注浆锚索在综采工作面超前支护中的应用研究

尉宏斌

（山西焦煤霍州煤电吕梁山煤电有限公司，山西霍州 031400）

市场经济快速发展，对煤炭资源的需求也日益增大，要求煤炭行业朝着高产、高效和安全生产的方向发展。但是受井下复杂地质条件以及矿山压力的影响，煤矿井下的支护，一直是制约煤矿安全生产及高效生产的关键因素之一。从整体现状来看，工作面的基本支护技术已经较为成熟，能够满足不同地质条件下工作面支护。然而工作面超前支护技术则发展较为缓慢，突出的问题是超前支护操作复杂、对通风不利和对运输影响大等，严重制约着回采工作面生产的效率。

回采巷道超前支护段在采动压力影响下围岩变形量较大，给煤炭回采带来一定制约。煤矿安全规程对采面巷道超前支护有明确要求，现阶段矿井回采巷道常用超前支护方式包括有超前支架、π型梁、单体支柱等，采用的超前支护方式多为被动支护，被动支护虽然具有支护强度高特点，但是也存在作业人员劳动强度大、反复支撑导致顶板破碎、支护设备占用大量空间降低通风及运输断面等问题。霍州煤电木瓜矿10-206工作面以往采用液压支架+单体支柱超前支护方式，虽然能够在一定程度上控制巷道超前段围岩变形，但由于单体液压支柱容易造成顶板破碎、单体支柱需要耗费大量人力及两者成本高、运输难度大等缺点，给采面高效生产带来一定制约[1-2]。因此，该矿提出采用补强注浆锚索超前加固巷道超前段围岩，最后成功实现了巷道注浆锚索完全替代液压支架进行超前支护。

1 矿井工作面地质概况及支护方案

1.1 矿井工作面地质概况

霍州煤电木瓜矿位于山西省吕梁方山县大武镇木瓜村，井田面积10.63km2，矿井核定生产能力1.5Mt/a。10-206 工作面主采10#煤层，10-206 辅运顺槽设计全长1775m，担负着10-206 回采工作面的运输、回风、行人等任务。10-206辅运顺槽超前支护采用单体液压支柱支护。10#煤层硬度为3，结构较稳定，含有1~3 层砂质泥岩夹矸（夹矸均厚0.38m）。开采范围内10号煤厚度2.7~3.4m（均值3.1m）、倾角2°~8°（均值5°）。10-206工作面煤层直接顶为6.7m厚的中粒砂岩，老顶为5.6m厚的砂质泥岩，底板稳定性较好，裂隙不发育；直接底为砂质泥岩。煤层顶底板岩体稳定，对煤炭开采影响较小[3-4]。具体顶底板岩性如图1所示。

图1 煤层综合柱状图

1.2 综采工作面原有回采巷道超前支护方案

10-206工作面综采设备主要包括MG400/930-WD采煤机，截深为0.8m，配合SGZ880/800 可弯曲刮板输送机、SZZ1000/375 转载机及可伸缩SSJ1000/3×160 带式输送机运煤。

210-206 辅运顺槽超前支护采用单体液压支柱方式，超前支护距离为20m，支设双排单体柱，非行人侧距帮0.8m、行人侧距帮2.0m，柱距、排距分别为2.0m、1.0m；单体柱配椎350mm 尼龙柱帽及椎400mm 柱鞋。柱径110mm、100mm、80mm 的单体液压支柱提供的初撑力分别应控制在15MPa、12MPa、11.5MPa以上。10-206 辅运顺槽绕巷原超前支护断面图及平面图如图2所示。超前支护用的单体液压支柱容易增加顶板破碎程度、单体支柱需要耗费大量人力及两者成本高、运输难度大等缺点，给采面高效生产带来一定制约[5]。

2 注浆锚索在超前支护中的应用

2.1 布置方案

根据木瓜矿10-206辅运顺槽前期顶板条件并结合工程类比法，具体超前注浆锚索布置技术参数为：注浆锚索“2-1”布置，间排距1600mm、1000mm（每三根为一组，每组排距3000mm），垂直顶板施工；注浆锚索规格为1×8 股、椎21.8×7200mm；托盘为300mm×300mm×16mm 高强度鼓形托盘；锚索用1 支CK234、2 支Z2360锚固剂锚固；同排施工2 根注浆锚索时，锚索用长度2000mm的W钢带连接，钢带厚度不小于3mm；注浆锚索安装张拉力不得小于260kN；外露长度为露出锁具150~250mm[6]。具体注浆锚索超前支护设计如图3所示。

图3 注浆锚索超前支护布置示意图（单位：mm）

2.2 注浆工艺

（1）注浆材料。通过大量现场试验及市场经济性分析对比，在10-206 辅运顺槽超前支护中注浆锚索注浆材料可选用425 普通硅酸盐水泥，水灰配比调制为0.8，同时在浆液里面添加4%的ACZ-I添加剂。采用此类注浆材料进行巷道顶板围岩加固，不仅可对顶板围岩力学性质起到一定强化效果，而且价格较低，原材料来源广泛，节省工作面回采前期资金投入。

（2）注浆时机。注浆时机根据工作面回采期间超前范围内顶板围岩裂隙发育及破坏特征的动态演化规律进行确定。根据山西某矿10-206辅运顺槽绕巷井下注浆经验建议，应在超前工作面15~40m范围内注浆。

（3）注浆压力。结合注浆施工过程的设备功耗，注浆施工作业的合理注浆压力为3~4MPa，可实现浆液在巷道顶板裂隙中扩展、提升注浆效果，同时又有利于确保工作面安全高效生产[7-8]。

（4）注浆时间。根据井下地质条件及注浆工作总结，10-206 辅运顺槽绕巷合理注浆时间为60~180s，同时可根据地质条件进行适当调整。现场采用的注浆工艺如图4所示。

图4 注浆系统工艺示意图

3 现场应用效果分析

木瓜矿10-206辅运顺槽使用注浆锚索代替单体支柱进行超前支护，现场应用后巷道超前支护段实拍图如图5所示。注浆锚索主动式超前支护技术具有施工工艺简单、机械化程度高、适用性广、回采工作面作业空间大的优点。注浆锚索主动式超前支护的主要作用是阻止巷道顶板原有裂隙进一步扩展及连通；通过注浆加固顶板围岩破碎区域，提高顶板承载能力。相较于传统单体液压支柱，注浆锚索可提高顶板岩体稳定性并充分发挥围岩自稳能力，维护巷道围岩稳定的目的[9-10]。

图5 巷道超前注浆锚索支护效果

4 结论

（1）木瓜矿10-206工作面辅运顺槽通过采用注浆锚索支护技术，顶板围岩得到了更为有效的控制，避免了前采后整的被动局面，工人作业安全保障系数得到了提升；同时支护工作量降低，减轻了工人的劳动强度。

（2）10-206 工作面辅运顺槽“注浆锚索超前支护”技术，取消了超前段单体支护，避免了人工支设、回撤单体可能出现的倒柱伤人等事故，降低了劳动强度；注浆锚索便于机械化作业，提升支护效率；减少了超前段支护设备、设施的占用空间，为现场生产提供了更多的有效空间。

（3）主动式超前支护技术简化了施工工序，减少了工作量，加快了综采工作面推采速度，对目前综采工作面的安全、高效生产适用性更好。