综放工作面破碎顶板注锚一体化控制技术

郝文敏

（山西汾西正文煤业有限公司，山西 吕梁 032300）

0 引 言

我国厚煤层占比40%以上，综放开采是厚煤层开采的重要开采技术，在条件适宜的情况下能取得良好的经济效益与社会效益，是一种高产、高效、安全、低耗的采煤方法。采用综放开采技术时，一般沿煤层底板开掘工作面轨道巷、皮带巷和回风巷，巷道的顶板和两帮全部为煤体，为全煤巷道。这类巷道是为综放工作面采煤服务的，称为综放回采巷道。新《煤矿安全规程》要求综采工作面运输巷的净断面不小于12 m2，以及对应用放顶煤综采技术的高效工作面在煤炭运输、通风等方面的特殊要求，综放回采巷道的断面往往很大。加上综放回采巷道的围岩为松散、破碎的煤体，因此，一般情况下巷道维护极其困难。

综放开采的研究中，对综放顶煤放顶冒放性研究较多，而对综放综采中的工作面护巷煤柱和回采巷道稳定性研究的较少。综放巷道多为煤巷，在综放强采动、大采高影响下，上覆岩层运动剧烈，波及范围与影响程度增加，综放巷道顶板易发生非连续性、非协调大变形。而为满足综放生产面运输、通风、行人需要，必须保持巷道断面面积，故此要明确综放巷道破碎顶板支护机理，对此类巷道的支护具有重要的理论意义和工程实用价值。从综放巷道围岩控制论角度分析，巷道围岩的应力分布规律、巷道围岩的岩石力学参数特征及巷道支护方案与支护参数的合理性是影响巷道围岩稳定性、巷道围岩变形量大小的三大关键影响要素。综放破碎围岩采用传统支护，锚杆索会出现锚固力降低，甚至脱锚现象，对于破裂围岩，特别是综放开采强采动破碎顶板，破裂围岩难以对锚杆索施加有效预应力，这就需要采用注浆技术，增强围岩自承载强度。

1 破碎顶板注锚一体化控制机理

在破碎顶板支护中采用中空注浆锚索改善破碎围岩自承载性能，实现锚杆索与围岩锚固一体化的控制理念，破碎顶板只采用锚杆、锚索支护后，难以在浅部与深部围岩形成以锚杆锚索锚固端为边界的压应力区，此时锚杆锚索只形成局部的预应力承载结构，局部范围增强浅部与深部围岩的承载能力，如图1所示。

图1 破碎顶板注锚一体化Fig.1 Grouting and anchoring integrated control for broken roof

（1）锚杆索周边破裂围岩是近零压力区，注浆对破碎顶板裂化部分进行修复，注浆加固增强破碎顶板锚杆索预应力场中有效压应力的扩散范围。注浆、锚杆、锚索与破裂围岩构成支围一体结构，注浆液修复破裂围岩整体结构，注浆液在破裂围岩中扩散开，沿破裂围岩破裂滑移面延伸并形成多支树杈状分布，增强与围岩整体结合范围。

（2）凝固注浆液、锚杆及锚索组合形成支护整体架构，对顶板围岩中裂化滑移面、切向与径向拉伸破坏、剪切破坏形成限定，抑制围岩裂化扩展导致锚杆索锚固力降低或失效，减免破裂围岩自由面加大发生顶板灾变。

（3）顶板破碎状态下，顶板围岩浅部与深部裂隙宽度及裂化程度分布不同。浅部围岩裂化不仅增大了顶板的自由面，还将造成锚索预应力释放，降低锚索支护强度；深部围岩裂化，直接导致锚索锚固承载层的缺失，悬吊作用的失效。选用高强中空注浆锚索，其注浆压力可以通过理论计算获得，基于达西定律的注浆压力P的理论计算公式为：

式中：μ为注浆液体流动粘度，为1.17×10-8；Q为单位时间内注浆量，为40 L/min；r为注浆孔半径，取0.05 m；R为注浆扩散半径，取0.97 m；h为注浆的岩层厚度，取值为4.5 m；K为岩层渗透系数，取值为70×10-12～60×10-12m2；PR为浆液扩散至R时的压力，取值为0.1～0.2 MPa。通过计算可得出注浆压力为1.2～1.5 MPa。工程实践中要求考虑到注浆压力与注浆高度关联性，注浆压力较高时，浆液出现在采空区层位，易出现跑浆问题。在工程实践中，注浆压力为1.2～1.5 MPa时，注浆锚索附近0.5～1 m打孔观测注浆浆液覆盖高度，判断注浆高度与注浆压力的合理性。

2 工程实践

2.1 工程地质条件

工作面位于一采区西翼轨道巷北部，开采10+11号煤层，基本顶为7 m厚的k2坚硬石灰岩，裂隙发育，富水性弱—中等。根据以往地质条件，受上方采空影响，老顶下沉破碎，直接顶为1.0 m厚的泥质岩层理均为水平层理，颜色灰黑色，泥状结构，结构极细粒。工作面上方为原水峪5413工作面采空区（9号煤层已采），东邻正文煤业11002工作面采空区（9号、10+11号煤层采空），西邻原水峪3318工作面采空区（9号、10+11号煤上分层已采，10+11号中分层巷道形成），南部为正文煤业采区大巷，北部为井田边界，井田边界北侧为原水峪5113工作面采空区（9号、10+11号煤采空），采空区内向斜低洼处可能存有积水。工作面掘进时应加强对采空区积水的探放，严格执行物探、钻探（长探+短探）、化探手段，并配备排水能力不小于50 m3/h的排水设施，水泵一用一备。

2.2 注锚一体化巷道支护参数

回采巷道断面为矩形，掘宽4.5 m，掘高2.8 m。采用钢带、锚杆、中空注浆锚索、六边型网联合支护，回采巷道断面如图2所示。

图2 区段回采巷道支护断面Fig.2 Support of section mining roadway

（1）顶板支护。顶板锚杆用φ22 mm×2 400 mm高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×1 000 mm。顶板钢带规格4 200 mm×320 mm×4.5 mm，顶锚托盘为150 mm×150 mm×10 mm的中孔φ24 mm可调心拱形高强度锚杆托盘配用减磨垫片，位于钢带两端的2根顶锚杆为角锚杆，与水平线成75°，其余均垂直顶板，呈矩形布置。顶板锚杆用钢带托板叠加安装，钢带密贴顶板，不松劲。每根顶锚杆用2根锚固剂，1根CK2355锚固剂在上（孔底），1根K2355锚固剂在下。

锚索选用规格为φ21.8 mm×4 500 mm的注浆锚索配用300 mm×300 mm×16 mm的拱形注浆锚索托盘安装。沿巷道掘进方向每2 m布置1组，锚索呈三花布置，第一排布置2根，间距2 m；第二排于巷道正中布置1根。锚索均垂直顶板布置，每根锚索用2根锚固剂，1根CK2355锚固剂在上（孔底），1根K2355锚固剂在下。

（2）实体煤帮及煤柱帮支护。各施工3排帮锚杆，帮锚杆规格为φ22 mm×2 400 mm高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆配合400 mm×320 mm×4.5 mm的钢带与可调心拱形高强度锚杆托盘配用减磨垫片叠加安装。其中最上一排帮锚杆距顶板500 mm，帮锚杆均垂直巷帮布置。锚杆间排距为900 mm×1 000 mm。每根帮锚杆用2根锚固剂，1根K2355锚固剂在上（孔底），1根K2355锚固剂。

现场通过对注浆后锚索与锚杆做拉拔试验，得出注浆后锚索锚固力增强为240 kN与锚杆锚固力增强为120 kN，巷道围岩位移量小，综放工作面破碎顶板围岩变形破坏得到有效控制，增强了破碎顶板围岩锚杆索锚固力及锚固安全性、可靠性，实现锚杆索与围岩锚固一体化的控制。

3 结 论

（1）注浆对破碎顶板裂化部分进行修复，注浆、锚杆、锚索与破裂围岩构成支围一体结构。注浆液在破裂围岩中扩散开，沿破裂围岩破裂滑移面延伸并形成多支树杈状分布，增强与围岩整体结合范围。

（2）破碎顶板注锚一体化结构对顶板围岩中裂化滑移面、切向与径向拉伸破坏、剪切破坏形成限定，抑制围岩裂化扩展导致锚杆索锚固力降低或失效，减免破裂围岩自由面加大发生顶板灾变。

（3）中空注浆锚索在破碎顶板巷道支护中，注浆压力为1.2～1.5 MPa，注浆扩散效果好，注浆后锚索锚固力增强为240 kN与锚杆锚固力增加为120 kN，巷道围岩位移量小，综放工作面破碎顶板围岩变形破坏得到有效控制，增强破碎顶板围岩锚杆索锚固力及锚固安全性。