郭 鵬

（皖北煤電集團(tuán)公司，安徽 宿州 234000）

隨著煤炭開采進(jìn)入深部，采動影響下深部巷道礦壓顯現(xiàn)愈加強(qiáng)烈，頂板極易碎脹，圍巖破碎，超前影響范圍長，冒頂事故風(fēng)險高[1]。對于這一類支護(hù)困難的巷道，采用普通的錨桿（索）進(jìn)行支護(hù)，不能形成較好的錨固端，錨桿的力學(xué)特性不能完全發(fā)揮，支護(hù)效果較差[2]，深井巷道圍巖注漿加固技術(shù)是破碎軟弱圍巖維護(hù)的一種有效方式[3-4]，主要通過向注漿孔內(nèi)部注入注漿材料將破碎松散的圍巖體黏結(jié)成整體，進(jìn)而提高圍巖自身的強(qiáng)度和承載能力[5-6]。目前注漿錨固技術(shù)已在注漿理論、注漿設(shè)備、注漿錨桿（索）、注漿工藝等方面取得了一定的進(jìn)展[7-9]，形成了一套以“錨、注”一體化支護(hù)理論與技術(shù)體系，并在多個礦區(qū)取得了廣泛的推廣應(yīng)用[10-13]。利用任樓煤礦Ⅱ8224N 工作面地質(zhì)條件為背景，提出工作面（注漿）錨索式超前支護(hù)技術(shù)方案，并在Ⅱ8224N 工作面機(jī)巷進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)。

1 工程背景

Ⅱ8224N 工作面位于二水平Ⅱ2采區(qū)二區(qū)段北翼，北至設(shè)計(jì)切眼，鄰近F2-1斷層，南至設(shè)計(jì)停采線。Ⅱ8224N 工作面開采82煤層，其中上覆煤層31、51、52、72、73為主采煤層，72、73煤層已開始回采，82煤與73煤采空區(qū)間距12.0～18.0 m，31、51、52煤均未開采且屬于整體沉降帶，上限以設(shè)計(jì)風(fēng)巷為界，上鄰Ⅱ8222 里段采空區(qū)間距為7.0 m，下限以設(shè)計(jì)機(jī)巷為界。

Ⅱ8224N工作面82煤層厚1.6～2.8 m，平均2.2 m，煤層賦存較穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)簡單，風(fēng)巷北部局部煤層含單層泥巖或巖質(zhì)泥巖夾矸，層厚0.2 m 左右。煤以碎塊狀為主，黑色，玻璃光澤，半亮半暗型。83煤厚0.4～1.0 m，平均0.5 m，82、83煤層間距1.2～2.4 m，平均2.0 m，整體間距較穩(wěn)定。82煤層直接頂為黑色至深灰色的粉砂巖，水平層理，平均厚度為2.1 m，單向抗壓強(qiáng)度57.8～60.8 MPa；基本頂為淺灰至灰白色的中砂巖，層理發(fā)育硅質(zhì)膠結(jié)，平均厚度為6.6 m，單向抗壓強(qiáng)度32.8～106.3 MPa；直接底為灰色至灰黑色的泥巖，富含植物碎屑化石，平均厚度為6.1 m，單向抗壓強(qiáng)度47.3～52.5 MPa；基本底為淺灰色的中砂巖，以石英為主，含有帶菱鐵條帶平行層理，平均厚度為6.1 m，單向抗壓強(qiáng)度32.2～59.4 MPa。Ⅱ8224N 工作面位于F11斷層與F2斷層之間，走向近南北方向，傾向近東。煤巖層近似呈單斜構(gòu)造，傾角12°～20°，平均16.1°，地質(zhì)構(gòu)造情況較復(fù)雜。

Ⅱ8224N 工作面充水水源為煤系地層頂?shù)装迳皫r裂隙水，主要以采動裂隙為導(dǎo)水通道，水文地質(zhì)條件較簡單。Ⅱ2采區(qū)構(gòu)造多為半開放狀態(tài)，整體上有利于排放瓦斯，斷層下盤瓦斯涌出比上盤明顯，煤層瓦斯隨埋深增大有增加趨勢，煤層直接頂大部分為粉砂巖，有利于瓦斯賦存。通過Ⅱ2采區(qū)開拓后區(qū)域預(yù)測結(jié)果，Ⅱ8224N 工作面位于突出危險區(qū)域，該工作面在上覆Ⅱ7322、Ⅱ7324N 保護(hù)層工作面的有效卸壓保護(hù)范圍內(nèi)。

2 工作面巷道圍巖松動圈發(fā)育規(guī)律

為獲得Ⅱ8224N 機(jī)巷圍巖松動圈發(fā)育情況，采用鉆孔攝像法對裂隙發(fā)育規(guī)律進(jìn)行觀測，掌握82煤圍巖裂隙發(fā)育特征，設(shè)計(jì)Ⅱ8224N 機(jī)巷（注漿）錨索式超前支護(hù)方案，結(jié)合礦方提供巷道地質(zhì)條件和現(xiàn)場支護(hù)狀況，分別于機(jī)巷工作面前方30 m、80 m、130 m、180 m 和230 m 處布置5 個測站進(jìn)行鉆孔探測。鉆孔探測每個測站包括1 個測孔，測孔布置在巷道頂板中部，頂板測孔深8 m，鉆孔直徑32 mm。鉆孔探測布置如圖1 所示。

圖1 鉆孔探測布置（m）

其中測站Ⅲ頂板裂隙發(fā)育具體情況：

1）裂隙發(fā)育帶。在0.4 m、1.25 m 和1.4 m 處出現(xiàn)0.02 m 的橫向裂隙，在0.85 m、1.55 m 處出現(xiàn)微小裂隙。2）離層區(qū)。頂板巖層無明顯離層區(qū)。3）破碎區(qū)。在2.6～2.75 m 范圍出現(xiàn)破碎區(qū)。4）完整帶。頂板巖層無明顯破碎或離層出現(xiàn)的區(qū)域。

測站V 頂板裂隙發(fā)育具體情況為：1）裂隙發(fā)育帶。在0.4 m、0.5 m 和2.9 m 處出現(xiàn)0.01～0.02 m的橫向裂隙，在1.05 m、2.17 m 和2.25 m 處出現(xiàn)約0.04 m 的橫向裂隙；在6.0～6.05 m、6.2～6.4 m 和7.2～7.3 m 范圍出現(xiàn)縱向裂隙。2）離層區(qū)。頂板巖層無明顯離層區(qū)。3）破碎區(qū)。頂板巖層無明顯破碎區(qū)。4）完整帶。頂板巖層無明顯破碎或離層出現(xiàn)的區(qū)域。

機(jī)巷頂板的完整性好，其中頂板淺部（3 m 以下）主要發(fā)育橫向裂隙，裂隙較小，無明顯破碎區(qū)發(fā)育，無明顯離層現(xiàn)象；頂板深部（3～7 m）零星發(fā)育微小縱向裂隙，為微細(xì)裂紋，裂隙長度較短。依據(jù)巷道圍巖松動圈理論，Ⅱ8224N 工作面風(fēng)巷支護(hù)條件下圍巖屬Ⅱ類小松動圈。

3 工作面（注漿）錨索式超前支護(hù)技術(shù)方案

3.1 超前（注漿）錨索支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算

1）回采巷道錨桿（索）支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算

依據(jù)巷道工程地質(zhì)條件及支護(hù)參數(shù)，獲得支護(hù)錨桿（索）型號，確定拉斷載荷為F。錨桿（索）支護(hù)密度為p：

式中：p為錨桿（索）支護(hù)密度；c為錨桿（索）排距；b為巷道寬度/高度；n為每排錨桿（索）數(shù)量。錨桿（索）支護(hù)強(qiáng)度為P：

錨桿（索）支護(hù)阻力為Q=P·a。

2）頂板錨索支護(hù)強(qiáng)度

機(jī)巷與風(fēng)巷頂板均布置3 根Φ21.8 mm×6250 mm 高強(qiáng)度錨索，錨索間排距1200 mm×1600 mm。頂板錨索拉斷載荷為F索=582 kN，可得：p索=0.38/m2，P索=0.22 MPa，Q索=1.09×103kN。

3）頂板錨桿支護(hù)強(qiáng)度。機(jī)巷與風(fēng)巷頂板均每排布置7 根Φ22 mm×2400 mm 螺紋鋼錨桿，錨桿間排距800 mm×800 mm。頂板錨桿拉斷載荷為F桿=144.5 kN，可得：p桿=1.75/m2，P桿=0.25 MPa，Q桿=1.26×103kN。

4）幫錨桿支護(hù)強(qiáng)度。機(jī)巷幫部采用每排布置9 根Φ20 mm×2200 mm 螺紋鋼錨桿，錨桿間排距800 mm×800 mm。幫部錨桿拉斷載荷為F桿=125.6 kN。可得p桿=3.21/m2，P桿=0.41 MPa，Q桿=1.41×103kN。

3.2 分階段（注漿）錨索超前支護(hù)技術(shù)方案

根據(jù)Ⅱ8224N 工作面布置情況，其下限以設(shè)計(jì)機(jī)巷為界，機(jī)巷屬于實(shí)體煤巷道，屬于近距離煤層下伏巷道，與風(fēng)巷相比，風(fēng)巷側(cè)向支承應(yīng)力影響較小，且覆巖應(yīng)力水平較低，頂板巖層完整性較好，煤幫塑性區(qū)分布范圍較小。Ⅱ8224N 機(jī)巷的掘進(jìn)長度為距工作面0～150 m 范圍，分為兩個階段：第一個階段Ⅱ8224N 機(jī)巷距工作面0～70 m 范圍內(nèi)，第二個階段Ⅱ8224N 機(jī)巷距工作面70～150 m 范圍內(nèi)。據(jù)此，初步設(shè)計(jì)Ⅱ8224N 機(jī)巷階段I 錨索式超前支護(hù)技術(shù)方案，具體如下：

階段Ⅰ：Ⅱ8224N 機(jī)巷距工作面0～70 m 范圍內(nèi)錨索超前支護(hù)形式，切眼位置為0 點(diǎn)。其主要支護(hù)技術(shù)參數(shù)如下：

1）高強(qiáng)度錨索：補(bǔ)強(qiáng)錨索采用規(guī)格1×19 的Φ21.8 mm×7300 mm 高強(qiáng)度錨索，錨索破斷力為550 kN，每排1 根，排距1600 mm，布置在遠(yuǎn)離工作面幫一側(cè)，緊鄰中線，垂直頂板施工；2）錨固劑：采用2 節(jié)K2880 樹脂錨固劑進(jìn)行錨固；3）預(yù)緊力：錨索預(yù)緊力為230 kN；4）錨索托盤：采用規(guī)格為250 mm×250 mm×16 mm高強(qiáng)度鼓形托盤；5）鋼帶：兩排錨索之間采用GDW170 型W 鋼帶連接，鋼帶眼距為1600 mm，寬度為170 mm，厚度為3.5 mm。

機(jī)巷階段I 錨索超前支護(hù)如圖2 所示。

圖2 機(jī)巷階段I 錨索式超前支護(hù)方案（mm）

在機(jī)巷階段I錨索式超前支護(hù)方案實(shí)施過程中，需加強(qiáng)礦壓監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)巷道變形過大、頂板明顯下沉等強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象時，應(yīng)及時采取措施提高超前支護(hù)強(qiáng)度。

階段Ⅱ：根據(jù)Ⅱ8224N 工作面機(jī)巷階段I 錨索式超前支護(hù)方案試驗(yàn)總結(jié)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及圍巖控制效果，確定Ⅱ8224N 機(jī)巷距工作面70～150 m 范圍內(nèi)錨索超前支護(hù)形式。其主要支護(hù)技術(shù)參數(shù)如下：

1）高強(qiáng)度錨索：補(bǔ)強(qiáng)錨索采用1×19 的Φ21.8 mm×7300 mm 高強(qiáng)度錨索，錨索破斷力為550 kN，每排1 根，排距800 mm，布置在遠(yuǎn)離工作面幫一側(cè)，緊鄰中線，垂直頂板施工；2）錨固劑：采用2 節(jié)K2880 樹脂錨固劑進(jìn)行錨固；3）預(yù)緊力：錨索預(yù)緊力為230 kN；4）錨索托盤：采用規(guī)格為250 mm×250 mm×16 mm高強(qiáng)度鼓形托盤；5）鋼帶：兩排錨索之間采用GDW170 型W 鋼帶連接，鋼帶眼距為800 mm，寬度為170 mm，厚度為3.5 mm。

3.3 圍巖支承力計(jì)算

超前注漿錨索與頂板形成穩(wěn)定圍巖后，對巷道頂板形成軸向約束力的作用，注入的漿液強(qiáng)化了頂板的圍巖性能，提高了圍巖的承載性能。為了便于計(jì)算，將巷道頂板簡化為一層完整的頂板，通過巷道頂板力矩平衡關(guān)系建立力學(xué)模型如圖3 所示。

圖3 煤巷錨索式超前支護(hù)力學(xué)模型

圖（3）中，a代表巷道寬度，s代表實(shí)體煤幫煤柱寬度，z代表煤壁幫煤柱寬度，b代表巷道高度，t代表力學(xué)模型頂板厚度，R1，R2，R3代表實(shí)體煤幫煤柱寬度、煤壁幫煤柱寬度和外在支護(hù)所提供的支承力。根據(jù)力學(xué)模型可知，在實(shí)體煤巷中認(rèn)為巷道兩側(cè)的煤體受力相同，即R1=R2，S=Z，其中S的計(jì)算公式：

式中：Rt代表巷道的影響半徑，一般取值為5 倍的巷道半徑。機(jī)巷掘進(jìn)的支護(hù)斷面規(guī)格為：B×H=5.0 m×3.55 m，帶入數(shù)據(jù)可得：S=Z=7.5 m。不考慮各巖層之間的鉸接關(guān)系，建立巷道圍巖變形的計(jì)算模型如圖4 所示。

圖4 煤巷圍巖變形計(jì)算模型

式中：k代表擴(kuò)容系數(shù)，一般取值k=1.3，根據(jù)圖3 和圖4 中幾何關(guān)系可得：

式中：k延-錨桿為螺紋鋼錨桿最大延伸率，取k延-錨桿=15%；k延-錨索為錨索最大延伸率，取k延-錨索=4%。將數(shù)據(jù)代入可得θ≤4.83°，因此θ=4.83°。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

采用“十字觀測法”對Ⅱ8224N 機(jī)巷巷道表面距離開切眼位置30 m、60 m、90 m、120 m、150 m分別設(shè)置I、Ⅱ、Ⅲ、IV、V 五處礦壓監(jiān)測站，對巷道表面進(jìn)行位移監(jiān)測。

隨工作面推進(jìn)距離開切眼位置30 m 處，巷道表面變形情況如圖5 所示。巷道圍巖頂?shù)装逑鄬σ平繛?11 mm，頂?shù)装遄冃瘟枯^小；兩幫相對移近量為242 mm，其中，實(shí)體煤幫累計(jì)移近量為83 mm，工作面幫累計(jì)移近量為159 mm，兩幫累計(jì)變形較小。該區(qū)域巷道圍巖變形量較小，礦壓顯現(xiàn)不明顯，距回采工作面較遠(yuǎn)時，巷道變形速度較??；隨工作面推進(jìn)，巷道變形速度增大。頂?shù)装遄畲笙鄬σ平俣葹?8 mm/d，兩幫最大相對移近速度為55 mm/d，其中，實(shí)體煤幫最大移近速度為19 mm/d，工作面幫最大移近速度為36 mm/d。

圖5 Ⅱ8224N 機(jī)巷測站I 圍巖表面變形規(guī)律

隨工作面推進(jìn)距離開切眼位置60 m 處，巷道表面變形情況如圖6 所示。

圖6 Ⅱ8224N 機(jī)巷測站Ⅱ圍巖表面變形規(guī)律

觀測期間，Ⅱ測站隨工作面推進(jìn)，巷道圍巖頂?shù)装逑鄬σ平坷塾?jì)為82 mm，頂?shù)装遄冃瘟枯^?。粌蓭拖鄬σ平繛?30 mm，其中，實(shí)體煤幫累計(jì)移近量為91 mm，工作面幫累計(jì)移近量為139 mm，兩幫累計(jì)變形較小。該區(qū)域巷道圍巖變形量較小，礦壓顯現(xiàn)不明顯。

在工作面正常推進(jìn)期間，距回采工作面較遠(yuǎn)時，巷道變形速度較小，約為0～3 mm/d；隨工作面推進(jìn)，巷道變形速度增大，頂?shù)装遄畲笙鄬σ平俣葹?5 mm/d，兩幫最大相對移近速度為76 mm/d，其中，實(shí)體煤幫最大移近速度為28 mm/d，工作面幫最大移近速度為48 mm/d。約超前回采工作面35 m，受超前支承應(yīng)力影響，巷道變形速度明顯升高。

隨工作面推進(jìn)距離開切眼位置90 m 處，巷道表面變形情況如圖7 所示。

圖7 Ⅱ8224N 機(jī)巷測站Ⅲ圍巖表面變形規(guī)律

觀測期間，Ⅲ測站隨工作面推進(jìn)90 m，巷道圍巖頂?shù)装逑鄬σ平坷塾?jì)為59 mm，頂?shù)装遄冃瘟枯^小；兩幫相對移近量為237 mm，其中，實(shí)體煤幫累計(jì)移近量為100 mm，工作面幫累計(jì)移近量為137 mm，兩幫累計(jì)變形較小。Ⅲ測站區(qū)域巷道圍巖變形量和相對移進(jìn)速度較小，礦壓顯現(xiàn)不明顯。

隨工作面推進(jìn)距離開切眼位置120 m 處，巷道表面變形情況如圖8 所示。

圖8 Ⅱ8224N 機(jī)巷測站Ⅳ圍巖表面變形規(guī)律

由圖8 可知，觀測期間Ⅳ測站隨工作面推進(jìn)120 m，巷道圍巖頂?shù)装逑鄬σ平坷塾?jì)為53 mm，頂?shù)装遄冃瘟枯^小；兩幫相對移近量為236 mm，其中，實(shí)體煤幫累計(jì)移近量為135 mm，工作面幫累計(jì)移近量為101 mm，兩幫累計(jì)變形較小。Ⅳ測站區(qū)域巷道圍巖變形量和相對移進(jìn)速度較小，礦壓顯現(xiàn)不明顯。

隨工作面推進(jìn)距離開切眼位置150 m 處，巷道表面變形情況如圖9 所示。

圖9 Ⅱ8224N 機(jī)巷測站Ⅴ圍巖表面變形規(guī)律

由圖9 可知，觀測期間Ⅴ測站隨工作面推進(jìn)150 m，巷道圍巖頂?shù)装逑鄬σ平坷塾?jì)為52 mm，頂板變形量較小；兩幫相對移近量為236 mm，其中，實(shí)體煤幫累計(jì)移近量為135 mm，工作面幫累計(jì)移近量為101 mm，兩幫累計(jì)變形較小。Ⅴ測站區(qū)域巷道圍巖變形量和相對移進(jìn)速度較小，礦壓顯現(xiàn)不明顯。

5 結(jié)論

1）機(jī)巷頂板的完整性好，其中頂板淺部（3 m以下）主要發(fā)育橫向裂隙，裂隙較小，無明顯破碎區(qū)發(fā)育，無明顯離層現(xiàn)象；頂板深部（3～7 m）零星發(fā)育微小縱向微細(xì)裂紋，裂隙長度較短。

2）建立了主動式超前支護(hù)圍巖穩(wěn)定支護(hù)力學(xué)模型，結(jié)合Ⅱ8224N 工作面機(jī)巷原錨桿（索）支護(hù)技術(shù)方案，提出了分階段超前支護(hù)技術(shù)方案。

3）在Ⅱ8224N 工作面機(jī)巷開展工業(yè)性試驗(yàn)，驗(yàn)證了主動式超前支護(hù)錨索支護(hù)性能發(fā)揮良好，圍巖穩(wěn)定控制效果較好。