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超前应力破坏区回采巷道支护技术

2023-10-20 54 上传者：管理员

摘要：针对燕子山矿8218工作面回采前期回风顺槽超前应力区围岩出现严重破坏现象，造成原顶板锚杆（索）破断、单体柱变形弯曲、底鼓、两帮垮落等现象，通过技术研究，决定对回风顺槽超前应力区采取“注浆锚杆+梯形梁钢棚+L型钢棚”等联合支护技术。通过实际应用效果来看，采取联合控制技术后，有效控制了回风顺槽围岩破碎现象，保证了工作面安全快速推进。

关键词：
单体柱
回采面
围岩控制
应用效
超前应力区
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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2 558 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。

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。

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0.5m，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]。

图1 8218回风顺槽应力区支护断面示意图（单位：mm)

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。

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。

图2 自移式液压伸缩棚结构示意图（单位：mm)

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3 200万元。

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。