綜采放頂煤工作面主動式超前支護技術研究與應用

尚有仕

（河南能源集團鶴煤公司第三煤礦，河南 鶴壁 458000）

目前，鶴壁礦區(qū)采煤工作面超前支護主要采用液壓支架的形式。該支護形式存在設備體積大、安裝拆卸費時費力等缺點，且該類型超前支護方式在可操作性和安全性等方面都不能滿足現(xiàn)代煤炭智能化開采的需要，因此，亟須對傳統(tǒng)支護方式進行變革[1-2]。注漿錨索支護作為加強巷道支護強度的主動支護方式，其具有錨索支護和注漿加固的雙重特點，能夠有效提高巷道圍巖穩(wěn)定性，改善圍巖狀態(tài)，抵御采動對圍巖造成的影響。因此，近年來部分礦區(qū)以注漿錨索代替液壓支架為新型超前支護形式，現(xiàn)場應用效果明顯較好[3-5]。本文以鶴煤三礦4204 回采工作面為工程背景，通過分析4204 綜放工作面巷道超前壓力運移規(guī)律、注漿錨索工藝參數(shù)等方面的相關理論研究與應用，采用注漿錨索主動式超前支護技術替代了該工作面超前液壓支架支護形式，具有重要的科學與實踐意義。

1 工程概況

鶴煤三礦4204 回采工作面埋藏深度為772～925 m，二1 煤層為主要可采煤層，該煤層厚度大且穩(wěn)定。煤層為黑色粉狀，易破碎，屬半亮型煤，夾矸為碳質泥巖，煤層平均傾角為24°，屬于傾斜煤層。煤層的可采性指數(shù)為1，煤厚變異系數(shù)9.59%，煤層無沖擊地壓危險，結構簡單。4204 綜放工作面的基本架采用的是ZF6800/19/32D 型液壓支架，端頭支架采用的是ZFT25000-19/35D 型液壓支架，超前支護采用的是ZTC2×4800/20/38 型液壓支架。煤層平均厚度為8 m，采煤工藝為綜采放頂煤。4204 工作面下順槽設計布置在二1 煤層底板，設計斜長894.7 m；4204 工作面上順槽布置在二1 煤層底板，設計斜長1 005.5 m。4204 綜放工作面切眼長度160 m，上順槽和下順槽均采用全煤錨網(wǎng)索支護。錨索規(guī)格為Φ22 mm×8300 mm，掘進斷面均為17.68 m2，掘進凈斷面均為16.5 m2，巷道斷面均為矩形。

2 目前鶴煤三礦超前支護存在的問題

1）超前液壓支架在移動過程中，在經(jīng)過多次循環(huán)支承頂板后會破壞頂板，造成頂板離層，嚴重時頂板會出現(xiàn)局部冒頂?shù)默F(xiàn)象。同時，因超前支架自身體積較大，巷道受采動等因素的影響，會造成綜放工作面的上下順槽的有效斷面積減小，導致出現(xiàn)瓦斯預警等不安全的現(xiàn)象。

2）超前支架安裝、拆卸費時費力。因超前支架重量較大，因此在安裝和拆卸過程中需要較多的人工搬移，這與智能化開采發(fā)展相矛盾。另外，在狹小的巷道內(nèi)大量人員集中在一起，極易發(fā)生安全事故，存在較大的安全隱患。

綜上，在超前支承壓力作用下，綜放工作面上下順槽存在頂板（煤）破碎、錨固效果弱化等問題。因此，要替代超前被動液壓支架，必須提高巷道頂板（煤）自承載能力。注漿錨索預緊力高、錨固深度大，還能夠通過注漿充填頂板（煤）裂隙，提高作用范圍內(nèi)煤巖體的承載能力。因此，注漿錨索能夠適應煤礦高產(chǎn)高效和智能化開采的要求。

3 4204 工作面注漿錨索超前支護方案

綜放工作面在推采過程中，隨著采空區(qū)范圍增加，采空區(qū)周圍煤體中作用的彎矩逐漸增加，應力水平亦逐漸提高，回采工作面順槽超前段圍巖將會受到3～5 倍原巖應力的支承壓力作用，巷道將會產(chǎn)生較大的變形。因此，為提出合理的注漿錨索替代超前液壓支架方案，需要對合理的超前支護強度、注漿錨索注漿時機等關鍵參數(shù)進行分析計算，提出合理的超前注漿錨索支護方案[6-10]。

3.1 數(shù)值模型及尺寸

根據(jù)鶴煤三礦的地質條件，建立綜放工作面數(shù)值模型，煤層覆巖厚度60 m，工作面左側和右側各留設60 m 煤柱，工作面長度設為160 m。模型包含巖層4 層，含二1 煤及頂?shù)装?，巖層參數(shù)如表1。左、右邊界限制水平方向的位移，即邊界水平位移為零（u=0）；下邊界為全約束條件，按容重2.5 施加21.25 MPa 的應力作為模型的應力邊界條件。

表1 UDEC 數(shù)值模擬中的巖層力學參數(shù)

3.2 工作面超前支護強度計算

采用UDEC7.0 數(shù)值模擬軟件，建立4204 工作面順槽在不同支承壓力（K=1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 和3.5）下圍巖塑性區(qū)，尤其是頂板塑性區(qū)的發(fā)育情況，模擬結果如圖1。從圖可以看出，隨著支承壓力的增大，巷道頂板塑性區(qū)逐漸增加，發(fā)育形狀呈拱形，以滑移破壞為主，頂板中部位置破壞深度較大；裂隙發(fā)育由零散分布向擴展、閉合演化［9-10］。拱頂最大高度模擬結果如圖2。從圖2 可知，拱頂最大高度隨著支承壓力的增大而急劇增加。當K＞2.0 時，距工作面15 m 左右位置，最大高度已達到4.01 m；K=3.5 時，距工作面4 m 左右位置，冒落拱最大高度達到4.74 m。將塑性區(qū)最大發(fā)育高度hp與支承壓力集中系數(shù)K和工作面超前距離d進行擬合，得到擬合曲線為：

圖1 綜放工作面超前支承壓力UDEC 數(shù)值模型

圖2 拱頂最大高度模擬結果

由數(shù)值模擬可以看出，超前支承壓力最大的地方為K=3.5 時，因此使用K=3.5 時的塑性區(qū)作為采動影響擴展的平衡拱拱高。按最為不利的情況，認為頂板擴展裂隙完全由錨索承擔，故工作面超前支護強度為：

式中：Pc為超前支護強度，kN/m2；hp1、hp2分別為K=3.5 和K=1.0 時，采動裂隙平衡拱拱高，分別為2.37 m 和4.74 m；γ為平衡拱內(nèi)巖體平均容重，取15 kN/m3；k為超前支護安全系數(shù)，取1.5。

將上述參數(shù)代入，超前補強注漿錨索支護強度不低于53.325 kN/m2。

3.3 注漿錨索安裝時機

要達到巷道圍巖的最佳注漿加固效果，首先須對巷道圍巖的變形量進行理論計算。巷道所產(chǎn)生的輪廓位移量U可由如下公式計算[11-14]：

式中：Up為流變巷道圍巖所產(chǎn)生的位移，m；UT為巷道裂隙和碎脹所形成的巷道表面位移，m。

為計算巷道圍巖變形量，將矩形巷道簡化為直墻半圓形巷道，并根據(jù)巷道掘進后圍巖中產(chǎn)生的裂隙與因裂隙擴張而使巷道輪廓收斂的體積相等的原則，建立式（4）：

式中：r0為掘進后巷道頂部初始半徑，m；rk為變形后巷道頂部半徑，m；Rt為巷道圍巖裂隙區(qū)半徑，m；mm為巷道掘進前頂部巖體原始裂隙系數(shù)；m（r）為巷道變形后巖體裂隙系數(shù)。

通過裂隙分布的大量實測數(shù)據(jù)表明，在巷道圍巖收斂變形后，m（r）呈指數(shù)分布，關系表示：

式中：mk為巷道圍巖變形處的裂隙系數(shù)；α為與裂隙指數(shù)分布曲線的曲率相關的系數(shù)。

將式（5）代入式（4），經(jīng)積分和化簡整理得式（6）：

用Maple 軟件求解上述公式，部分計算結果如圖3。

圖3 巷道輪廓位移計算圖

從圖4 可以看出，頂板下沉量越大，注漿深度就越深。如注漿深度為2.0 m 時，頂板的下沉量為350 mm。由于4204 工作面頂板煤體強度適中，注漿時機應根據(jù)頂板下沉量、深部煤巖體裂隙發(fā)育情況、錨桿（索）受力情況決定。補強錨索可以隨掘進工作面進行安設。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，應在超前支承壓力影響開始時，頂板出現(xiàn)一定深度的裂隙時開始注漿，即超前工作面30～50 m 左右位置開始注漿。為保證漿液凝結形成強度，應及早灌注漿液。

圖4 不同注漿深度與頂板下沉量的關系

4 超前注漿錨索參數(shù)設計

根據(jù)以上分析，超前補強注漿錨索支護強度不低于53.325 kN/m2，通過以下計算得出注漿錨索支護方式的相關參數(shù)

1）注漿錨索密度

選取中空注漿錨索Φ22mm，破斷載荷420 kN，強度為1760 MPa，錨固力不低于350 kN。結合前述的理論分析，可得到綜放工作面順槽超前20 m 范圍內(nèi)頂板施工的注漿錨索數(shù)量：

式中：n為超前注漿錨索數(shù)量，根；Pc為超前加固支護強度，53.325 kN/m2；S為超前20 m 巷道頂板面積，108 m2；K1為有效系數(shù)，取0.8；F為注漿錨索錨固力，350 kN。計算取整后得到n為20.56根，故4204 工作面順槽超前20 m 范圍內(nèi)頂板需施工最少21 根注漿錨索，支護密度0.19 根/m2。

2）注漿錨索布置及托梁

根據(jù)4204 工作面順槽受采動影響及煤層穩(wěn)定情況，為提高頂煤的完整性、剛度，減少頂板的下沉量和頂煤所受的拉伸應力，需將錨索用錨梁組合起來。錨索梁采用18a 槽鋼梁，規(guī)格為180 mm×68 mm×10.5 mm，其上鉆2 個長環(huán)形孔，孔間距2100 mm。結合該礦實際情況，對4204 順槽超前加強支護。錨索選用Φ22 mm×8300 mm 中空注漿錨索，中空注漿管規(guī)格：內(nèi)徑Φ7.5 mm，外徑Φ10 mm，間距為2100 mm。槽鋼選用18a 護頂。注漿錨索之間采用18a 槽鋼連接，長度為2600 mm，采用2 卷MSK2350 樹脂錨固劑進行錨固，錨索的托盤采用150 mm×150 mm×16 mm 的高強度鼓形托盤。超前段巷道頂板至少布置10 排錨索，錨索注漿在超前工作面30～50 m 進行，注漿材料采用425 普通硅酸鹽水泥與水混合，最終形成水灰比為0.8:1 的水泥漿液，同時在漿液里面添加4%的ACZ-I 添加劑。注漿泵選用型號為ZBQ-27-1.5 的礦用注漿泵，注漿時間7～8 min。

具體施工順序：打錨索眼，深度為8.3 m →沖刷錨索眼（將錨索鉆孔孔內(nèi)沖刷干凈）→安裝錨固劑，錨固劑型號為2 卷MSK2350 或1 卷MSK2550樹脂錨固劑（安設前須檢查錨索鉆孔孔內(nèi)是否通暢，確認通暢后再將錨固劑送至索眼底部）→安裝錨索（將錨索安裝到孔內(nèi)，并控制錨索外露長度，完成錨固）→安裝止?jié){塞（依次安裝中部止?jié){塞，再安裝另一個三角塞，小頭朝上，用鋼管將止?jié){塞安裝到指定位置，并用力搗實。最后把塑料套管套入錨索和止?jié){塞靠近，使止?jié){塞、塑料套管長度為止?jié){塞與眼口距離3～5 cm）→安裝錨索梁（將錨索梁及鎖具依次安裝到位，漲拉力為150 kN）→滯后注漿（注漿前需將注漿泵和拌料桶沖刷干凈，注漿水泥按照水灰比進行攪拌）→封孔。中空注漿錨索施工工序如圖5。

圖5 普通錨索與注漿錨索施工工序流程圖

5 現(xiàn)場應用效果

通過4204 綜放工作面實施主動式超前支護方案現(xiàn)場實踐表明，在4204 綜放工作面回采期間，順槽的頂板最大變形量為236 mm，兩幫最大變形量為283 mm，底板最大鼓起量為164 mm。注漿錨索支護區(qū)域內(nèi)巷道變形及變形速率明顯降低，有效發(fā)揮了錨索的支護作用。同時，該技術的使用使得超前支護段人員數(shù)量和職工的勞動強度明顯降低，工作面超前段安全環(huán)境得到明顯提高，保證了工作面回采期間的安全。綜上所述，相較于傳統(tǒng)的采用液壓支架的超前支護，在采用注漿錨索超前支護后，順槽的頂板圍巖控制效果更好，且安全性也進一步提高，故對同類型地質條件具有一定的借鑒價值。