綜采工作面主動式超前支護技術研究與應用

趙上策ZHAO Shang-ce

（冀中能源集團邯鄲礦業集團有限公司，邯鄲056000）

1 概況

云駕嶺礦于2021 年開始開采下組煤19101 工作面，計劃對8#和9#煤進行聯合開采。而根據19101 工作面兩巷掘進期間揭煤情況，工作面不具備聯合開采條件，從而調整為開采9#煤層。因工作面兩巷掘進期間沿8#煤頂板進行，回采時兩巷高度在5～7 米，現有的液壓點柱支護方式已無法滿足要求，進而提出采用主動式超前支護（高預應力錨索）代替傳統支護的方案[2]。

2 礦壓分析和支護設計

2.1 現場概況

2.1.1 工作面位置及四鄰關系

19101 工作面為井田下組煤九一采區的首采工作面，工作面東部以19101 工作面運巷為界，西部以19101 工作面副巷為界，南部以設計切眼為界，北部以設計停采線為界。工作面運、副巷走向均長300 米，切眼斜長70 米。

2.1.2 煤層頂板巖性

8#煤層直接頂板為石灰巖。石灰巖厚4.85～6.07 米，平均5.46 米，深灰色，致密堅硬，不易垮落。

9#煤層直接頂板為粉砂巖、泥巖或巖漿巖。粉砂巖、泥巖厚0.80～1.66 米，平均1.23 米，局部被巖漿巖吞噬。

2.2 頂板巖性探測

2.2.1 觀測方法和測站布置

為獲得19101 運、副巷8#煤頂板巖層裂隙發育特征，于19101 工作面運巷、副巷內距19101 工作面切眼30 米、80 米、130 米、180 米和230 米處各布置5 個測站進行鉆孔探測。每個測站設計1 個測孔，測孔布置在巷道頂板中部，測孔設計孔深8 米，直徑32mm。采用鉆孔攝像法將礦用鉆孔成像儀直接送入測孔中進行觀測，直觀地反映鉆孔內巖體不連續面（如層理、節理、裂隙）、頂板離層情況，為支護設計提供依據。鉆孔探測布置如圖1、圖2 所示。

圖1 19101 工作面鉆孔探測測站布置圖

圖2 鉆孔布置示意圖

2.2.2 探測情況

根據各測站頂板巖性探測結果，以19101 工作面運巷Ⅰ測站處頂板探測成果為例。Ⅰ測站位于19101 工作面運巷內，距工作面切眼30 米，頂板巖層裂隙發育情況如圖3、圖4 所示。

圖3 Ⅰ測站鉆孔頂板巖層裂隙分布

圖4 Ⅰ測站鉆孔頂板巖層柱狀圖

由頂板巖性探測情況可看出，頂板巖層賦存比較穩定，無明顯破碎或離層區域，具備主動支護。

2.3 制定支護技術方案

①基于受力平衡關系，且不考慮巖塊之間的鉸接關系，建立圍巖變形預計模型[4]如圖5 所示，分析回采巷現有支護情況。②制定回采巷道主動式超前支護技術方案。運巷支護方案：主動式超前支護錨索采用Φ21.8×L=7250mm高強度錨索進行加固[1][5]，每排兩根，間排距為1650×4000mm，垂直頂板施工，配合2.75×320×2600mmW 型鋼帶使用；每根錨索采用3 根MSK2360 樹脂錨固劑進行錨固，錨索預緊力不低于230kN。

圖5 圍巖變形預計模型圖

19101 運巷主動式超前支護斷面圖如圖6 所示。

圖6 19101 運巷超前支護斷面圖

副巷支護方案：主動式超前支護錨索采用Φ21.8×L=7250mm 高強度錨索進行加固[1][5]，每排兩根，間排距2200×4000mm，垂直頂板施工，配合2.75×320×2600mmW 型鋼帶使用；每根錨索采用3 根MSK2360 樹脂錨固劑進行錨固，錨索預緊力不低于230kN。

19101 副巷錨索超前支護斷面圖如圖7 所示。

圖7 19101 副巷超前支護斷面圖

兩巷設計主動式超前支護長度為50 米。

2.4 主動式超前支護強度校核

19101 工作面回采巷道均沿8#煤頂板掘進，兩巷所受覆巖載荷均來自平均厚度為5.46 米的大青灰巖與平均厚度為3.40 米的粉砂巖。依照下列公式進行強度校核[3]：

式中，q 為19101 巷道所受均布載荷；k 為采動影響系數，取5.6；H 為開采高度，取H=2.8m；ρ1為大青灰巖容重，取ρ1=2610kg/m3；H1為大青灰巖平均厚度，取H1=5.46m；ρ2為粉砂巖容重，取ρ2=2500kg/m3；H2為粉砂巖厚度，取H2=3.40m；g 為重力加速度，取g=9.8N/kg；經校核，采取高預應力錨索補強支護后的支護強度能達到19101 運巷、副巷所需支護強度。

2.5 進行主動式超前支護方案礦壓觀測

①礦壓觀測。為了獲得19101 工作面巷道礦壓顯現規律，巷道變形、錨索受力特征及松動圈發育規，分析主動式超前支護巷道的支護狀態、質量、強度，在兩巷各布置了5組觀測站，每組測站包括2 個錨索應力計、1 個頂板離層儀、1 組“+”字變形觀測點、1 個窺視孔[6]。②觀測結果。19101 工作面設計回采長度238.5 米，在回采過程中通過對測站觀測數據、主動式超前支護段巷道和工作面現場情況分析，主動式超前支護技術應用情況良好。（表1、表2）

表1 19101 工作面運頂板離層儀監測記錄

表2 2021 年08 月15 日19101 工作面礦壓監測數據

圖8 礦壓觀測站

3 施工效果

3.1 經濟效益 采用常規液壓點柱支護時，每米巷道消耗木材（背頂）費用約1860 元。19101 工作面需進行超前支護巷道約600 米，自工作面開始回采至結束支出耗搪材費用600 米×1860 元/米=111.6 萬元。工作面共生產3.5個月，開采過程中打設點柱、背頂等工序需人工6 人/天，人工費用：260 元/人/天×6 人×105 天≈16.4 萬元。采用主動式超前支護時，實施課題共發生科研費用45 萬元，支護材料費用3.9 萬元，人工費用9.8 萬元。通過本方案的實施，19101 工作面實現了無柱超前支護，節省費用：（111.6萬元+16.4 萬元）-（45 萬元+3.9 萬元+9.8 萬元）=69.3 萬元。

3.2 社會效益 通過本課題的實施，解決了19101 工作面超前支護問題，簡化了支護工藝，提高了支護效率，為工作面快速推采創造了條件。工作面生產期間，創造了月推采108 米的佳績。

4 結束語

主動式超前支護工藝已經在皖北礦區、山東、山西、河南等省份50 多對礦井中進行了應用，河北省內屬首次應用。該支護工藝的應用，實現了厚、中厚、薄煤層及沿空留（掘）巷、雙巷布置等生產地質條件下的長壁采煤工作面兩巷主動式超前支護，對實現超前支護無人化、工作面開采智能化具有重大價值和意義，應用前景廣闊。