应力破坏区。

3.2 架设双梁联锁钢棚

为了降低回风顺槽顶板集中应力破坏作用，提高巷道顶板稳定性，减少应力破坏传递作用，决定在回风顺槽应力集中区架设双梁联锁钢棚。

（1）双梁联锁钢棚主要由工字钢棚腿、工字钢横梁、槽钢纵梁、圆钢卡缆、圆钢连接杆等部分组成。棚腿长度为4.0m，在棚腿两侧各焊制两个直径为20mm圆环，环间距为1.0m。横梁长度为0.5m，纵梁长度为4.5m。

（2）当工作面回采至547m处时，对回风顺槽架设双梁联锁钢棚。首先固定钢棚棚腿，棚腿与巷帮之间采用锚杆进行固定。一组棚腿安装后依次安装横梁及纵梁，横梁与钢棚之间采用螺母进行固定，纵梁与横梁之间采用卡缆固定。每架钢棚安装两根纵梁，梁间距为0.3m。

（3）双梁联锁钢棚架设间距为2.0m。所有钢棚安装后，在相邻两架钢棚棚腿处安装两组圆钢连接杆，进行联锁保护。第一架钢棚架设在工作面前方10m处，当工作面回采至距钢棚间距为3.0m时，及时拆除第一架钢棚。

3.3 注浆加固

为了提高回风顺槽侧工作面煤壁稳定性及顶板承载能力，防止煤壁片帮，降低工作面顶板超前破坏作用，决定对工作面煤壁采取注浆加固。

（1）工作面注浆钻孔施工在90#～117#支架之间前方煤壁上，钻孔距顶板间距为2.0m，钻孔深度为5.0m，直径为45mm，钻孔仰角为30°，钻孔间距为4.0m。工作面每排共计布置10个注浆钻孔。

（2）钻孔施工完后依次对钻孔内高压注入聚氨酯粘合剂，注浆压力为0.9MPa，单孔注浆时间为12min，单孔注浆量为25kg。注浆后及时对钻孔进行有效封堵。

（3）注浆3h后在煤壁施工3个观察孔，观察孔与注浆孔参数相同，观察孔施工在相邻两个钻孔之间。观察孔施工后通过钻孔窥视仪观察钻孔孔壁煤岩体粘接情况，若窥视孔3.5m范围内，煤岩体胶结稳定性好确定注浆有效。注浆后工作面继续回采。当工作面推进4.0m后施工第二排注浆钻孔。

超前应力区回风顺槽顶板联合支护平面示意图如图1所示。

图1 超前应力区回风顺槽顶板联合支护平面示意图

4 效果

（1）通过在回风顺槽顶板施工斜角卸压造穴钻孔，工作面超前应力区顶板集中压力得到有效释放，避免了因煤岩体释压空间小，导致在集中应力作用下出现煤体挤压破坏严重、煤壁片帮、端面顶板破碎现象。

（2）与传统工字钢棚相比，双梁联锁钢棚支护断面大，支护强度高，具有较强的支撑作用力，减少了回风顺槽顶板集中应力破坏作用出现断裂、破碎、下沉现象，防止了因采空区侧煤柱支撑强度低，巷道巷帮煤柱张拉破坏，导致巷帮煤柱移近量加大、底板鼓起。

（3）对工作面煤壁进行注浆加固后，提高了工作面煤壁及顶板整体胶结稳定性，加强了煤岩体抗拉压强度，防止了煤壁片帮，降低了集中应力对煤体及顶板超前破坏作用，减小了工作面回采期间端面空顶距。

工作面过应力破坏区共计用时15d，平均回采速度为7.2m/d，工作面煤壁片帮距在0.4m以下，煤壁成型效果好，端面处未出现破碎现象。回风顺槽顶板未发生严重破碎、下沉，最大下沉量控制在0.15m以下，两帮移近量控制在0.5m以下，底鼓量控制在0.35m以下，保证了工作面安全高效回采。