錨索式超前支護(hù)替代單體支護(hù)技術(shù)研究

陳偉強(qiáng)

（皖北煤電集團(tuán)恒源股份有限公司五溝煤礦，安徽 淮北235131）

1 立項(xiàng)背景

五溝煤礦1026工作面，主采10煤層。煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，煤層直接頂板巖性以泥巖為主，局部地段存在泥巖、炭質(zhì)泥巖偽頂；老頂為細(xì)砂巖、泥巖等；煤層直接底板為泥巖，老底為細(xì)砂巖。目前礦井采煤工作面超前支護(hù)采用“單體液壓支柱配合鉸接頂梁”超前支護(hù)形式，工人勞動(dòng)強(qiáng)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(chǎn)條件下，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)與五溝煤礦合作以1026工作面各巷道為工業(yè)性試驗(yàn)地點(diǎn)，研發(fā)一種“超前（注漿）錨索支護(hù)”的新型超前支護(hù)形式，并基于這種主動(dòng)式超前支護(hù)新模式進(jìn)行支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算驗(yàn)證，形成“（注漿）錨索式超前支護(hù)”關(guān)鍵技術(shù)。在1026工作面機(jī)巷、改造機(jī)巷、風(fēng)巷實(shí)施（注漿）錨索超前支護(hù)，回采之前為了回采安全可靠，在工作面兩巷進(jìn)行圍巖結(jié)構(gòu)探測(cè)。采用鉆孔成像儀對(duì)裂隙發(fā)育進(jìn)行觀測(cè)，以進(jìn)行巖體內(nèi)部裂隙發(fā)育情況研究分析，得到五溝煤礦1026工作面圍巖松動(dòng)圈發(fā)展發(fā)育規(guī)律，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、反饋、指導(dǎo)、提供理論及技術(shù)支撐，保證（注漿）錨索式超前支護(hù)項(xiàng)目的安全高效開展。

2 工程地質(zhì)特征

2.1 1026工作面概況

1026工作面機(jī)巷長(zhǎng)1122m，底板標(biāo)高-440m～-340m；1026改造機(jī)巷長(zhǎng)1138m，底板標(biāo)高-440m～-340m；1026風(fēng)巷1145m，底板標(biāo)高-400m～-320m；工作面10煤層傾角3°～19°，平均傾角α=8°。根據(jù)巷道實(shí)際掘進(jìn)和井下鉆探探查資料可知，本工作面最高點(diǎn)標(biāo)高為-320m。

2.2 1026工作面地質(zhì)概況

（1）1026機(jī)巷的直接頂為泥巖，基本頂多為中砂巖。

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

（3）1026風(fēng)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(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性：1026工作面10煤層全部可采，煤層賦存情況較為復(fù)雜，根據(jù)地面鉆孔資料：工作面面內(nèi)J5-3鉆孔煤層含兩層泥巖夾矸，夾矸合計(jì)厚為0.5m，東翼煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，西翼煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。該工作面10個(gè)煤層平均煤層厚度為4m，煤層可采指數(shù)Km=1，為相對(duì)穩(wěn)定的煤層。受地質(zhì)構(gòu)造影響，部分?jǐn)嗝婷簩硬▌?dòng)較大。

3 圍巖松動(dòng)圈規(guī)律測(cè)試

3.1 設(shè)備原理

采用井眼相機(jī)法觀察裂縫發(fā)展規(guī)律。鉆孔攝像法主要是指創(chuàng)新研發(fā)的醫(yī)用胃鏡成像技術(shù)。根據(jù)光學(xué)原理，可以直接觀察巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并作為圖像輸出，用于巖體內(nèi)部規(guī)律研究和分析的發(fā)展。礦井井眼成像軌跡檢測(cè)裝置用于目視觀察和測(cè)試井壁結(jié)構(gòu)面及裂縫的分布情況，并捕獲井壁圖像。

3.2 測(cè)站布置

通過(guò)實(shí)測(cè)1026工作面機(jī)巷、對(duì)機(jī)加工隧道、風(fēng)洞開挖巷道圍巖松散環(huán)進(jìn)行整治，掌握10個(gè)煤層圍巖裂縫發(fā)育特點(diǎn)，為優(yōu)化錨索超前支護(hù)技術(shù)參數(shù)提供依據(jù)。10個(gè)煤層（注漿）。為獲得1026工作面機(jī)械巷頂板內(nèi)部結(jié)構(gòu)及裂隙發(fā)育情況，結(jié)合巷道地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)巷道支護(hù)狀況，對(duì)改造后的機(jī)械巷道和風(fēng)巷進(jìn)行研究。在機(jī)道、改道機(jī)道和風(fēng)道各點(diǎn)布置測(cè)量站，進(jìn)行鉆孔檢測(cè)。每個(gè)測(cè)量站包括2個(gè)測(cè)量孔。測(cè)孔采用立式頂板，分別布置在巷道頂板與頂板兩側(cè)1.0m處。測(cè)量孔深度為10m。孔直徑為32mm。1026工作面30m、80m、130m、180m、230m處設(shè)置5個(gè)測(cè)站進(jìn)行鉆孔探測(cè)。

4 原巷道錨桿（索）網(wǎng)支護(hù)技術(shù)方案

（1）風(fēng)巷設(shè)計(jì)斷面規(guī)格：凈寬×凈高=4.6×3.5m，巷道頂部采用φ20mm，L＝2400mm左旋無(wú)縱筋等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，每排共7根，間排距750×800mm，鋪菱形金屬網(wǎng)配合W型鋼帶梁支護(hù)。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(guī)格：φ17.8mm，L=7300mm，間排距為1500×1600mm，每排共2根。

（2）機(jī)巷設(shè)計(jì)斷面規(guī)格：凈寬×凈高=4.6×2.8m，巷道頂部采用φ20mm，L＝2400mm左旋無(wú)縱筋等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，每排共7根，間排距700×800mm，鋪菱形金屬網(wǎng)配合W型鋼帶梁支護(hù)，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(guī)格：φ17.8mm，L=7300mm，間排距為1500×1600mm，每排共2根。

（3）改造機(jī)巷設(shè)計(jì)斷面規(guī)格：凈寬×凈高=4.1×3.0m，巷道頂部采用φ20mm，L＝2400mm左旋無(wú)縱筋等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，每排共7根，間排距700×800mm，鋪菱形金屬網(wǎng)配合W型鋼帶梁支護(hù)。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(guī)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(hù)技術(shù)方案

根據(jù)該區(qū)煤層工程地質(zhì)特征，考慮該礦先進(jìn)支護(hù)技術(shù)水平（首次采用錨索超前支護(hù)代替單支超前支護(hù)），建議在1026年開采期間工作面，巷道和機(jī)械進(jìn)行改造。在巷道、風(fēng)道超前支護(hù)壓力影響范圍內(nèi)，采用不同的區(qū)域差異化超前支護(hù)形式。該系統(tǒng)對(duì)注漿錨索先進(jìn)支護(hù)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)分析，為下一階段在五溝煤礦推廣錨索（注漿錨索）先進(jìn)支護(hù)技術(shù)積累經(jīng)驗(yàn)。

5.1 改造機(jī)巷（注漿）錨索式超前支護(hù)技術(shù)方案

將1026工作面改造機(jī)巷劃分為兩個(gè)區(qū)域，具體如下：

Ⅰ區(qū)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(zhì)條件好區(qū)，根據(jù)該區(qū)煤層工程地質(zhì)特點(diǎn)，并考慮該礦先進(jìn)支護(hù)技術(shù)水平（首次采用注漿錨索在超前支護(hù)代替單一超前支護(hù)的工業(yè)應(yīng)用）于1026年工作面截停期，在改造巷道超前支護(hù)壓力影響范圍內(nèi)，按地區(qū)、階段區(qū)分超前支護(hù)方式。

第一階段：1026在距工作面0-50m范圍內(nèi)使用單個(gè)液壓支柱和錨索對(duì)隧道進(jìn)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(jī)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(yùn)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(nèi)取消單柱支護(hù)，采用錨索加強(qiáng)支護(hù)。

（1）補(bǔ)強(qiáng)錨索規(guī)格為Φ21.8×7300mm，排距為800mm，每排用1根1×19股的高強(qiáng)度錨索進(jìn)行加固，垂直頂板，緊貼巷道中線靠實(shí)體煤側(cè)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(yù)緊力為230kN。（4）采用規(guī)格為300×300×16mm的高強(qiáng)度鼓形托盤。

（5）采用W鋼帶梁配合補(bǔ)強(qiáng)錨索進(jìn)行支護(hù)，鋼帶梁長(zhǎng)2000mm，厚度3mm，保證鋼帶連接緊密連續(xù)。

區(qū)域Ⅱ面：距工作面410m-750m（X6到到W9處），頂板破碎，離層發(fā)育，巷面道地質(zhì)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(jìn)行單體支護(hù)。

（1）注漿錨索每排用3根1×8股注漿錨索加固，規(guī)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(cè)建設(shè)。

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

（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(yù)緊力為180kN。

（5）采用規(guī)格為300×300×16mm的高強(qiáng)度鼓托盤。

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

5.2 機(jī)巷（注漿）錨索式超前支護(hù)技術(shù)方案

將1026工作面機(jī)巷劃分為兩個(gè)區(qū)域，具體如下：

區(qū)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(zhì)條件良好區(qū)域，根據(jù)該區(qū)煤層工程地質(zhì)特征，結(jié)合該礦先進(jìn)支護(hù)技術(shù)水平（首次采用注漿錨索超前支護(hù)替代單支超前支護(hù)的工業(yè)應(yīng)用），建議停工期為1026工作面，在機(jī)洞超前支護(hù)壓力的影響范圍內(nèi)，超前支護(hù)形式按地區(qū)、階段有所區(qū)別。

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

階段Ⅱ：1026工作面至機(jī)道停止線50m范圍內(nèi)取消單柱支護(hù)，采用高強(qiáng)度錨索加強(qiáng)支護(hù)。

（1）補(bǔ)強(qiáng)錨索，每排用1根1×19股的高強(qiáng)度錨索進(jìn)行加固，規(guī)格為Φ21.8×7300mm，排距為800mm，垂直頂板，緊貼巷道中線靠煤柱側(cè)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(yù)緊力為230kN。

（4）采用規(guī)格為300×300×16mm的高強(qiáng)度鼓形托盤。

（5）采用W鋼帶梁配合補(bǔ)強(qiáng)錨索進(jìn)行支護(hù)，鋼帶梁長(zhǎng)2000mm，厚度3mm，保證鋼帶連接緊密連續(xù)。

區(qū)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(fā)育，巷道地質(zhì)條件較差。

（1）注漿錨索每排用3根1×8股注漿錨索加固。規(guī)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(cè)面施工。

（2）W型鋼帶支撐，鋼帶梁長(zhǎng)3400mm，厚3mm，保證鋼帶的緊密連續(xù)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(yù)緊力為180kN。

（5）采用300×300×16mm的高強(qiáng)度滾筒托盤。

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

5.3 風(fēng)巷（注漿）錨索式超前支護(hù)技術(shù)方案

將1026工作面風(fēng)巷劃分為兩個(gè)區(qū)域，具體如下：

區(qū)域Ⅰ面：0m-252m（G1至D15）、522m-722m（F8至FZ3前53m）、782m-893m（D4至F3A）道路地質(zhì)條件較好的地區(qū)，根據(jù)該區(qū)煤層工程地質(zhì)特征，結(jié)合該礦先進(jìn)支護(hù)技術(shù)水平（注漿錨桿首次工業(yè)化應(yīng)用在纜式超前支護(hù)代替單支超前支護(hù)），建議在1026工作面，在風(fēng)洞超前支護(hù)壓力影響范圍內(nèi)，采用分區(qū)域、分階段差異化的超前支護(hù)形式。

第一階段：1026風(fēng)洞工作面0-50m范圍內(nèi)采用單體液壓支柱和高強(qiáng)度錨索進(jìn)行超前支護(hù)。其中，一排單體液壓支柱沿一橫梁、一柱頂棚運(yùn)行，間距為1.2m。

第二階段：在1026風(fēng)洞工作面至停線50m范圍內(nèi)取消單柱支護(hù)，采用高強(qiáng)度錨索加強(qiáng)支護(hù)。

（1）補(bǔ)強(qiáng)錨索采用每排1根1×19股的高強(qiáng)度錨索進(jìn)行加固，規(guī)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(cè)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(yù)緊力為230kN。

（4）采用規(guī)格為300×300×16mm的高強(qiáng)度鼓形托盤。

（5）采用W鋼帶梁配合補(bǔ)強(qiáng)錨索進(jìn)行支護(hù)，鋼帶梁長(zhǎng)2000mm，厚度3mm，保證鋼帶連接緊密連續(xù)。

區(qū)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(fā)育，巷道地質(zhì)條件較差。

（1）注漿錨索加固每排3股1×8股注漿錨索，規(guī)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(cè)施工。

（2）W型鋼帶支撐，鋼帶梁長(zhǎng)3400mm，厚3mm，保證鋼帶的緊密連續(xù)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(yù)緊力為180kN。

（5）采用300×300×16mm的高強(qiáng)度滾筒托盤。

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

6 工業(yè)性試驗(yàn)

為獲得1026工作面機(jī)加工巷道、改造機(jī)加工巷道和氣道的地壓出現(xiàn)規(guī)律，以及10號(hào)工作面超前支護(hù)段“錨索超前支護(hù)”的使用效果煤層、巷道變形及錨索松散圈受力特性及發(fā)展規(guī)律。通過(guò)巷道礦壓監(jiān)測(cè)，了解錨索、錨桿等支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果，對(duì)“錨索超前支護(hù)”進(jìn)行評(píng)價(jià)。為“錨式超前支護(hù)”在煤10的實(shí)際應(yīng)用提供了依據(jù)，綜合評(píng)價(jià)了五溝煤礦采用“錨式超前支護(hù)”替代傳統(tǒng)單一支護(hù)的可行性。也為類似條件下“錨索超前支護(hù)”的設(shè)計(jì)提供了有益的參考。巷道圍巖監(jiān)測(cè)技術(shù)方案主要包括巷道地表位移、錨索受力、巷道圍巖內(nèi)裂隙發(fā)育規(guī)律（鉆孔檢測(cè)）變化等。

7 結(jié)論

通過(guò)對(duì)五溝煤礦1026巷道、風(fēng)巷、改造巷道圍巖松散圈的測(cè)試，評(píng)價(jià)了圍巖的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)。同時(shí)，基于頂板疊置梁理論，建立了煤巷圍巖穩(wěn)定性，基于性能控制力學(xué)模型計(jì)算和校核了采煤巷的合理支護(hù)強(qiáng)度，為采煤巷道的有效支護(hù)提供理論支持及先進(jìn)的支持技術(shù)。目前，工作面已安全停在350m處。