厚硬頂板回采巷道超前補強錨索協同支護技術研究

劉 琦，徐 靖

（1.安陽鑫龍煤業（集團）紅嶺煤業有限責任公司，河南安陽455001；2.河南理工大學安全科學與工程學院，河南 焦作454003）

0 引言

超前支護在煤礦安全生產中發揮著關鍵性作用。目前在我國采煤工作面順槽巷道的超前支護有多種，其中采用支設臨時走向抬棚和打點柱居多[1]。為提高綜采工作面推進效率，大量專家學者投入精力對超前支護研究這一前沿課題進行了研究。侯友夫等人[2]針對大變形巷道的特殊要求，在20世紀末提出了大可縮量巷道支架。倪興華等人[3]探索出了在工作面四連桿支架基礎上發展起來的超前支護支架組。郭俊兵[4]論述了超前液壓支架在綜采工作面順槽超前支護中的應用。梁哲[5]針對大采高、厚硬頂板條件下綜采工作面超前支護技術提出使用超前注漿錨索、樹脂錨桿對頂板及兩幫進行加強支護處理。呂東輝等人[6]探索出了采用錨網索和端頭及順槽超前液壓支架聯合支護。王琳等人[7]將切頂卸壓技術利用來進行端頭超前段的卸壓支護。曹新奇等[8]針對大傾角煤層提出采用挖底、接頂超前支護措施。曾明勝[9]針對深部綜放工作面巷道研制出能夠適應長距離、大變形深部巷道的2列2節式強力超前支架支護系統。

但針對厚硬頂板煤層的超前支護所存在的超前支架反復支撐造成頂板破碎和頂板下沉量增大等問題仍有待解決。因此，本文選擇安陽紅嶺煤業1505工作面為研究對象，開展厚硬頂板回采巷道超前支護優化方案研究。

1 試驗工作面概況

1.1 工作面概況

紅嶺煤業開采二疊系二1煤層，埋深63.46 m。目前開采15采區1505工作面，礦井為高瓦斯礦井。1505工作面走向長度為991.5～1 022.8 m，傾斜長度為172.5～99.6 m。工作面二1煤層平均厚度為7.0 m，煤容重1.39 t/m3。工作面頂板為砂質泥巖（平均厚度4.26 m）、中-細粒砂巖（平均厚度8.95 m）、泥巖（平均厚度5.60 m），底板以泥巖、砂質泥巖為主，局部為砂巖和炭質泥巖，屬于厚硬頂板煤層。

1.2 1505上巷超前支護方式

1505上巷沿煤層頂板掘進，巷道斷面為梯形，上巷支護使用金屬網、W鋼帶、螺紋鋼錨桿配合錨索進行支護，斷面圖見圖1。工作面回采過程中，上巷超前支護自煤墻向外上超前支護使用4組Z QL2×4900/21/38型超前支架，支架間距為2 000 mm，支架與巷幫距離為800 mm，超前支架之間為行人通道。上巷超前支護采用Z QL2×4900/21/38型超前支架帶來的主要問題如下：超前支架操作繁瑣，正常回采期間每班不少于3人移架，工作量大；超前支架體積偏大，影響工作面上隅角通風，易造成瓦斯積聚；由于超前支架反復支撐頂板造成頂板破碎，頂板下沉量增大、出現流頂現象；巷道沿煤層頂板掘進，超前支架底座大，不便于落底，以防底座落空。

圖1 1505上巷斷面圖

2 厚硬頂板回采巷道補強錨索協同支護控制優化技術方案

2.1 1505上巷超前支護方式優化方案

為了優化支護方式，提高安全系數，提出在1505工作面上巷超前支護20 m段采用補打錨索+錨索梁取代超前支架支護，錨索錨到煤層基本頂中-細粒砂巖中，確保錨索錨固力達到要求。優化設計圖如圖2、圖3所示，具體支護方式為φ21.6 mm×L8 000 mm的鋼絞線打設錨索梁進行加固，每排3根錨索，錨索間距1400 mm，錨索梁排距800 mm；錨索梁長度為3 000 mm，采用36U型鋼制作，梁不貼頂時，中間間隙采用雜木充填。

圖2 上巷超前加固錨索布置平面示意圖

圖3 上巷超前加固巷道斷面圖

2.2 補強錨索支護參數計算

1）補強錨索長度的確定。

式中：L為補強錨索總長，m；L1為錨固段長度（樹脂錨固劑與鋼絞線的粘結長度），取1.5 m；L2為自由段長，一般取3.0 m；L3為張拉端長，m。

式中：k為安全系數，取k=2；Nt為錨索設計載荷，不小于250 kN；d為補強錨索鋼絞線直徑，21.6 mm；τa為錨固劑與鋼絞線粘結應力，10 N/mm2。代入數據得出L1=730 mm，實際錨固長度為1.5 m。

式中：L3'為錨索外露長度，取0.3 m；L3'為上托盤及錨具的厚度，取0.2 m。L3=0.3+0.2=0.5 m。代入公式計算得出L=5 m，因此，補強錨索長度定為5 m以上即可滿足設計要求。

2）錨索排距的確定。因為錨索排距一般不大于錨索長度的1/2，所以排距小于3 m或4 m即可。為保證安全，確保支護效果，排距取0.8 m完全滿足要求。

3）每排錨索數目的確定。

式中：N為每排錨索數目，根。K為安全系數，一般取1.5；Pd為錨索的最低破斷率，不小于260.7 kN；W為被吊煤巖的自重，kN。

式中：B為巷道寬度，為4.4 m；Σr為懸吊圍巖平均容重，取22 kN/m3；Σh為懸吊圍巖厚度，取7.5m；D為錨索排距，取0.8 m。代入公式計算得出W=580.8 kN。計算得：N≈3.3根。通過以上計算：按0.8 m的排距在頂板布置4根錨索進行加強支護完全滿足要求。

3 超前支護優化方案數值模擬預測

3.1 數值模型的建立

3.1.1 工作面上覆巖層基本參數

根據工作面鉆孔數據查詢及實驗室測定，確定工作面上覆各巖層的節理力學參數及厚度見表1：

表1 各巖層節理力學參數及厚度

3.1.2 模型的設計及邊界條件

根據1505工作面開采情況、邊界條件、煤層賦存狀況等設計工作面的計算模型。模型的尺寸設計：工作面傾斜長172.5～99.6 m，在X軸方向取275 m，1505下巷用于工作面的煤炭運輸和進風，沿煤層底板掘進，巷道斷面為三心拱型斷面，采用36U礦用鋼+金屬網+木背板支護，巷道拱基線處凈寬5 m，凈高3.4 m，凈斷面積16.3 m2；上巷為回風巷，沿煤層頂板掘進，使用金屬網、W鋼帶、螺紋鋼錨桿配合錨索進行支護，巷道斷面為梯形，巷道凈寬4.4 m，下幫凈高約2.5 m，上幫凈高約3.762 m，凈面積約為13.8 m2。煤層傾角10°～21°（平均16°），為緩傾斜煤層，模型中煤層傾角取16°，模型尺寸為寬×深×厚=275 m×100×m 120 m。

1505工作面上覆巖層地質條件，模型上表面上覆巖層厚度450 m，巖石平均密度為2 632 kg/m3，設g=9.81 N/kg。模擬共劃分17 780個單元，分為6層，模型尺寸275 m×200 m（長×高）。邊界條件方面，在模型底部固定豎向位移，兩邊固定橫向位移。模型中加入分界面以模擬采空區在垮落后頂底板的接觸情況。根據煤層的埋深條件，在頂部施加11.6 MPa的垂直應力以模擬上覆巖層自重。邊界條件及模擬方案示意圖如圖4所示。

圖4 模型模擬方案及邊界條件示意圖

3.2 結果分析

在上述模型中進行1505工作面兩巷掘進，即區段運輸和回風順槽的開挖，然后開始1505綜放工作面的回采，一步推進15 m，向前推進100 m。數值模擬過程中主要考慮以下因素：首先考慮1505上巷開挖時，巷道頂底板的收斂變形；其次分析隨著1505工作面的一步步開挖，1505上巷超前支護(20 m)范圍內巷道的漸變以及破壞程度。

3.2.1 一次擾動模擬結果分析

通過FLAC3D模擬得到1505工作面回采期間上巷巷道應力分布云圖、圍巖位移分布云圖、圍巖塑性區分布云圖分別如圖5—圖8所示。

圖5 應力分布情況

由圖5可知，通過補打錨索，錨桿、錨索共同形成深部和淺部應力場的大范圍疊加協同控制作用。由圖6、7可知，頂底板移近量為46.9 mm，巷道兩幫移近量為32.5 mm，巷道整體斷面收縮率為2.4%，整體支護效果較好。由圖8可知，1505上巷巷道塑性區分布較少，主要分布在巷道頂底板區域，頂板主要分布在靠下幫部分，巷道整體支護效果較好。

圖6 1505上巷頂底板變形情況

圖7 1505上巷兩幫變形情況

圖8 1505上巷塑性區分布情況

3.2.2 二次擾動時超前支承壓力分布

通過FLAC3D對1505工作面回采進行模擬，上巷超強支護段超前支承壓力分布云圖如圖9所示。頂底板圍巖位移分布云圖如圖10、11所示。

圖9 1505上巷超期支承壓力分布情況

圖10 1505上巷頂底板圍巖變形情況

圖11 1505上巷兩幫圍巖變形情況

由圖9可知，隨著1505綜放工作面的回采，1505上巷超前支承壓力最大值為16 MPa，距離工作面的距離為16～18 m，應力集中系數為1.38。由圖10、11可知，巷道兩幫移近量為56.5 mm，頂底板移近量為310 mm，巷道整體斷面收縮率為11.16%。

4 超前支護優化現場考察分析

為檢驗加強錨索支護結構、設計參數及施工工藝的合理性，修改、優化支護參數提供科學依據，對1505工作面上巷巷道表面位移量、錨索受力情況、頂板裂隙發育情況進行觀測。使用線繩、卷尺、基點對巷道表面位移進行監測，MCS-400礦用本安型錨索測力計對巷道頂板錨索受力進行監測，鉆孔電視窺視儀觀測頂板裂隙發育情況。

4.1 礦壓監測結果及分析

1505上巷沿頂板掘進，礦壓監測結果如圖12所示，1505上巷A測站巷道變形監測過程中，巷道兩幫移近量最大為262 mm，頂板下沉量最大為496 mm。巷道能夠滿足1505工作面通風、行人及運輸的需要，能夠保證安全生產。

圖12 1505上巷A測站巷道表面收斂變形量曲線

4.2 錨索（桿）礦壓監測結果及分析

1-6號錨索測力計和7、8號錨桿測力計安裝在A測站，錨桿測力計最大值為63 kN，錨索測力計最大值為285 kN，錨桿未被拉斷。1號補強錨索距離工作面6 m時，受力最大，為143 kN；2號補強錨索受力最大為285 kN；3號補強錨索距離工作面5 m時，錨索受力最大，為217 kN；4號補強錨索距離工作面30～18 m時，受力緩慢增加，當距離工作面11.4 m時，錨索受力最大，為99 kN；5號補強錨索距離工作面28～19 m時，受力緩慢變化略有增加，當距離工作面13.3 m時，錨索受力最大，為145 kN；6號補強錨索距離工作面28～19 m時，受力緩慢變化略有增加，當距離工作面12.8 m時，錨索受力最大，為99.6 kN；7號錨桿受力最大為33 kN，錨桿受力較小；8號錨桿受力最大為63 kN，錨桿受力較小。采煤工作面超前支承壓力大概在采場前方6～15 m處開始持續增加，采場前方30 m超前支承壓力趨于穩定。

4.3 鉆孔窺視結果分析

通過對1505上巷鉆孔窺視，結果表明頂板圍巖裂隙發育較少、頂板完整。工作面距離窺視孔25 m時的裂隙發育情況具體如下：0.15-0.30 m段頂板有裂隙發育，1.39-1.41 m段頂板有裂隙發育，3.60-3.86 m段頂板有裂隙發育，4.65-4.80 m段發育縱向裂隙，5.57-5.68 m段頂板有裂隙發育，6.65-6.85 m段發育縱向裂隙。巷道頂板完整性較好，直接頂砂質泥巖段橫向、縱向裂隙發育，基本頂大占砂巖段中下部發育有縱向裂隙，裂隙發育較少。

5 結論

1）1505工作面上巷超前支護原采用巷道超前支護液壓支架，存在超前支架的反復支撐頂板造成頂板破碎、頂板下沉量增大的問題，提出采用補打錨索+錨索梁取代超前支架的支護方案。數值模擬結果為：巷道兩幫移近量為32.5 mm，頂底板移近量為46.9 mm，巷道整體斷面收縮率為2.4%，整體支護效果較好；通過補打錨索，實現了錨桿、錨索共同形成深部和淺部應力場的大范圍疊加協同控制作用。1505上巷超前支護段超前支承壓力分布規律為：1505上巷超前支承壓力最大值為16 MPa，距離工作面的距離為16～18 m，應力集中系數為1.38。回采期間1505上巷巷道兩幫移近量為56.5 mm，頂底板移近量為310 mm，巷道整體斷面收縮率為11.16%，巷道未出現大的收縮變形。

2）通過對巷道表面收斂變形、錨索（桿）受力狀態、圍巖裂隙發育進行現場實測，得出結論：1505工作面上巷超前支護段采用補打錨索+錨索梁后，回采過程中巷道變形得到有效控制，頂板圍巖裂隙發育較少、頂板完整，能夠滿足礦井安全生產。因此1505工作面上巷超前支護段采用補打錨索+錨索梁時，可以取消超前液壓支架。