8101-1综放工作面超前应力区围岩控制技术

时间：2024-07-28

杨博

（晋能控股煤业集团四老沟煤矿，山西大同 037031）

1 概况

晋能控股煤业集团四老沟煤矿8101-1综放工作面位于回风大巷西南部，工作面东部、南部为该矿与塔山矿矿界，北部为8101工作面采空区，西部未开拓。工作面走向长度为1583 m，倾斜长度为189 m，工作面回采3#与5#合并煤层，含夹矸0～4层，平均厚度0.4 m，煤厚8.07～14.33 m，平均10.3 m。工作面为长壁后退式、全部垮落法管理顶板的综合机械化放顶煤采煤工作面，采高3.5 m。

8101-1工作面北部为8101工作面采空区，该采空区与8101-1工作面回风顺槽（5101-1巷）之间预留保安煤柱宽度25 m。工作面的573 m处揭露一条F7正断层，断层落差为1.7 m，倾角为48°，断层从采空区向8101-1工作面方向延伸，断层与5101-1巷夹角为58°。8101-1工作面回采至540 m处时，距工作面30 m范围内回风顺槽应力集中，出现顶板破碎、两帮收缩现象。工作面回采至548 m处时，应力破坏现象更加明显，导致回风顺槽支设的单体柱变形严重，顶板下沉量达0.42 m，两帮收敛量达0.54 m，造成回风顺槽断面积不足设计断面积的70%，威胁工作面后期安全高效回采。

2 超前应力集中区围岩控制

针对8101-1工作面前期回采过程中回风顺槽围岩变形现象，为了提高回风顺槽围岩稳定性，防止工作面在回采过程中受应力作用回风顺槽出现顶板垮落事故，决定对回风顺槽采取联合控制技术[1-5]。超前应力区联合支护示意图如图1。

图1 超前应力区联合支护示意图（mm）

2.1 施工卸压孔

（1）通过施工卸压孔使巷道围岩内应力沿卸压孔释放，避免围岩应力在围岩裂隙内传导，导致出现裂隙扩张破坏，从而造成围岩破碎加剧。

（2）卸压孔施工在5101-1巷应力集中区顶板上，卸压孔深度为5.0 m，直径为50 mm，卸压孔布置间距为3.0 m，卸压孔垂直布置在5101-1巷顶板中部。

（3）卸压孔施工完后，为了防止在卸压过程中应力对卸压孔孔壁产生破坏作用，卸压孔安装卸压花管。每节花管长度为2.0 m，直径为49 mm，花管之间采用丝扣连接，花管四周均匀布置四列圆孔，孔径为5 mm，孔间距为0.3 m。

2.2 施工锚索吊棚

2.2.1 施工目的

锚索吊棚通过高强度锚索将钢梁悬吊在稳定岩体，通过对钢梁施加预紧力，确保钢梁与顶板岩体接触严实。当顶板岩体受应力作用出现下沉时，钢梁可对顶板岩体施加主动支护作用，有效控制岩体下沉。

2.2.2 锚索吊棚组成部分

5101-1巷施工的锚索吊棚主要由工字钢梁、恒阻锚索、锁具等部分组成。其中，工字钢梁长4.5 m，钢梁宽0.14 m，在钢梁上布置三个恒阻锚索支护孔，孔间距为1.8 m，每根恒阻锚索长度为6.5 m，直径为21.8 mm，恒阻锚索承载能力为1890 MPa。

2.2.3 施工工序

（1）锚索吊棚施工工序如下：施工恒阻锚索支护孔→锚注恒阻锚索→安装钢梁→预紧钢梁。5101-1巷施工的锚索吊棚布置间距为2.0 m，锚索吊棚施工在原顶板钢带之间。

（2）锚索吊棚施工时必须保证锚索锚固强度，每根锚索应采用2支锚固剂锚固，锚索锚固强度不低于290 kN。锚索吊棚施工完后必须保证钢梁与顶板接触严实，对于破碎区域锚索可在相邻两架吊棚之间安装水泥背板。

2.3 架设梯形钢棚

（1）梯形钢棚主要由顶梁、棚腿、卡缆、底座等组成。顶梁采用长度为4.5 m、宽度为0.18 m槽钢焊制而成，顶梁两端各焊制一个固定孔，棚腿采用工字钢梁焊制而成，棚腿长度为2.8 m，棚腿上端按住卡槽，棚腿与顶梁之间采用卡缆进行固定。

（2）梯形钢棚超前工作面5.0 m处开始架设，先安装钢棚底座，底座采用地锚与坚硬底板固定，棚腿与底座之间采用螺母进行固定。为了提高钢棚支护效果，棚腿与底座之间布置夹角为75°，棚腿安装后采用卡缆将棚腿与顶梁进行固定。

（3）梯形钢棚安装后，必须保证顶梁与顶板接触严实，梯形钢棚架设间距为1.5 m。若回风顺槽顶板出现破碎、冒漏时，为了保证梯形梁棚支护效果，在相邻三架钢棚顶梁之间沿巷道走向布置4～6根长度为3.2 m工字钢梁。

2.4 应用效果分析

目前，工作面已回采至600 m，通过对5101-1巷应力集中区围岩采取联合控制措施后，分别在巷帮以及顶板安装一组位移监测仪，布置在工作面超前20 m处。后期回采过程中通过现场观察发现，采取措施后围岩变形现象得到有效改善，在0～3 d范围内围岩受应力作用变形严重，顶板最大下沉量为0.16 m，两帮收敛量为0.23 m，在3～5 d内在联合支护作用下围岩变形现象逐渐减弱，5 d后顶板及两帮变形趋于稳定。