馬登林

（冀中能源峰峰集團有限公司 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，但單體支柱的支護強度較低，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)支撐會嚴(yán)重破壞巷道頂板與錨網(wǎng)索支護系統(tǒng)，導(dǎo)致頂板破碎；工人勞動強度大，耗時多。

此外，綜放工作面煤層開采厚度一般大于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，綜放開采時，因開采厚度的增加，會導(dǎo)致工作面礦壓顯現(xiàn)程度劇烈，使用單體支柱超前支護時，易導(dǎo)致單體支護破壞失效、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89.4 m，每天推進度達到4 m，職工在端頭作業(yè)期間，點柱支改工作量較大，而且工作面外段切眼長度僅70 m，煤機的割煤速度大于端頭支改點柱的速度，造成煤機等待端頭支護，工作面單產(chǎn)受限。使用注漿錨索超前支護后，能夠增加巷道通風(fēng)斷面，對瓦斯治理起到積極作用。

2 研究主要技術(shù)內(nèi)容

針對瓦斯突出礦井綜放工作面超前支護難題，采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場測試、工業(yè)性試驗等方法進行研究。

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

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

（3）注漿錨索超前支護關(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；對注漿材料進行改性研究，通過拉拔試驗測試漿液的錨固特性；改進注漿輔助設(shè)備，包括工業(yè)用超聲波清洗機、注漿泵和止?jié){塞等，提高注漿作業(yè)效率。

（4）注漿錨索超前支護參數(shù)設(shè)計及工藝流程研究。建立主動支護力學(xué)計算模型，推導(dǎo)主動式超前支護強度計算公式；設(shè)計注漿錨索超前支護參數(shù)，提出校核計算公式；依據(jù)室內(nèi)試驗和現(xiàn)場觀測，提出綜放工作面注漿錨索超前支護合理注漿時機確定方法；設(shè)計適用于注漿錨索超前支護的現(xiàn)場施工工藝流程，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技術(shù)，設(shè)計超前支護參數(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技術(shù)，并在現(xiàn)場監(jiān)測支護效果。

3 分階段試驗方案

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，超前支承壓力影響范圍內(nèi)采用注漿錨索代替點柱鉸接梁。為保證2種超前支護形式的平穩(wěn)過渡，將172404綜放工作面下順槽超前支護技術(shù)過渡劃分為3個試驗階段。

3.1 階段Ⅰ

172404工作面下順槽57號鋼梁后開始布置單體支柱，配合注漿錨索超前支護形式，共計布置20 m（預(yù)計布置到47號鋼梁位置處）。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工作面推進至距57號鋼梁15～20 m時，開始對階段Ⅰ內(nèi)已打注漿錨索進行注漿施工。

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

3.2 階段Ⅱ

172404工作面下順槽47號鋼梁后開始采用單體支柱配合注漿錨索超前支護形式，共計布置20 m（預(yù)計布置到37號鋼梁位置處）。其中，單體支柱布置為1排，打設(shè)在巷道中心線處，點柱間距為2 m，相鄰2根支柱中間布置1排錨索，每個斷面布置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，在距中心線上下幫各1.2 m處均勻布置，如圖2所示。172404工作面推進至距47號鋼梁（即測站Ⅰ位置處）15～20 m時，開始對階段Ⅱ內(nèi)的已打注漿錨索進行注漿施工。

圖2 階段Ⅱ超前支護俯視Fig.2 StageⅡoverlook of advanced support

3.3 階段Ⅲ

在172404工作面下順槽37～27號鋼梁間取消單體支柱超前支護，全部采用注漿錨索加普通錨索進行超前支護，錨索排距為1.0 m，每個斷面布置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，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工作面推進至距37號鋼梁（即測站Ⅱ位置處）15～20 m時，開始對階段Ⅲ內(nèi)已打注漿錨索進行注漿施工。況進行探測；②通過電子頂板離層儀對172404工作面下順槽頂板進行監(jiān)測；③采用電子錨索測力計對172404工作面下順槽頂板進行監(jiān)測。

圖3 階段Ⅲ超前支護俯視Fig.3 StageⅢoverlook of advanced support

4 效果分析

通過3種觀測手段分別評價2種支護方案對頂板的支護效果，如圖4～圖6所示。①利用LHGX-K3孔內(nèi)全景成像儀對巷道頂板裂隙發(fā)育情雙重作用，實現(xiàn)了被動支護向主動支護的轉(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172404工作面下順槽頂板進行監(jiān)測Fig.5 172404 working face lower groove roof observation by electronic roof isolator

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

視頻探測結(jié)果表明，實施注漿錨索超前支護后，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與注漿加固相結(jié)合的雙重作用，實現(xiàn)了被動支護向主動支護的轉(zhuǎn)換。

從頂板離層儀監(jiān)測結(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個階段的支護方案均能夠有效保護頂板，支護效果良好。從錨索測力計監(jiān)測結(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。錨索測力計監(jiān)測結(jié)果表明，3個階段的支護方案均能夠有效保護頂板，支護效果良好，且Ⅲ階段支護效果最優(yōu)。

5 結(jié) 語

172404工作面下順槽注漿錨索超前支護技術(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、液壓支架等移柱、回柱操作，實現(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，提高工作效率，經(jīng)濟和社會效益均十分顯著，具有推廣應(yīng)用前景。