孤岛工作面超前应力区围岩控制技术

李守堂

（山西柳林兴无煤矿有限责任公司，山西 吕梁 033300）

煤矿孤岛工作面在回采过程中应力显现是普遍存在的问题，主要表现在围岩破碎、顶板下沉、底鼓等，其回采面临着很大的困难。受集中应力影响，孤岛工作面回采期间超前应力区巷道围岩变形严重。研究发现，孤岛工作面回采时超前应力区巷道变形量是掘进期间的10 倍左右，影响后期端头设备和工作面回采速度。

为了有效解决孤岛工作面回采时围岩大变形等技术难题，专家学者进行了大量研究并探讨了相应的围岩控制技术。张科学等人[1]分析了孤岛工作面回采巷道围岩稳定性机理，并提出了“锚杆+U 型钢”联合支护；田华锋[2]对孤岛工作面围岩结构进行分析，并提出了“锚杆（索）+金属网+钢带”联合支护技术。本文以兴无煤矿H4201 孤岛工作面为研究对象，根据该工作面地质现状及回采情况，提出了适用于兴无煤矿孤岛工作面应力区围岩控制技术[3-5]，为其他工作面回采提供实践依据。

1 概述

山西柳林兴无煤矿有限责任公司H4201 工作面位于二采区，开采煤层为山西组底部4 号煤层，距上部3 号煤层底板平均20 m，距下部5 号煤层顶平均为6.45 m。煤层厚度为3.1～3.9 m，平均为3.65 m。该煤层偶含一层夹矸，夹矸厚度为0.20～0.80 m，煤层单一，为结构简单，层位、厚度稳定的大部分可采煤层。煤层顶板为砂质泥岩、泥岩，底板为砂岩或碳质泥岩，顶底板岩性见表1。本井田构造简单，总体上地层为走向北西—南东、倾向南西的缓倾斜的单斜构造，倾角为3°～8°，一般为5°～6°。

表1 H4201 工作面4#煤层顶底板岩性表

H4201 综采工作面长度76 m，工作面东南部为4 号煤层42211、42212、42213 采空区，西北部为4 号 煤 层42105、42104、42013、42102、42101 采空区，西南部相邻4 号煤层42106 采空区，东北部相邻+760 m 水平回风大巷、+760 m 水平副大巷。H4201 综采工作面为孤岛工作面，采用“U”型通风方式，运输、回风顺槽平均长度为654 m，顺槽为矩形断面，宽度为4.5 m，高度为3.0 m。

H4201 回风顺槽属于孤岛工作面回采巷道，由于巷道前期在掘进过程中受采动影响巷道围岩出现破碎现象，工作面在回采过程中受二次采动影响，回风顺槽出现大变形现象，特别是在回采超前应力区30 m 范围内，围岩变形量大，主要体现在顶板及两帮变形严重，顶板下沉量达0.55 m，两帮收敛量达0.62 m。

2 超前应力区联合支护

为了有效控制H4201 综采工作面超前应力区围岩变形情况，决定对回风顺槽距工作面30 m 范围内施工“让压恒阻锚索+π 型单体柱”联合支护。

2.1 让压恒阻锚索支护

2.1.1 让压恒阻锚索支护原理

传统锚索支护时，锚索锚固后对锚索安装承载件并进行预紧，预紧力通过锚索传递至锚固段稳定岩体内，形成悬吊、应力组合梁（拱）支护作用。但对于大变形围岩中，当锚索有效支护区域内的岩体出现离层时，对锚索产生拉伸作用，当拉伸长度大于锚索最大允许长度时，锚索出现破断现象。

让压恒阻锚索支护是指在锚索施加预应力的预伸段安装让压恒阻套件，在无应力作用下让压锚索支护作用与普通锚索支护作用相同，当顶板来压变形时，顶岩对让压恒阻套件加压，让压件出现变形且变形量为围岩下沉量，从而避免锚索破断，同时保持锚索恒阻，起到有效的支护效果。

2.1.2 让压恒阻锚索结构

让压恒阻锚索主要由让压器、恒阻锚索、锁具、承载件等部分组成，如图1 所示。让压器主要由劈裂塞和让压管两部分组成。让压管采用高强度锰钢制成，让压管采用圆柱状，圆柱外径为100 mm，长度为150 mm，中部为中空状，中部孔直径为70 mm。在让压管两侧对称布置一个劈裂槽，劈裂槽深度为10 mm。劈裂塞为中孔圆台环状，中部孔直径为25 mm，主要用于穿过恒阻锚索。劈裂塞底部为圆盘状，直径为80 mm，长度为100 mm。

图1 让压恒阻锚索结构示意图

恒阻锚索采用长度为6.0 m、直径为21.8 mm的9 股钢绞线制成，锚索最大破断力为455 kN，延展率为15%，恒阻锚索采用端头锚固方式，锁具采用三芯片套筒式锁具，承载件采用规格为120 mm×120 mm×10 mm 的蝶形托盘。

2.1.3 施工工艺

（1）首先在H4201 综采工作面回风顺槽应力区顶板施工锚索钻孔，每排布置两个，钻孔布置间距为2.5 m，排距为2.0 m，钻孔垂直顶板布置，钻孔深度为6.0 m，直径为28 mm。

（2）支护孔施工完后，对钻孔内安装一支MSK23/35 型和两支MSK23/60 型锚固剂，然后安装恒阻锚索、搅拌套并采用钻机进行搅拌锚固。

（3）恒阻锚索锚固后，在其外露端依次安装蝶形托盘、让压器、锁具，并采用张拉机具对其预紧，预紧力不得低于370 kN。

（4）让压锚索支护后，当顶板受应力影响出现下沉时，锁具将拉力传递至劈裂塞，劈裂塞在外力作用下穿进让压管内，让压管在劈裂塞作用下沿劈裂槽破裂。此时外界拉力转换为锚索工作阻力，实现恒阻支护作用。

2.2 π 型单体柱支护

H4201 综采工作面回采前期，顺槽超前区主要采用单体柱进行维护，每排布置4 根，单体柱布置间排距为1.0 m，顶梁长度为0.5 m。通过实际应用效果来看，原单体柱布置密集，不利于端头设备移动，且单体柱顶梁支护端承载能力差，多数单体柱出现变形现象，支柱回收难度大。对此，对原单体柱支护方式进行优化，改用“一梁两柱”支护方式。

选用单体柱型号为DZ35-320/100，单体柱最大工作阻力为320 kN，采用π 型顶梁长度为4.2 m，顶梁两端各支设一根液压单体柱，单体柱布置排距为1.0 m。为防止在应力作用下单体柱出现滑移现象，在单体柱底端安装柱靴，相邻两排单体柱安装防倒拉杆装置，单体柱支设时初撑力不得低于280 kN。

3 实际应用效果分析

H4201 回风顺槽超前应力区顶板采取“让压恒阻锚索+π 型单体柱”联合支护后，对巷道顶板及两帮变形情况进行监测。监测发现，在工作面超前应力区10 m 范围回风顺槽受应力影响最大，实测顶板最大下沉量达0.28 m，两帮收敛量达0.37 m；在10～20 m 范围内顶板最大下沉量为0.21 m，两帮最大收敛量为0.33 m；在20～30 m 范围内围岩变形量较小，顶板最大下沉总量为0.14 m，两帮最大收敛量为0.25 m；30 m 后顶板下沉量稳定在0.1 m，两帮收敛量稳定在0.17 m，如图2 所示。但是顶板及两帮未出现破碎、垮落等现象，不影响后期端头设备移动，围岩变形量在允许范围内。

图2 联合支护后H4201 回风顺槽超前应力区顶板及两帮变形曲线图

4 结语

兴无煤矿通过对H4201 孤岛工作面超前应力区围岩采取联合控制技术后，控制了应力区围岩大变形现象，保证了工作面后期安全顺利回采，避免了应力区围岩受应力作用出现破碎、垮落现象，取得了显著应用成效。