超前应力区煤柱片帮机理及控制技术

靳 宇

（晋能控股煤业集团白洞矿业公司，山西 大同 037031）

综采工作面在回采过程中，工作面前方20 m范围产生超前应力区。随着工作面推进，应力区随工作面前移。超前应力对回采巷道围岩产生一定影响，遇地质构造时，在构造应力、回采应力等集中应力作用下，超前应力区产生严重破坏作用，主要表现在回采巷道顶板破碎、底板鼓起、两帮收缩等。传统超前应力区主要采用支设单体液压支柱进行支护，单体柱虽然可对巷道顶底板起到一定支护作用，但无法控制两帮收敛、片帮等。本文以白洞矿8111工作面为例，对工作面回采过程中回风顺槽煤体片帮机理进行分析[1-5]，并提出了合理有效的控制技术。

1 工作面概况

晋能控股煤业集团白洞矿业公司8111 工作面位于井田301 盘区南部左翼。工作面东部为8110 采空区，西部、南部为实煤区，北部为301 盘区东部的皮带、轨道及回风巷。8111 工作面切巷长151 m，可采长度为1316 m，回采煤层为石炭系5#煤层。工作面煤层总厚为8.0～10.49 m，平均厚度为9.05 m，煤层普遍有3～8 层夹石，夹石厚一般为0.10～0.30 m，夹石断断续续，不稳定，平均倾角为8°。煤层顶底板岩性见表1。

表1 8114 工作面回采的5#煤层顶底板岩性表

2 工作面回采现状及问题分析

2.1 工作面回采现状

8111 工作面采用综合机械化放顶煤回采工艺，采煤高度为3.2 m，放煤高度为5.85 m。采用ZF12000/23/35 型液压支架进行顶板支护，采用MG400/930-WD 双滚筒采煤机进行割煤，采用型号为SGZ800/800 和SGZ1000/1400 前后刮板输送机进行运煤。至2020 年2 月16 日8111 工作面已回采617 m，5111 巷（回风顺槽）掘进过程中发现位于工作面615 m 处尾部有落差为1.7 m、倾角为52°的F21 断层，以48°斜角穿进工作面，对工作面回采影响长度为62 m。工作面回采至610 m 处时，回风顺槽工作面侧巷帮20 m 范围内出现严重片帮、垮落现象，回风顺槽顶板出现断裂、下沉现象。工作面回采至617 m 处时，回风顺槽煤帮中部片帮深度达1.9 m，片帮长度达8.7 m，回风顺槽顶板局部锚杆（索）失效，顶底板收缩量达0.58 m。

2.2 煤柱片帮机理

（1）煤层结构复杂。8111 工作面回采煤层为石炭系5#煤层，煤层结构复杂，煤层内含多层泥岩夹矸，导致煤层整体稳定性差。8111 工作面回风顺槽在掘进过程中两帮煤体已产生应力剪切破坏，在回采应力作用下，煤体产生二次破坏，导致煤体失稳，出现煤体垮落、破碎。

（2）上覆采空区影响。8111 工作面上约10 m为3#层的8112、8110 采空区，工作面回采过程中受上覆采空区以及邻近采空区残余应力叠加影响，工作面顶板、回风顺槽顶板出现断裂、破碎现象，造成回风顺槽两帮煤体失稳。

（3）构造应力影响。在8111 工作面回采至615 m 处时，在尾部揭露F21 断层，断层侵入后破坏了煤岩体结构完整性，导致断层两盘侧煤岩体在空间上出现位移，断层应力在两帮错位处进行卸压，卸压过程中应力对两盘侧煤岩体产生水平剪切破坏作用，造成煤岩体破坏严重。

（4）支护效果差。为了便于工作面后期回采，回风顺槽在掘进过程中位于煤壁侧巷帮采用玻璃钢锚杆进行支护，锚杆长度为2.0 m，直径18 mm，锚杆外露端安装直径为120 mm 玻璃钢托盘。该支护在应力作用下易出现张拉破坏，支护强度低，支护效果差。

3 煤柱片帮控制技术

为了有效控制8111 工作面回风顺槽煤壁侧煤体片帮，决定对煤柱采取“注浆加固+施工水力膨胀锚杆+施工桁架锚索”联合支护措施。

3.1 注浆加固

3.1.1 注浆方案

为了准确观察顶板围岩变化情况，工作面回采至617 m 后，分别在工作面前方5.0 m、10 m、15 m、20 m 处在回风顺槽煤壁侧煤柱各施工一个仰斜窥视孔，孔深8.0 m，直径50 mm，仰角65°，窥视孔施工在距底板1.8 m 处巷帮上。通过现场窥视发现，在工作面前方10 m 范围内工作面顶板往上2.5 m 范围内整体呈破碎状，无稳定的胶结层结构，在10～15 m 范围内顶板往上1.4 m 范围内出现破碎现象，在15～20 m 范围在0.7 m 范围局部出现破碎现象。由此可见工作面顶板破碎后承载能力降低，顶板垂直应力传递至巷帮，导致巷帮破碎，所以决定对工作面超前15 m 范围内进行超前注浆加固。

3.1.2 注浆钻孔布置

（1）采用双孔注浆工艺，每组布置两个注浆钻孔（钻孔1#、2#），钻孔布置间距为1.0 m，钻孔直径为40 mm，深度为4.0 m，注浆钻孔布置组距为3.0 m。

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（2）1#钻孔为顶板加固钻孔，钻孔开口位置距顶板间距为0.6 m，钻孔仰角为45°。2#钻孔为煤壁加固钻孔，钻孔开口位置距顶板间距为1.6 m，钻孔垂直煤壁布置。如图1。

图1 8111 工作面回风顺槽巷帮煤柱支护示意图（mm）

3.1.3 注浆施工

（1）注浆钻孔施工完后，对钻孔安装注浆花管并采用封孔器进行封孔处理，注浆花管与2ZBQ型气动注浆泵连接进行注浆施工，注浆顺序为先顶板钻孔后煤壁钻孔。

（2）注浆液采用水泥与粉煤灰混合注浆液，水泥与粉煤灰配比为1:0.7。为了缩短浆液凝固时间，对浆液添加剂量为水泥量1.2%的速凝剂。粉煤灰浆液具有取材简单、成本费用低、凝固体具有一定韧性等优点。注浆时注浆压力控制1.0～1.5 MPa 范围内。

3.2 水力膨胀锚杆施工

3.2.1 水力膨胀锚杆支护原理

传统的钢锚杆支护，主要利用锚杆锚固作用以及预应作用使杆体及托盘对破碎围岩进行控制维护。传统锚杆在支护过程中通过施加的预应力只能对杆体径向方向岩体裂隙进行挤压，防止裂隙扩张破坏作用，但无法对杆体轴向岩体裂隙进行控制作用；而水力膨胀锚杆在传统锚杆支护作用的同时，支护体后通过高压水力作用使杆体膨胀，杆体膨胀过程中对钻孔轴向裂隙进行挤压，控制裂隙范围进一步扩大。

3.2.2 支护设备

（2）注水设备。采用SKG7.5/5.0 型风动注水泵，注水泵主要由泵体、注水流量监测仪、注水软管、卸压阀、阀门、进水管路、进风管路等部分组成。注水泵功率为7.5 kW，额定注水量为5.0 L/min。

3.2.3 支护施工

（1）对工作面625～680 m 范围内回风顺槽侧煤壁施工两排水力膨胀锚杆支护孔，采用手持式钻机配套直径为34 mm“八”字型钻头进行钻孔施工，钻孔深度为1.8 m，直径为35 mm，钻孔布置间距为1.2 m，排距为2.0 m。

（2）支护钻孔施工完后，对钻孔内锚注一根水力膨胀锚杆；然后对锚杆腔体内安装一根直径为15 mm 注水软管，并在锚杆端头处安装一个止水塞；最后将注水软管与注浆泵连接进行高压注水施工，注水压力不低于4 MPa。

4 效果

通过对工作面应力区煤壁采取“注浆+水力膨胀锚杆”联合支护技术，工作面在后期回采过程中有效控制了回风顺槽顶板断裂、工作面侧巷帮煤柱破碎、垮落现象，巷帮煤体片帮深度控制在0.6 m以下，片帮长度控制在1.6 m 以下，回风顺槽两帮及顶底板收缩量控制在0.22 m 以下，保证了工作面安全高效回采，取得了显著应用成效。