综放工作面注浆锚索超前支护关键技术

2021-08-06马登林

煤炭与化工 2021年6期

马登林

（冀中能源峰峰集团有限公司大淑村矿，河北邯郸056300）

1 概况

综放工作面普遍采用单体液压支柱超前支护，但单体支柱的支护强度较低，在超前支承压力作用下，超前段顶板易发生下沉破坏；反复支撑会严重破坏巷道顶板与锚网索支护系统，导致顶板破碎；工人劳动强度大，耗时多。

此外，综放工作面煤层开采厚度一般大于5 m，而单体液压支柱一般适用于巷道顶板稳定、支承压力小、高度小于4.5 m的巷道，综放开采时，因开采厚度的增加，会导致工作面矿压显现程度剧烈，使用单体支柱超前支护时，易导致单体支护破坏失效、钻底等事故发生，支柱回撤困难，影响回采效率。172404工作面平均倾斜长89.4 m，每天推进度达到4 m，职工在端头作业期间，点柱支改工作量较大，而且工作面外段切眼长度仅70 m，煤机的割煤速度大于端头支改点柱的速度，造成煤机等待端头支护，工作面单产受限。使用注浆锚索超前支护后，能够增加巷道通风断面，对瓦斯治理起到积极作用。

2 研究主要技术内容

针对瓦斯突出矿井综放工作面超前支护难题，采用理论分析、数值模拟、现场测试、工业性试验等方法进行研究。

（1）综放工作面超前支承压力的分布及演化规律。依据大淑村矿的实际地质情况，建立数值模拟模型，研究随着工作面开挖超前支承压力演化规律；深入分析综放工作面的开采特点，建立综放工作面顶板结构运动模型，揭示综放工作面顶板断裂条件、断裂位置以及运动规律；建立数值模拟模型，研究不同开采条件下综放工作面超前支承压力变化规律。

（2）注浆锚索超前支护力学分析。对采煤工作面超前支护进行力学分析，构建单体支柱超前支护力学模型和注浆锚索超前支护力学模型。结合数值模拟研究，对2种超前支护手段下支护体受力及围岩变形进行分析。对比分析后，提出适应于综放工作面开采的新型注浆锚索超前支护技术。

（3）注浆锚索超前支护关键技术研究。在传统中空注浆锚索基础上，研制具有高抗弯性能和高可靠性的新型注浆锚索；对注浆材料进行改性研究，通过拉拔试验测试浆液的锚固特性；改进注浆辅助设备，包括工业用超声波清洗机、注浆泵和止浆塞等，提高注浆作业效率。

（4）注浆锚索超前支护参数设计及工艺流程研究。建立主动支护力学计算模型，推导主动式超前支护强度计算公式；设计注浆锚索超前支护参数，提出校核计算公式；依据室内试验和现场观测，提出综放工作面注浆锚索超前支护合理注浆时机确定方法；设计适用于注浆锚索超前支护的现场施工工艺流程，并提出相应施工安全技术要求。

（5）工业性试验研究。以大淑村矿瓦斯突出综放工作面为背景，研究注浆锚索超前支护技术，设计超前支护参数，形成一整套瓦斯突出矿井综放工作面注浆锚索超前支护技术，并在现场监测支护效果。

3 分阶段试验方案

根据大淑村矿172404工作面煤层赋存地质特征，提出在172404综放工作面回采期间，在工作面下超前支护，超前支承压力影响范围内采用注浆锚索代替点柱铰接梁。为保证2种超前支护形式的平稳过渡，将172404综放工作面下顺槽超前支护技术过渡划分为3个试验阶段。

3.1 阶段Ⅰ

172404工作面下顺槽57号钢梁后开始布置单体支柱，配合注浆锚索超前支护形式，共计布置20 m（预计布置到47号钢梁位置处）。其中，单体支柱布置为2排，第一排布置在巷道煤帮侧，第二排布置在巷道中心，2排支柱交错布置，每排支柱间距为2 m；巷道中心线打设的支柱中间位置布置1排锚索，每个断面布置3根，其中2根注浆锚索和1根普通锚索，普通锚索布置在巷道中心线处，注浆锚索以巷道中心线为基点在距中心线上下帮各1.2 m处均匀布置，如图1所示。172404工作面推进至距57号钢梁15～20 m时，开始对阶段Ⅰ内已打注浆锚索进行注浆施工。

图1 阶段Ⅰ超前支护俯视示意Fig.1 StageⅠtop viewof advanced support

3.2 阶段Ⅱ

172404工作面下顺槽47号钢梁后开始采用单体支柱配合注浆锚索超前支护形式，共计布置20 m（预计布置到37号钢梁位置处）。其中，单体支柱布置为1排，打设在巷道中心线处，点柱间距为2 m，相邻2根支柱中间布置1排锚索，每个断面布置3根锚索，其中2根注浆锚索和1根普通锚索，普通锚索布置在巷道中心线处，注浆锚索以巷道中心线为基点，在距中心线上下帮各1.2 m处均匀布置，如图2所示。172404工作面推进至距47号钢梁（即测站Ⅰ位置处）15～20 m时，开始对阶段Ⅱ内的已打注浆锚索进行注浆施工。

图2 阶段Ⅱ超前支护俯视Fig.2 StageⅡoverlook of advanced support

3.3 阶段Ⅲ

在172404工作面下顺槽37～27号钢梁间取消单体支柱超前支护，全部采用注浆锚索加普通锚索进行超前支护，锚索排距为1.0 m，每个断面布置3根锚索，其中2根注浆锚索和1根普通锚索，普通锚索布置在巷道中心线处，注浆锚索以巷道中心线为基点，在距中心线上下帮各1.2 m处均匀布置，如图3所示。当172404工作面推进至距37号钢梁（即测站Ⅱ位置处）15～20 m时，开始对阶段Ⅲ内已打注浆锚索进行注浆施工。况进行探测；②通过电子顶板离层仪对172404工作面下顺槽顶板进行监测；③采用电子锚索测力计对172404工作面下顺槽顶板进行监测。

图3 阶段Ⅲ超前支护俯视Fig.3 StageⅢoverlook of advanced support

4 效果分析

通过3种观测手段分别评价2种支护方案对顶板的支护效果，如图4～图6所示。①利用LHGX-K3孔内全景成像仪对巷道顶板裂隙发育情双重作用，实现了被动支护向主动支护的转换。

图4 下顺槽顶板裂隙发育情况Fig.4 Track development of the lower groove roof

图5 电子顶板离层仪对172404工作面下顺槽顶板进行监测Fig.5 172404 working face lower groove roof observation by electronic roof isolator

图6 电子锚索测力计对172404工作面下顺槽顶板监测曲线Fig.6 Monitoring curve of the groove roof under 172404 working face by electronic anchor cable dynamometer

视频探测结果表明，实施注浆锚索超前支护后，巷道顶板裂隙发育范围和数量均明显减小。这是由于注浆锚索具有锚索支护与注浆加固相结合的双重作用，实现了被动支护向主动支护的转换。

从顶板离层仪监测结果可以看出，在172404工作面回采期间，172404工作面下顺槽顶板未发生明显离层变化，顶板完整性良好。3个阶段的支护方案均能够有效保护顶板，支护效果良好。从锚索测力计监测结果可以看出，在172404工作面回采期间，172404工作面下顺槽顶板锚索受力整体变化较小，其中，第Ⅰ阶段和第Ⅱ阶段锚索受力增加了6～7 kN，而第Ⅲ阶段锚索受力仅增加了3～4 kN。锚索测力计监测结果表明，3个阶段的支护方案均能够有效保护顶板，支护效果良好，且Ⅲ阶段支护效果最优。