回采面顺槽应力区顶板支护技术应用

赵海生

（山西高平科兴游仙山煤业有限公司，山西 高平 048400）

1 工作面概述

山西高平科兴游仙山煤业有限公司15210工作面位于+810水平二采区，开采煤层为15号煤层。本工作面可采范围北至15210工作面运输顺槽，南至15210工作面回风顺槽，东至工作面切眼，西至工作面停采线。

15210工作面倾向长154.5 m，走向长872 m，平均斜面积为134 724 m2，工作面回采的15号煤层位于太原组底部，直接顶板为K2灰岩，底板为黑色泥岩或细粒砂岩，上距3号煤层约100.25 m。揭露的煤层厚度为3.20～5.16 m，平均厚4.10 m，煤层结构简单，倾角为1°～7°，黑色，细条带状结构，内生裂隙发育，属半亮型煤，属全区稳定可采煤层。

15210工作面采用综合机械化回采工艺，截至目前工作面已回采280 m。根据前期巷道掘进资料显示，工作面回采至302 m处位于回风顺槽侧预计揭露一条F9逆断层，断层落差为2.4 m，倾角为42°。断层从13号导线点以65°夹角向工作面内延伸，预计影响的回采长度为45 m，受构造应力及回采应力影响，工作面回采至270 m时回风顺槽顶板出现下沉现象，位于工作面侧煤壁片帮严重。当工作面回采至280 m处时顶板破碎严重，采用单体液压支护效果差，严重影响着工作面的安全回采。

2 顶板联合支护措施

为了解决15210工作面回风顺槽集中应力区顶板破碎、支护失效、巷道变形严重等技术难题，确保工作面安全快速过应力区，决定对集中应力区顶板采取“注浆+桁架锚杆+架设双梁T型钢棚”的联合支护措施。

2.1 注浆支护

为了确保巷道应力集中区域顶板的稳定性，通过在破碎顶板区钻孔并注入浆液的方式来提高顶板的稳定性，但由于传统马丽散、水泥浆液等粘合剂在使用时存在粘度低、粘性差、凝固时间长的缺点，而聚氨酯的特性正好与这些粘合剂相反，因此注浆液选用聚氨酯剂。

1）当工作面推进至280 m处时，施工人员在破碎顶板顶部施工钻孔，由于15210回风顺槽宽度设计为4.0 m，决定在顶板上每排布置4个注浆孔，相邻孔与孔的距离为1.2 m，孔的直径与深度分别为30 mm、5 m，在施工时孔要与顶板保持30°的仰角，孔与侧帮的夹角为60°。

2）当施工人员施工完第一排钻孔后，利用高压注浆泵将聚氨酯浆液注入钻孔内，注浆的顺序为先中部后两侧。在注浆的过程中，如发现有注浆液从煤壁中渗出时要及时停机，并对注浆孔进行封堵。

3）当第一排注浆孔全部施工完毕，并待钻孔内的注浆液凝固后（通常为两小时），继续施工第二排钻孔，两排钻孔的间距为2.0 m，按照以上工序依次进行注浆，直至工作面通过顶板破碎区域。

2.2 加长锚杆桁架支护

该支护主要是通过施工两根倾斜锚杆并安装预应拉杆来实现对顶板的支护作用，拉杆会对两根锚杆产生一个倾斜向上的拉力，该倾斜拉力会在垂直方向产生一个应力来抵消顶板的压力，以此来减小集中应力对顶板的破坏作用。

1）首先在顶板应力集中区域施工两根倾斜锚杆，两根倾斜锚杆的距离为3 m，锚杆与顶板的夹角为60°，由于该断层区域的顶板破碎深度达2.8 m，为了确保桁架支护效果，锚杆选用长度与直径分别为3.0 m、22 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，每根锚杆选用两支MSK23/35型和一支MSKC23/60型的锚固剂。

2）当锚杆安装完毕后，在两根锚杆间安装一根预紧拉杆，预紧拉杆是由两根圆钢及一根螺纹套管构成，锚杆底端及螺纹套管分别与两根圆钢的两端相连，施工人员通过旋转螺纹套管来提高两根圆钢的张紧力，通常张紧力要大于250 N·m。

3）当第一组桁架支护安装完毕后，继续安装第二组桁架支护，桁架支护排距为2.0 m。

2.3 架设双梁“T”型钢棚

工作面采用单梁矩形钢棚支护后，由于这种支护结构的支护截面小，通常需在相邻两根顶梁之间架设钢梁或木板，且要与顶板背牢，这就增加了架棚劳动作业强度。对此，15210回风顺槽应力区顶板决定采用双梁“T”型钢棚来代替传统的矩形钢棚支护工艺。

1）双梁“T”型钢棚主要由4节“T”型工字钢棚腿与2节槽钢顶梁构成，根据巷道的规格，顶梁的长度设计为4.0 m，双梁间距为0.5 m，如图1所示，棚腿能够根据现场情况在1~3 m的高度范围内伸缩，相邻钢棚架设间距为2.0 m。

图1 15210回风顺槽集中应力区顶板双梁T型棚支护示意图（mm）

2）在巷道的两侧安装“T”型钢棚棚腿，棚腿的高度控制在2.0 m，为了确保棚腿对顶板的支护效果，“T”型钢棚棚腿在安装之前，施工人员要在棚腿下方的位置进行起底浇筑，浇筑的长、宽、深分别为0.3 m、0.3 m、0.2 m，并采用锚杆将棚腿与巷帮进行固定。

3）棚腿安装完毕后使用卡槽将顶梁与棚腿进行固定，待顶梁安装完毕后逐渐将棚腿升起，顶梁与顶板必须紧密贴合；为了使相邻两个钢棚能够起到联锁保护的作用，可以使用连接杆将两个钢棚棚腿进行固定。

3 应用效果

15210回风顺槽进入顶板破碎区域后，为了监测联合支护效果，施工人员每隔20 m对应力区顶板安装一套顶板离层仪，并安排专人对顶板的下层情况进行观察记录。通过30 d现场观察发现，在顶板应力集中较小的区域顶板下沉量为0.05 m，在顶板应力集中较大的区域顶板下沉量为0.2 m，与之前的传统支护相比，顶板下沉量明显减少。施工人员通过在破碎区域的顶板注浆后进行单轴抗压实验，效果显示该区域的顶板强度明显增加，这就说明以上工艺不仅能够提高顶板的支护效果，还能有效增加顶板的稳定性，避免冒顶事故的发生。

4 结语

山西高平科兴游仙山煤业有限公司通过对15210运输顺槽应力区顶板进行现场观察，以及对围岩破坏机理进行分析，采用“注浆+桁架锚杆+架设双梁T型钢棚”联合支护措施后，有效保证了应力集中区顶板的稳定性，解决了应力区顶板破碎严重、支护效果差、巷道两帮移近量大等技术难题，与传统支设密集单体柱相比，大大降低了劳动作业强度，保证了工作面地安全回采，取得了显著应用成效。