综采工作面超前应力底鼓区控制技术应用研究

前言：我国能源储备存在多煤、少油、少气等特征，煤炭资源总储量较多，埋深在 1000m 以下的煤炭赋存量占 50% 左右。随着开采强度增加，超采深矿井的数量也越来越多，需积极使用超前支护技术手段，控制综采工作面底鼓区变形度，从根源规避矿井深部开采环节的各项风险问题。

1.工程概况

本文以某综采工作面为例，该综采工作面的设计总长度为 850m ，倾向长度为 200m 。工作面中采煤层厚度的平均为 2.5m 。通过对施工现场进行细致勘察，发现该工作面的顶板结构较为复杂，包括细粒砂岩、砂质泥岩等，每层结构厚度平均为 2.2m. 。底板为泥岩结构，泥岩的平均厚度为 4.5m 。

在开展长时间回采工作，并受断层地质条件影响，当回采深度达到450m 的情况下，工作面巷道超前应力范围会出现底鼓、两侧收缩问题，导致巷道移架难度进一步提升，对工作面高效回采效果造成不利影响。

2.超前应力底鼓区机理

2.1 集中应力影响

当煤炭工作面回填到 450m 的情况下，巷道围岩结构会受到来自断面应力、回采应力等作用影响，导致开展工作的安全隐患更多。在巷道两侧应力传递到底板部位的情况下，底板处也会出现加大的水平挤压力，严重影响底板的空鼓问题。

2.2 底岩稳定性不佳

对施工现场作业面进行地质勘察分析，发现底板处以泥岩结构为主，厚度较大，部分底板中间还存在薄薄的炭质泥岩。在岩层单轴抗压强度较低的情况下，底部会因应力过于集中被破坏，稳定性被削弱，在压力泄压区域更容易出现上鼓问题。

2.3 巷帮受破坏严重

案例工程中的工作面为全煤巷道，在开采环节更易受到集中应力影响，巷道两侧也会因持续开挖变形松散，如没有进行严格支护处理，煤柱与顶板之间的更易垮塌。在顶部存在不规则的尖锥结构时，煤柱部位难以承受垂直应力。如应力逐步传输到底板，底板部位也会发生空鼓问题。

2.4 维护措施不到位

在超前应力底板因维护不到位出现低鼓问题的情况下，会对采煤全过程的安全性造成不利影响，需着重使用卧底维护手段。但经过实践研究发现，巷道高度虽然会维持原有高低，但因应力问题无法得到及时解决，也难以从根本上解决底板空鼓问题。

3.超前应力底鼓区控制重要性

在煤矿开采环节，采掘空间会使岩体结构受到应力作用影响，导致采掘空间快速变形，岩石掉落等，需要选用适宜的支护技术手段。遵照煤矿安全开采要求，应在采煤通道的安全出口部位、巷道连接部位的超前应力底鼓区域进行严格支护技术，确保支护后的巷道长度符合具体开采要求。

超前支护工作就是对超前工作面进行预先支护，利用超前支撑力，使工作面与巷道结构始终保持稳固状态。在综采工作面处选用适宜支护手段，可进一步提升底板处的支撑力，使煤矿生产工作安全高效开展。

通过使用超前支护与控制技术手段，管理部门应在工作前勘查现场地质条件与水文环境，明确支护环节的相关系数，制定科学合理的支护方案，对支护设施进行严格检修与维护，为工作面上、下巷断面大小、物料运输、安全通行提供必要保障。

4.超前应力底鼓区控制要点

为有效控制案例工作面超前底板空鼓现象出现，由技术部门共同研究，在应力底板部位配合使用卧底、混凝土浇筑、安装工字钢棚、注浆锚索技术。

4.1 巷道卧底

施工现场的底鼓区长度为 35m ，卧底宽度为 4.0m 。对卧底两侧部位进行开帮与支护处理，将支护结构的整体高度控制在 1.0m 之间，深度为 0.3m 。

卧底部位多使用巷道修复机设施，以有效提高巷道的稳定性及安全性，保障煤炭正常生产。巷道修复机由挖掘臂、破碎锤、铲斗等构件组成，操作人员通过控制台操作杆件及按钮，精准控制工作装置的动作，对巷道底板进行挖掘、破碎、清理与整平，扩大巷道断面、改善通风与运输条件。

4.2L 型工字钢棚

在巷道卧底后在底部安装L 型钢棚，钢棚应使用规格适宜的槽钢焊接。严格控制钢棚规格，如长边的边长为 1.5m ，段边长为 1.0m. 。在钢棚的长边部位可以钻取圆孔，两孔间距控制 1.0 之间，并将短边中部钻取上一个圆孔。

在 L 型钢棚安装后，应依据三钢棚的长边、短边长度，在扁钢上设置三个圆孔，圆孔的间距为 1.0m ，在扁钢与钢棚连接环节也应使用钻取孔方式，并使用锚杆固定在一起。

4.3 注浆锚索

在钢棚施工后续，应在卧底下部每隔 1.8m 浇筑一排注浆锚索。每排设施可设施两根，间距为 3.0m 。锚索需选择规格适宜的高应力锚索构件，并使用垂直固定方式与下部固定在一起。

运用手持式钻机手段，对施工区域的锚索部位进行钻孔，钻孔深度可为 4.0m ，直径应为 30mm 。在钻孔后应依次填入锚固剂、锚索装置，在锚索外部需预留 150～300mm 。

注浆锚索锚固后采用注浆处理，注浆水泥采用425#普通硅酸盐水泥，浆液水灰比为 0.75:1～1:1 ；注浆时注浆压力根据单位时间进浆量随时调节，一般采用先低压再升压注浆，也可采用定压注浆，最大压力不超过3MPa。稳压时间 2～3 分钟，当注浆达到稳压时，即可结束注浆。

4.4 浇筑施工

在浇筑锚索后，应在卧底部浇筑配比适宜的混凝土。混凝土中的水泥可使用普通硅酸盐水泥，强度为42.5R，混凝土浇筑厚度也应符合施工要求。

浇筑混凝土环节也需要使用振动棒进行辅助振动处理，确保混凝土浇筑的密度符合施工标准。在混凝土高度值超过 0.4m 的情况下，在注浆锚索外漏部位也可连接工字钢梁，并借助锁具预紧。安装钢梁后可持续浇筑，使巷道底板始终保持稳固平整状态。

5.超前应力底鼓区控制技术种类与发展趋势

5.1 超前应力底鼓区控制技术种类

锚网喷支护。首先利用钢绞线制作锚杆，借助锚具与锚网进行预先支护处理。由于钢绞线的抗拉力大，在支护过程中还应预先钻孔，将锚固剂安装在孔内，使锚杆与孔壁的摩擦力进一步提升。使用锚具、托盘连接锚杆端头，将端头与岩层连接起来，配合使用锚杆张拉手段提高支护结构的预应力值，并预防底部出现鼓起问题；

超前支架支护工艺。巷道超前支护液压支架是煤矿等井下作业中不可或缺的安全设备。它主要用于巷道的超前支护，具备抗冲击、防底鼓、防帮鼓等功能。这种高强度支护可显著提升巷道围岩稳定性，减少因顶板压力传递至底板的变形量，该支架可提前支撑围岩，避免因压力集中导致的底鼓。

5.2 超前应力底鼓区控制发展趋势

随着“双碳”目标落实，煤炭开采也应朝向绿色化、高效化、安全化方向发展。配合使用现代信息技术、物联网技术手段，也可辅助综采工作面超前应力底鼓区控制工作有序开展。

在超前液压支架安装期间会遇到反复加载问题，应加大液压支护管控力度，配合使用双顶梁支护方式，确保每组顶梁支护强度符合安全施工要求后，才能够移动后续顶梁、两组顶梁进行交叉处理，保障支护部位强度。

如综采面的地质条件较为复杂，在开采过程中还可借助人工智能、云计算技术，对超前支护环节进行自动化管理、分析安全事故发生原因，制定专项解决措施，真正意义上实现超前应力底鼓区控制支护工作，确保采矿工作安全开展。

总结：总而言之，结合综采工作面超前应力底鼓区机理，在应力控制环节需配合使用卧底、浇筑混凝土、安装工字钢棚并注浆锚索等方式，进一步增强底板结构稳固性，保障应力巷道成型率，提升综采工作面安全高效回采效果。

参考文献：

[1]徐庆.综采工作面超前应力分布及支护技术研究[J].能源与节能,2024,(11):150-152.

[2] 李伟. 综采工作面超前应力区围岩控制技术研究[J]. 山西化工,2024,44(07):212-214.