錨索式超前支護替代單體支護技術研究

陳偉強

（皖北煤電集團恒源股份有限公司五溝煤礦，安徽 淮北235131）

1 立項背景

五溝煤礦1026工作面，主采10煤層。煤層結構較復雜，煤層直接頂板巖性以泥巖為主，局部地段存在泥巖、炭質泥巖偽頂；老頂為細砂巖、泥巖等；煤層直接底板為泥巖，老底為細砂巖。目前礦井采煤工作面超前支護采用“單體液壓支柱配合鉸接頂梁”超前支護形式，工人勞動強度大，工作效率低，影響工作面回采速度。因此在確保安全生產條件下，中國礦業大學與五溝煤礦合作以1026工作面各巷道為工業性試驗地點，研發一種“超前（注漿）錨索支護”的新型超前支護形式，并基于這種主動式超前支護新模式進行支護強度計算驗證，形成“（注漿）錨索式超前支護”關鍵技術。在1026工作面機巷、改造機巷、風巷實施（注漿）錨索超前支護，回采之前為了回采安全可靠，在工作面兩巷進行圍巖結構探測。采用鉆孔成像儀對裂隙發育進行觀測，以進行巖體內部裂隙發育情況研究分析，得到五溝煤礦1026工作面圍巖松動圈發展發育規律，實時監測、反饋、指導、提供理論及技術支撐，保證（注漿）錨索式超前支護項目的安全高效開展。

2 工程地質特征

2.1 1026工作面概況

1026工作面機巷長1122m，底板標高-440m～-340m；1026改造機巷長1138m，底板標高-440m～-340m；1026風巷1145m，底板標高-400m～-320m；工作面10煤層傾角3°～19°，平均傾角α=8°。根據巷道實際掘進和井下鉆探探查資料可知，本工作面最高點標高為-320m。

2.2 1026工作面地質概況

（1）1026機巷的直接頂為泥巖，基本頂多為中砂巖。

（2）1026改造機巷的直接頂為泥巖，基本頂多為粉砂質泥巖，分布較為平均，半堅硬巖層。

（3）1026風巷的直接頂為泥巖，淺灰色，塊狀，致密，基本頂為層狀較厚的粉砂巖。

（4）煤層厚度、結構及其穩定性：1026工作面10煤層全部可采，煤層賦存情況較為復雜，根據地面鉆孔資料：工作面面內J5-3鉆孔煤層含兩層泥巖夾矸，夾矸合計厚為0.5m，東翼煤層結構較為復雜，西翼煤層結構簡單。該工作面10個煤層平均煤層厚度為4m，煤層可采指數Km=1，為相對穩定的煤層。受地質構造影響，部分斷面煤層波動較大。

3 圍巖松動圈規律測試

3.1 設備原理

采用井眼相機法觀察裂縫發展規律。鉆孔攝像法主要是指創新研發的醫用胃鏡成像技術。根據光學原理，可以直接觀察巖體內部結構，并作為圖像輸出，用于巖體內部規律研究和分析的發展。礦井井眼成像軌跡檢測裝置用于目視觀察和測試井壁結構面及裂縫的分布情況，并捕獲井壁圖像。

3.2 測站布置

通過實測1026工作面機巷、對機加工隧道、風洞開挖巷道圍巖松散環進行整治，掌握10個煤層圍巖裂縫發育特點，為優化錨索超前支護技術參數提供依據。10個煤層（注漿）。為獲得1026工作面機械巷頂板內部結構及裂隙發育情況，結合巷道地質條件和現場巷道支護狀況，對改造后的機械巷道和風巷進行研究。在機道、改道機道和風道各點布置測量站，進行鉆孔檢測。每個測量站包括2個測量孔。測孔采用立式頂板，分別布置在巷道頂板與頂板兩側1.0m處。測量孔深度為10m。孔直徑為32mm。1026工作面30m、80m、130m、180m、230m處設置5個測站進行鉆孔探測。

4 原巷道錨桿（索）網支護技術方案

（1）風巷設計斷面規格：凈寬×凈高=4.6×3.5m，巷道頂部采用φ20mm，L＝2400mm左旋無縱筋等強螺紋鋼錨桿，每排共7根，間排距750×800mm，鋪菱形金屬網配合W型鋼帶梁支護。巷道幫部采用φ20mm，L＝2200mm右旋全螺紋錨桿，每排共10根，間排距750×800mm。錨索規格：φ17.8mm，L=7300mm，間排距為1500×1600mm，每排共2根。

（2）機巷設計斷面規格：凈寬×凈高=4.6×2.8m，巷道頂部采用φ20mm，L＝2400mm左旋無縱筋等強螺紋鋼錨桿，每排共7根，間排距700×800mm，鋪菱形金屬網配合W型鋼帶梁支護，巷道幫部采用φ20mm，L＝2200mm右旋全螺紋錨桿，每排共8根，間排距750×800mm。錨索規格：φ17.8mm，L=7300mm，間排距為1500×1600mm，每排共2根。

（3）改造機巷設計斷面規格：凈寬×凈高=4.1×3.0m，巷道頂部采用φ20mm，L＝2400mm左旋無縱筋等強螺紋鋼錨桿，每排共7根，間排距700×800mm，鋪菱形金屬網配合W型鋼帶梁支護。巷道幫部采用φ20mm，L＝2200mm右旋全螺紋錨桿，每排共9根，間排距750×800mm。錨索規格：φ17.8mm，L=7300mm，間排距為1500×1600mm，每排共2根。

5 （注漿）錨索式超前支護技術方案

根據該區煤層工程地質特征，考慮該礦先進支護技術水平（首次采用錨索超前支護代替單支超前支護），建議在1026年開采期間工作面，巷道和機械進行改造。在巷道、風道超前支護壓力影響范圍內，采用不同的區域差異化超前支護形式。該系統對注漿錨索先進支護技術進行總結分析，為下一階段在五溝煤礦推廣錨索（注漿錨索）先進支護技術積累經驗。

5.1 改造機巷（注漿）錨索式超前支護技術方案

將1026工作面改造機巷劃分為兩個區域，具體如下：

Ⅰ區地表：距工作面30m-410m（巖段巷道至X6）、590m-640m（W9至W10）、750m-1010m（W9至停采線）、巷道地質條件好區，根據該區煤層工程地質特點，并考慮該礦先進支護技術水平（首次采用注漿錨索在超前支護代替單一超前支護的工業應用）于1026年工作面截停期，在改造巷道超前支護壓力影響范圍內，按地區、階段區分超前支護方式。

第一階段：1026在距工作面0-50m范圍內使用單個液壓支柱和錨索對隧道進行改造。其中，單體液壓支柱為兩排，一梁一柱檐，行距2.4m，柱距1.2m。

第二階段：1026機隧道改造，采用單液壓支柱，錨索距離工作面50-100m。其中，一排單體液壓支柱沿一梁一柱雨棚運行，柱間距為1.2m。

第三階段：1026改造工作面至停采線100m范圍內取消單柱支護，采用錨索加強支護。

（1）補強錨索規格為Φ21.8×7300mm，排距為800mm，每排用1根1×19股的高強度錨索進行加固，垂直頂板，緊貼巷道中線靠實體煤側施工。

（2）采用2卷樹脂錨固劑，1卷K2370型樹脂錨固劑在里，1卷Z2370型樹脂錨固劑在外。

（3）錨索預緊力為230kN。（4）采用規格為300×300×16mm的高強度鼓形托盤。

（5）采用W鋼帶梁配合補強錨索進行支護，鋼帶梁長2000mm，厚度3mm，保證鋼帶連接緊密連續。

區域Ⅱ面：距工作面410m-750m（X6到到W9處），頂板破碎，離層發育，巷面道地質條件較差。并且距工作面386m-457m（Z1處到2#探巷處）頂板滑移，需要進行單體支護。

（1）注漿錨索每排用3根1×8股注漿錨索加固，規格Φ21.6×7300mm，行距為1500×1600mm，安裝立頂，中間排錨桿電纜靠近車道的中心線。固煤側建設。

（2）配合W型鋼帶支護，鋼帶梁長3400mm，厚度3mm，保證鋼帶連接緊密連續。

（3）采用2卷樹脂錨固劑，1卷K2370型樹脂錨固劑在里，1卷Z2370型樹脂錨固劑在外。

（4）錨索的預緊力為180kN。

（5）采用規格為300×300×16mm的高強度鼓托盤。

（6）注漿在工作面前30m-50m處進行，優選礦用注漿材料，注漿壓力不大于5MPa。

5.2 機巷（注漿）錨索式超前支護技術方案

將1026工作面機巷劃分為兩個區域，具體如下：

區域Ⅰ面：距工作面20m-210m（JZ8到到D15處），240m-408m（JS3到到JZ5前前10m），564m-612m（J13后后5m到到JS1處），672m-711m（J9前前10m到到D8前前10m處），772m-961m（D7后后10m到到J4前前60m）巷道地質條件良好區域，根據該區煤層工程地質特征，結合該礦先進支護技術水平（首次采用注漿錨索超前支護替代單支超前支護的工業應用），建議停工期為1026工作面，在機洞超前支護壓力的影響范圍內，超前支護形式按地區、階段有所區別。

階段Ⅰ：1026高強度錨索單液壓支柱用于距工作面0-50m范圍的超前支護。其中，一排單體液壓支柱沿一梁一柱雨棚運行，柱間距為1.2m。

階段Ⅱ：1026工作面至機道停止線50m范圍內取消單柱支護，采用高強度錨索加強支護。

（1）補強錨索，每排用1根1×19股的高強度錨索進行加固，規格為Φ21.8×7300mm，排距為800mm，垂直頂板，緊貼巷道中線靠煤柱側施工。

（2）采用2卷樹脂錨固劑，1卷K2370型樹脂錨固劑在里，1卷Z2370型樹脂錨固劑在外。

（3）錨索預緊力為230kN。

（4）采用規格為300×300×16mm的高強度鼓形托盤。

（5）采用W鋼帶梁配合補強錨索進行支護，鋼帶梁長2000mm，厚度3mm，保證鋼帶連接緊密連續。

區域Ⅱ面：距工作面210m-240m（D15到到JS3處），408m-564m（JZ5前前10m到到J13后后5m），612m-672m（JS1到到J9前前10m處），672m-772m（D8前前10m到到D7后后10m處），961m-1024m（J4前前60m到停采線）頂板破碎，離層發育，巷道地質條件較差。

（1）注漿錨索每排用3根1×8股注漿錨索加固。規格為Φ21.6×7300mm，行距為1500×1600mm，安裝立式屋頂。中排錨桿索緊靠車道中心線。煤柱側面施工。

（2）W型鋼帶支撐，鋼帶梁長3400mm，厚3mm，保證鋼帶的緊密連續連接。

（3）采用兩卷樹脂錨固劑，一卷K2370樹脂錨固劑在里面，一卷Z2370樹脂錨固劑在外面。

（4）錨索預緊力為180kN。

（5）采用300×300×16mm的高強度滾筒托盤。

（6）工作面前30m-50m處注漿，優先選用礦用注漿材料，注漿壓力不大于5MPa。

5.3 風巷（注漿）錨索式超前支護技術方案

將1026工作面風巷劃分為兩個區域，具體如下：

區域Ⅰ面：0m-252m（G1至D15）、522m-722m（F8至FZ3前53m）、782m-893m（D4至F3A）道路地質條件較好的地區，根據該區煤層工程地質特征，結合該礦先進支護技術水平（注漿錨桿首次工業化應用在纜式超前支護代替單支超前支護），建議在1026工作面，在風洞超前支護壓力影響范圍內，采用分區域、分階段差異化的超前支護形式。

第一階段：1026風洞工作面0-50m范圍內采用單體液壓支柱和高強度錨索進行超前支護。其中，一排單體液壓支柱沿一橫梁、一柱頂棚運行，間距為1.2m。

第二階段：在1026風洞工作面至停線50m范圍內取消單柱支護，采用高強度錨索加強支護。

（1）補強錨索采用每排1根1×19股的高強度錨索進行加固，規格為Φ21.8×7300mm，排距為800mm，垂直頂板，緊貼巷道中線靠工作面煤側施工。

（2）采用2卷樹脂錨固劑，1卷K2370型樹脂錨固劑在里，1卷Z2370型樹脂錨固劑在外。

（3）錨索預緊力為230kN。

（4）采用規格為300×300×16mm的高強度鼓形托盤。

（5）采用W鋼帶梁配合補強錨索進行支護，鋼帶梁長2000mm，厚度3mm，保證鋼帶連接緊密連續。

區域Ⅱ面：距工作面252m-522m（D15到到F8前前53m處），722m-782m（FZ3到到D4處），893m-942m（F3A到停采線處）頂板破碎，離層發育，巷道地質條件較差。

（1）注漿錨索加固每排3股1×8股注漿錨索，規格為Φ21.6×7300mm，行距為1500×1600mm，安裝立頂，中間排錨電纜靠近車道。靠近工作面的中線煤側施工。

（2）W型鋼帶支撐，鋼帶梁長3400mm，厚3mm，保證鋼帶的緊密連續連接。

（3）采用兩卷樹脂錨固劑，一卷K2370樹脂錨固劑在里面，一卷Z2370樹脂錨固劑在外面。

（4）錨索預緊力為180kN。

（5）采用300×300×16mm的高強度滾筒托盤。

（6）工作面前30m-50m處注漿，優先選用礦用注漿材料，注漿壓力不大于5MPa。

6 工業性試驗

為獲得1026工作面機加工巷道、改造機加工巷道和氣道的地壓出現規律，以及10號工作面超前支護段“錨索超前支護”的使用效果煤層、巷道變形及錨索松散圈受力特性及發展規律。通過巷道礦壓監測，了解錨索、錨桿等支護結構的支護效果，對“錨索超前支護”進行評價。為“錨式超前支護”在煤10的實際應用提供了依據，綜合評價了五溝煤礦采用“錨式超前支護”替代傳統單一支護的可行性。也為類似條件下“錨索超前支護”的設計提供了有益的參考。巷道圍巖監測技術方案主要包括巷道地表位移、錨索受力、巷道圍巖內裂隙發育規律（鉆孔檢測）變化等。

7 結論

通過對五溝煤礦1026巷道、風巷、改造巷道圍巖松散圈的測試，評價了圍巖的地質力學參數。同時，基于頂板疊置梁理論，建立了煤巷圍巖穩定性，基于性能控制力學模型計算和校核了采煤巷的合理支護強度，為采煤巷道的有效支護提供理論支持及先進的支持技術。目前，工作面已安全停在350m處。