馬登林

（冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司 大淑村礦，河北 邯鄲056300）

1 概 況

綜放工作面普遍采用單體液壓支柱超前支護(hù)，但單體支柱的支護(hù)強(qiáng)度較低，在超前支承壓力作用下，超前段頂板易發(fā)生下沉破壞；反復(fù)支撐會(huì)嚴(yán)重破壞巷道頂板與錨網(wǎng)索支護(hù)系統(tǒng)，導(dǎo)致頂板破碎；工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，耗時(shí)多。

此外，綜放工作面煤層開(kāi)采厚度一般大于5 m，而單體液壓支柱一般適用于巷道頂板穩(wěn)定、支承壓力小、高度小于4.5 m的巷道，綜放開(kāi)采時(shí)，因開(kāi)采厚度的增加，會(huì)導(dǎo)致工作面礦壓顯現(xiàn)程度劇烈，使用單體支柱超前支護(hù)時(shí)，易導(dǎo)致單體支護(hù)破壞失效、鉆底等事故發(fā)生，支柱回撤困難，影響回采效率。172404工作面平均傾斜長(zhǎng)89.4 m，每天推進(jìn)度達(dá)到4 m，職工在端頭作業(yè)期間，點(diǎn)柱支改工作量較大，而且工作面外段切眼長(zhǎng)度僅70 m，煤機(jī)的割煤速度大于端頭支改點(diǎn)柱的速度，造成煤機(jī)等待端頭支護(hù)，工作面單產(chǎn)受限。使用注漿錨索超前支護(hù)后，能夠增加巷道通風(fēng)斷面，對(duì)瓦斯治理起到積極作用。

2 研究主要技術(shù)內(nèi)容

針對(duì)瓦斯突出礦井綜放工作面超前支護(hù)難題，采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、工業(yè)性試驗(yàn)等方法進(jìn)行研究。

（1）綜放工作面超前支承壓力的分布及演化規(guī)律。依據(jù)大淑村礦的實(shí)際地質(zhì)情況，建立數(shù)值模擬模型，研究隨著工作面開(kāi)挖超前支承壓力演化規(guī)律；深入分析綜放工作面的開(kāi)采特點(diǎn)，建立綜放工作面頂板結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型，揭示綜放工作面頂板斷裂條件、斷裂位置以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律；建立數(shù)值模擬模型，研究不同開(kāi)采條件下綜放工作面超前支承壓力變化規(guī)律。

（2）注漿錨索超前支護(hù)力學(xué)分析。對(duì)采煤工作面超前支護(hù)進(jìn)行力學(xué)分析，構(gòu)建單體支柱超前支護(hù)力學(xué)模型和注漿錨索超前支護(hù)力學(xué)模型。結(jié)合數(shù)值模擬研究，對(duì)2種超前支護(hù)手段下支護(hù)體受力及圍巖變形進(jìn)行分析。對(duì)比分析后，提出適應(yīng)于綜放工作面開(kāi)采的新型注漿錨索超前支護(hù)技術(shù)。

（3）注漿錨索超前支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究。在傳統(tǒng)中空注漿錨索基礎(chǔ)上，研制具有高抗彎性能和高可靠性的新型注漿錨索；對(duì)注漿材料進(jìn)行改性研究，通過(guò)拉拔試驗(yàn)測(cè)試漿液的錨固特性；改進(jìn)注漿輔助設(shè)備，包括工業(yè)用超聲波清洗機(jī)、注漿泵和止?jié){塞等，提高注漿作業(yè)效率。

（4）注漿錨索超前支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)及工藝流程研究。建立主動(dòng)支護(hù)力學(xué)計(jì)算模型，推導(dǎo)主動(dòng)式超前支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算公式；設(shè)計(jì)注漿錨索超前支護(hù)參數(shù)，提出校核計(jì)算公式；依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，提出綜放工作面注漿錨索超前支護(hù)合理注漿時(shí)機(jī)確定方法；設(shè)計(jì)適用于注漿錨索超前支護(hù)的現(xiàn)場(chǎng)施工工藝流程，并提出相應(yīng)施工安全技術(shù)要求。

（5）工業(yè)性試驗(yàn)研究。以大淑村礦瓦斯突出綜放工作面為背景，研究注漿錨索超前支護(hù)技術(shù)，設(shè)計(jì)超前支護(hù)參數(shù)，形成一整套瓦斯突出礦井綜放工作面注漿錨索超前支護(hù)技術(shù)，并在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)支護(hù)效果。

3 分階段試驗(yàn)方案

根據(jù)大淑村礦172404工作面煤層賦存地質(zhì)特征，提出在172404綜放工作面回采期間，在工作面下超前支護(hù)，超前支承壓力影響范圍內(nèi)采用注漿錨索代替點(diǎn)柱鉸接梁。為保證2種超前支護(hù)形式的平穩(wěn)過(guò)渡，將172404綜放工作面下順槽超前支護(hù)技術(shù)過(guò)渡劃分為3個(gè)試驗(yàn)階段。

3.1 階段Ⅰ

172404工作面下順槽57號(hào)鋼梁后開(kāi)始布置單體支柱，配合注漿錨索超前支護(hù)形式，共計(jì)布置20 m（預(yù)計(jì)布置到47號(hào)鋼梁位置處）。其中，單體支柱布置為2排，第一排布置在巷道煤幫側(cè)，第二排布置在巷道中心，2排支柱交錯(cuò)布置，每排支柱間距為2 m；巷道中心線打設(shè)的支柱中間位置布置1排錨索，每個(gè)斷面布置3根，其中2根注漿錨索和1根普通錨索，普通錨索布置在巷道中心線處，注漿錨索以巷道中心線為基點(diǎn)在距中心線上下幫各1.2 m處均勻布置，如圖1所示。172404工作面推進(jìn)至距57號(hào)鋼梁15～20 m時(shí)，開(kāi)始對(duì)階段Ⅰ內(nèi)已打注漿錨索進(jìn)行注漿施工。

圖1 階段Ⅰ超前支護(hù)俯視示意Fig.1 StageⅠtop viewof advanced support

3.2 階段Ⅱ

172404工作面下順槽47號(hào)鋼梁后開(kāi)始采用單體支柱配合注漿錨索超前支護(hù)形式，共計(jì)布置20 m（預(yù)計(jì)布置到37號(hào)鋼梁位置處）。其中，單體支柱布置為1排，打設(shè)在巷道中心線處，點(diǎn)柱間距為2 m，相鄰2根支柱中間布置1排錨索，每個(gè)斷面布置3根錨索，其中2根注漿錨索和1根普通錨索，普通錨索布置在巷道中心線處，注漿錨索以巷道中心線為基點(diǎn)，在距中心線上下幫各1.2 m處均勻布置，如圖2所示。172404工作面推進(jìn)至距47號(hào)鋼梁（即測(cè)站Ⅰ位置處）15～20 m時(shí)，開(kāi)始對(duì)階段Ⅱ內(nèi)的已打注漿錨索進(jìn)行注漿施工。

圖2 階段Ⅱ超前支護(hù)俯視Fig.2 StageⅡoverlook of advanced support

3.3 階段Ⅲ

在172404工作面下順槽37～27號(hào)鋼梁間取消單體支柱超前支護(hù)，全部采用注漿錨索加普通錨索進(jìn)行超前支護(hù)，錨索排距為1.0 m，每個(gè)斷面布置3根錨索，其中2根注漿錨索和1根普通錨索，普通錨索布置在巷道中心線處，注漿錨索以巷道中心線為基點(diǎn)，在距中心線上下幫各1.2 m處均勻布置，如圖3所示。當(dāng)172404工作面推進(jìn)至距37號(hào)鋼梁（即測(cè)站Ⅱ位置處）15～20 m時(shí)，開(kāi)始對(duì)階段Ⅲ內(nèi)已打注漿錨索進(jìn)行注漿施工。況進(jìn)行探測(cè)；②通過(guò)電子頂板離層儀對(duì)172404工作面下順槽頂板進(jìn)行監(jiān)測(cè)；③采用電子錨索測(cè)力計(jì)對(duì)172404工作面下順槽頂板進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖3 階段Ⅲ超前支護(hù)俯視Fig.3 StageⅢoverlook of advanced support

4 效果分析

通過(guò)3種觀測(cè)手段分別評(píng)價(jià)2種支護(hù)方案對(duì)頂板的支護(hù)效果，如圖4～圖6所示。①利用LHGX-K3孔內(nèi)全景成像儀對(duì)巷道頂板裂隙發(fā)育情雙重作用，實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)支護(hù)向主動(dòng)支護(hù)的轉(zhuǎn)換。

圖4 下順槽頂板裂隙發(fā)育情況Fig.4 Track development of the lower groove roof

圖5 電子頂板離層儀對(duì)172404工作面下順槽頂板進(jìn)行監(jiān)測(cè)Fig.5 172404 working face lower groove roof observation by electronic roof isolator

圖6 電子錨索測(cè)力計(jì)對(duì)172404工作面下順槽頂板監(jiān)測(cè)曲線Fig.6 Monitoring curve of the groove roof under 172404 working face by electronic anchor cable dynamometer

視頻探測(cè)結(jié)果表明，實(shí)施注漿錨索超前支護(hù)后，巷道頂板裂隙發(fā)育范圍和數(shù)量均明顯減小。這是由于注漿錨索具有錨索支護(hù)與注漿加固相結(jié)合的雙重作用，實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)支護(hù)向主動(dòng)支護(hù)的轉(zhuǎn)換。

從頂板離層儀監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，在172404工作面回采期間，172404工作面下順槽頂板未發(fā)生明顯離層變化，頂板完整性良好。3個(gè)階段的支護(hù)方案均能夠有效保護(hù)頂板，支護(hù)效果良好。從錨索測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，在172404工作面回采期間，172404工作面下順槽頂板錨索受力整體變化較小，其中，第Ⅰ階段和第Ⅱ階段錨索受力增加了6～7 kN，而第Ⅲ階段錨索受力僅增加了3～4 kN。錨索測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，3個(gè)階段的支護(hù)方案均能夠有效保護(hù)頂板，支護(hù)效果良好，且Ⅲ階段支護(hù)效果最優(yōu)。

5 結(jié) 語(yǔ)

172404工作面下順槽注漿錨索超前支護(hù)技術(shù)的成功應(yīng)用，提高了回采效率，通風(fēng)斷面增大，風(fēng)阻明顯減小，有效控制工作面巷道頂板變形破壞，減少了單體液壓支護(hù)、液壓支架等移柱、回柱操作，實(shí)現(xiàn)了礦井的高效生產(chǎn)，改善作業(yè)環(huán)境，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，提高工作效率，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益均十分顯著，具有推廣應(yīng)用前景。