综采工作面超前应力区围岩控制技术研究

牛正杰，牛田元

（1.晋能控股煤业集团晋城公司，山西 晋城 048000；2.长春建筑学院，吉林 长春 130600）

1 15102 工作面概述

晋能控股煤业集团15102 工作面位于井田西部，东部为实体煤，西部为15101 采空区，南部与采区三条大巷相连，北部相距114 m 为矿井边界。

15102 工作面设计走向长度为1 450 m，倾向长度为120 m，工作面回采煤层为15 号层，平均倾角为3°，15 号煤层结构较简单，夹0～2 层夹矸，矸石一般分布于上部和下部，单层夹矸厚度上部为0.30～0.60 m，下部为0.25～0.30 m，为稳定可采煤层。煤层顶底板岩性如表1 所示。

表1 15 号煤层顶底板情况表

15102 工作面采用综合机械化后退式回采工艺，截至目前工作面已回采660 m。根据矿区提供资料显示，15102 工作面回采至668 m 处尾部揭露一条F7 逆断层，断层落差2.1 m，倾角为42°，对工作面回采影响较大。当工作面回采至650 m 处时进入断层应力区，受回采应力、断层应力影响，工作面进入应力区后，回风顺槽围岩出现应力显现现象，主要表现在巷道片帮严重、顶板出现严重下沉以及底板鼓起等，导致回风顺槽成型效果差，巷道断面收缩量达总断面的15%，严重制约着工作面的安全高效回采。

2 应力区围岩联合控制技术

为了提高工作面应力区顺槽围岩稳定性，决定对应力区采取“布置卸压孔+施工注浆锚索+安装π 型梁棚”联合控制技术。

2.1 布置卸压孔

为了防止集中应力对回风顺槽围岩产生应力破坏作用，决定对应力区回风顺槽施工卸压孔。

1）卸压孔布置在工作面前方30 m 范围内回风顺槽顶板上，钻孔采用MT-130 型锚索钻机配套六棱钻杆以及直径为50 mm 的合金钢钻头联合施工。

2）卸压钻孔布置在回风顺槽顶板中部，钻孔直径为50 mm，深度为5.0 m，钻孔布置间距为3.0 m，卸压钻孔超前工作面20 m 布置。

2.2 施工注浆锚索

为了提高回风顺槽应力区顶板稳定性，避免顶板应力松动圈范围扩大，决定对回风顺槽应力区顶板施工注浆锚索支护。

1）注浆锚索为7 股长度为4.5 m 的中空锚索，锚索直径为25 mm，中部注浆孔直径为12 mm，在注浆锚索端头布置注浆射孔，注浆锚索最大承载能力为1 200 kN，延展率为19%。

2）应力区回风顺槽顶板每排布置3 根注浆锚索，首先采用钻机在回风顺槽施工一排注浆锚索钻孔，钻孔深度为4.5 m，直径为30 mm，钻孔布置间距为2.0 m，排距为3.0 m，其中中部钻孔垂直于顶板布置，两边钻孔与巷帮成60°夹角布置。

3）注浆钻孔施工完成后，对中钻孔内依次安装锚固剂及注浆锚索，每支注浆锚索采用3 支锚固剂进行锚固，锚固长度为1.2 m，注浆锚索锚固后，对锚索外露端安装1 块预应力钢托板，托板长度及宽度均为0.5 m，钢托板安装后采用锁具进行预紧。

4）注浆锚索锚固后，对锚索内安装1 根直径为10 mm 的注浆软管，安装完注浆软管后，在锚索端头安装1 个止浆塞，然后将注浆软管与专用高压注浆泵连接，进行注浆施工，注浆液采用水泥浆与水玻璃混合液，注浆时先高压后低压，注浆压力最终稳定在1.5 MPa 左右。

2.3 安装π 型钢棚

为了提高巷帮煤柱承载强度，防止煤柱片帮垮落导致顶板失稳现象，决定对超前应力区15 m 范围内架设密集π 型钢棚。

1）15102 工作面回风顺槽安装的π 型钢棚主要由顶梁、棚腿、底座等部分组成，与传统矩形钢棚相比，π 型钢棚具有支护稳定性强、支护效果好等优点。

2）π 型钢棚安装顺序为：底座→棚腿→π 型顶梁，钢棚安装间距为1.5 m，钢棚安装后，在相邻两架钢棚之间采用连接杆固定。

3）钢棚安装过程中应注意以下事项：钢棚安装时棚腿必须牢固、可靠，钢棚底座必须固定在坚硬底板上；若回风顺槽顶板破碎，钢棚安装后顶梁与顶板出现不接顶现象时，必须安装水泥背板；安装好钢棚后，每班必须安排专人检查钢棚稳固情况，若发现钢棚变形、倒架现象时，及时重新架设。

3 实际应用效果分析

截至2020 年12 月17 日，15102 工作面已回采至740 m 处，且工作面已完全过F7 断层应力区，对回风顺槽应力区围岩采取联合控制技术后，通过10 d现场围岩观察发现：

1）对应力区顶板布置卸压钻孔后，避免了集中应力对回风顺槽顶板产生的切顶破坏作用，同时，通过施工卸压孔，使得应力在卸压孔内得到有效释放，防止了应力向两帮煤柱传递而导致的两帮煤柱发生破碎、收缩现象。

2）对应力区回风顺槽顶板施工注浆锚索支护后，提高了顶板岩体胶结稳定性及承载能力，该支护与传统注浆支护相比，实现了注浆与锚注支护的同步施工，降低了支护作用强度，缩短了支护时间。

3）安装π 型钢棚后，提高了两帮煤柱支撑强度，防止了顶板下沉现象，提高了顶板锚杆支护效果。

4）通过现场观察发现，采取联合支护后，应力区巷道顶板下沉量控制在0.12 m 以下，两帮未出现严重破碎、收缩现象，巷道收缩量降低至6%，且巷道底鼓现象得到有效改善。

4 结语

掌石沟煤矿15102 工作面回采期间，对应力区巷道围岩采取联合支护技术后，有效控制了围岩变形现象，提高了围岩稳定性，降低了巷道收缩现象，保证了工作面后期安全高效回采，取得了显著的应用效果。