超前应力破坏区回采巷道支护技术

王曙光

（晋能控股煤业集团燕子山矿，山西 大同 037001）

1 8218 工作面概况

燕子山矿8218 工作面井下位于东C3 号层302盘区，北部为实煤区，南部为东C3 号层302 盘区8218 设计工作面（设计倾向长度179 m），东部为和尚嘴矿界，西部为可采边界线[1]。

8218 工作面设计走向长度2558 m、倾向长度为240 m，东C3 号层302 盘区8218 工作面煤层结构复杂，有3～5 层厚0.02～1.88 m 的夹石，煤层平均厚度为5.01 m，属厚煤层。煤层顶底板岩性如表1 所示。

表1 8218 工作面回采的C3 号层顶底板岩性

8218 工作面采用综合机械化回采工艺，工作面在470～560 m 处由于受邻近8217 工作面采空区垮落影响，巷道保安煤柱宽度为12 m，工作面推进至480 m处时受回采超前应力以及8217 采空区残余应力影响，回风顺槽围岩受应力破坏严重，原顺槽永久支护及临时支护效果差，无法有效控制围岩变形现象[2]。

2 超前应力区加强支护技术

2.1 注浆锚杆支护

8218 工作面超前应力区回风顺槽围岩在集中应力叠加破坏作用下，围岩破碎严重，围岩内部出现“围岩松动圈”是导致原顶板锚杆（索）锚固失效的主要原因，所以决定对超前应力区顶板施工注浆锚杆，如图1 所示。

图1 8218 回风顺槽应力区支护断面示意图（单位：mm）

2.1.1 注浆锚杆结构

1）采用注浆锚杆长度为3.5 m，杆体直径为25 mm，杆体分为两段，前段为中空状，后段为实芯状，中空状长度为2.5 m，主要用于注浆，实芯状长度为1.0 m，主要用于锚固。

2）在注浆锚杆前段杆体中部孔直径为12 mm，在其杆体上均匀布置2 排注浆小孔，孔径为8 mm，每排布置4 个，布置间距为0.5 m。

3）注浆锚杆外露端配套支护承载件为JW 型钢带，钢带长度为0.5 m、宽度为0.32 m；注浆软管直径为10 mm，注浆软管与专用注浆泵进行连接[3]。

4）注浆材料选取水泥砂浆，水泥与沙子质量配比为1∶2，水泥砂浆内添加一定量速凝剂增加浆液凝固强度以及缩短凝固时间，速凝剂添加量为水泥的3%。

2.1.2 注浆锚杆施工工艺

1）首先采用锚索钻机在距工作面5.0 m 处开始在回风顺槽顶板施工注浆锚杆钻孔，每排施工3 个，钻孔深度为3.5 m、直径为30 mm，钻孔布置间距为1.8 m、排距为2.0 m。

2）注浆锚杆钻孔施工后对钻孔内填装锚固剂，然后对锚杆进行锚固，锚固后在杆体外露端依次安装JW 型钢带、异型托板、球形垫、减摩垫以及螺母，杆体预紧力为400 N·m。

3）注浆锚杆锚固后对杆体内插入注浆软管，并安装止浆塞，将注浆软管与注浆泵进行连接注浆施工。

2.2 梯形梁钢棚施工

1）顶板施工梯形梁钢棚主要由梯形架、组合托盘、锚索等部分组成，梯形架主要由圆钢和螺纹钢组成，梯形架长度为2.0 m、宽度为0.5 m，梯形架两侧采用直径为20 mm 以及长度为2.0 m 圆钢；连接杆采用长度为0.5 m 螺纹钢，梯形架采用9 根螺纹钢，布置间距为0.25 m。

2）在梯形架上布置3 块组合锚索托盘，托盘焊接在螺纹钢上，托盘长度及宽度为0.5 m，托盘上布置3 个锚索支护孔；每块组合托盘配套3 根长度为8.3 m、直径为21.8 mm 锚索。

2.3 L 型钢棚

通过现场观察发现，在集中应力作用下位于煤壁侧巷帮肩角煤柱很容易出现垮落现象，主要原因有以下几方面：工作面回采煤层属于石炭系煤层，煤体发育不稳定很容易垮落；原回风顺槽顶板采用的锚杆（索）支护时对肩角煤柱维护不到位，在大应力作用下很容易出现煤柱垮落。对此决定在煤壁侧巷帮上施工一排L 型钢棚[4]。

1）L 型钢棚采用12 号槽钢焊制而成，钢棚长边长度为1.5 m、短边长度为1.0 m，在两边上各焊制一个直径为30 mm 锚索支护钻孔，同时在两边连接处同样焊接一个直径为30 mm 的支护孔。

2）L 型钢棚安装时短边固定在顶板上，长边固定在巷帮上，先采用锚索将短边固定在顶板上，然后再对帮部进行固定，最后对肩角处施工锚索固定，帮部及顶板锚索垂直布置，肩角处锚索以45°斜角布置。采用的锚索长度为4.3 m，直径为17.8 mm[5]。

2.4 自移式伸缩钢棚支护

由于工作面超前应力区传统采用单体柱支护，在应力作用单体柱很容易出现变形、卸压现象，所以决定对8218 回风顺槽超前30 m 范围内安装自移式液压伸缩棚，如图2 所示。

图2 自移式液压伸缩棚结构示意图（单位：mm）

2.4.1 伸缩钢棚结构

1）自移式液压伸缩棚主要由液压棚腿、操作阀组、滑靴、顶梁、连接杆、双向液压杆等部分组成。

2）顶梁长度为4.2 m、宽度为0.5 m，顶梁采用12号槽钢焊制而成，在顶梁两端各安装一个套筒，套筒长度为300 mm、直径为150 mm。

3）液压棚腿最大行程为4.5 m，每架配套2 根棚腿，棚腿上安装集中操作阀组，主要控制棚腿油缸升降、双向液压杆拉伸等动作，在棚腿底端安装一个滑靴。双向液压杆安装在两架支架滑靴之间，主要用于拉架、推架等动作。

2.4.2 液压伸缩棚工作原理

1）首先将自移式液压伸缩棚各配件运输到巷道指定位置，并进行组装，每2 架伸缩钢棚为一组，共计安装2 组支架，支架安装后采用高压液管将操作阀与液泵进行连接。

2）支架安装后通过控制阀组使支架液压棚腿升起，从而保证顶梁与顶板接触，通过时通过阀组控制双向液压杆拉伸保证支架间距为1.0 m；当需要移动支架时通过棚腿阀组降下顶梁，然后控制双向液压杆阀组使前液压杆伸出从而推动前钢棚移动，移动到位后再次控制阀组使后液压杆收缩，从而将后钢棚向前移动，完成钢棚一个移动循环动作。

3 实际应用效果分析

通过对8218 工作面超前应力区回风顺槽围岩采取梯形棚、L 型钢棚、注浆锚杆等加强支护技术后，分别从围岩控制效果、经济效益两大方面进行分析，取得了以下显著应用成效。

3.1 围岩控制效果

8218 工作面推进至480 m 处时对回风顺槽超前应力区围岩采取了加强支护措施，截至2022 年4 月19 日工作面已推进至590 m，通过实际应用效果来看，围岩得到了有效控制。

1）采用注浆锚杆支护实现了锚杆与注浆同步施工，缩短了破碎围岩支护周期，以及实现了锚杆全锚支护效果，通过注浆后控制了围岩“松动圈”范围扩大，避免了原顶板锚杆（索）锚固失效现象，实测应力区顶板锚杆失效率降低至4%以下。

2）对回风顺槽顶板施工梯形锚索棚后提高了顶板整体稳定性，控制顶板下沉破碎现象，实测在后期回采过程中顶板下沉量减小至0.15 m。

3）通过对巷道肩角煤柱施工L 型钢棚后，弥补了传统锚杆（索）支护时肩角煤柱支护不到位，肩角煤柱垮落严重等不足，提高了肩角煤柱整体稳定性，在后期回采过程中肩角煤柱未出现垮落、破碎现象。

3.2 取得的经济效益

1）对回风顺槽应力区采取联合加强支护技术后，提高了工作面回采速度，工作面每天回采量由原来的1.5 m 提高至4.5 m，原煤产量提高了1.2 万t/d，经济效益达3200 万元。

2）通过对回风顺槽采取联合加强支护技术后，巷道内支设单体柱卸压、变形现象得到了有效控制，单体柱损坏率由原来的19%降低为3%,单体柱维修费用减少了27.4 万元。

3）回风顺槽采取联合支护前巷道围岩变形严重，工作面尾端支架前移困难，需对回风顺槽进行二次修复，修复难度大且劳动作业强度高，成本费用高，而采用联合支护后控制了围岩变形，无需对回风顺槽进行修复，减少了巷道修复费用达16.9 万元。

4 结语

燕子山矿对8218 工作面回采过程中回风顺槽超前应力区变形围岩采取合理有效的联合支护措施后，保证了巷道断面规格，控制顶板破碎、底板鼓起、两帮收敛等围岩应力显现现象，有力保障了工作面安全快速推进，取得了显著应用成效。