厚硬頂板回采巷道超前補(bǔ)強(qiáng)錨索協(xié)同支護(hù)技術(shù)研究

劉 琦，徐 靖

（1.安陽鑫龍煤業(yè)（集團(tuán)）紅嶺煤業(yè)有限責(zé)任公司，河南安陽455001；2.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作454003）

0 引言

超前支護(hù)在煤礦安全生產(chǎn)中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。目前在我國采煤工作面順槽巷道的超前支護(hù)有多種，其中采用支設(shè)臨時走向抬棚和打點(diǎn)柱居多[1]。為提高綜采工作面推進(jìn)效率，大量專家學(xué)者投入精力對超前支護(hù)研究這一前沿課題進(jìn)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(jì)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(chǔ)上發(fā)展起來的超前支護(hù)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(hù)中的應(yīng)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(hù)技術(shù)提出使用超前注漿錨索、樹脂錨桿對頂板及兩幫進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)處理。呂東輝等人[6]探索出了采用錨網(wǎng)索和端頭及順槽超前液壓支架聯(lián)合支護(hù)。王琳等人[7]將切頂卸壓技術(shù)利用來進(jìn)行端頭超前段的卸壓支護(hù)。曹新奇等[8]針對大傾角煤層提出采用挖底、接頂超前支護(hù)措施。曾明勝[9]針對深部綜放工作面巷道研制出能夠適應(yīng)長距離、大變形深部巷道的2列2節(jié)式強(qiáng)力超前支架支護(hù)系統(tǒng)。

但針對厚硬頂板煤層的超前支護(hù)所存在的超前支架反復(fù)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(yè)1505工作面為研究對象，開展厚硬頂板回采巷道超前支護(hù)優(yōu)化方案研究。

1 試驗(yàn)工作面概況

1.1 工作面概況

紅嶺煤業(yè)開采二疊系二1煤層，埋深63.46 m。目前開采15采區(qū)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(zhì)泥巖（平均厚度4.26 m）、中-細(xì)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(zhì)泥巖為主，局部為砂巖和炭質(zhì)泥巖，屬于厚硬頂板煤層。

1.2 1505上巷超前支護(hù)方式

1505上巷沿煤層頂板掘進(jìn)，巷道斷面為梯形，上巷支護(hù)使用金屬網(wǎng)、W鋼帶、螺紋鋼錨桿配合錨索進(jìn)行支護(hù)，斷面圖見圖1。工作面回采過程中，上巷超前支護(hù)自煤墻向外上超前支護(hù)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(hù)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?；夭善陂g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(fēng)，易造成瓦斯積聚；由于超前支架反復(fù)支撐頂板造成頂板破碎，頂板下沉量增大、出現(xiàn)流頂現(xiàn)象；巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，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(bǔ)強(qiáng)錨索協(xié)同支護(hù)控制優(yōu)化技術(shù)方案

2.1 1505上巷超前支護(hù)方式優(yōu)化方案

為了優(yōu)化支護(hù)方式，提高安全系數(shù)，提出在1505工作面上巷超前支護(hù)20 m段采用補(bǔ)打錨索+錨索梁取代超前支架支護(hù)，錨索錨到煤層基本頂中-細(xì)粒砂巖中，確保錨索錨固力達(dá)到要求。優(yōu)化設(shè)計圖如圖2、圖3所示，具體支護(hù)方式為φ21.6 mm×L8 000 mm的鋼絞線打設(shè)錨索梁進(jìn)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(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)參數(shù)計算

1）補(bǔ)強(qiáng)錨索長度的確定。

式中：L為補(bǔ)強(qiáng)錨索總長，m；L1為錨固段長度（樹脂錨固劑與鋼絞線的粘結(jié)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(shù)，取k=2；Nt為錨索設(shè)計載荷，不小于250 kN；d為補(bǔ)強(qiáng)錨索鋼絞線直徑，21.6 mm；τa為錨固劑與鋼絞線粘結(jié)應(yīng)力，10 N/mm2。代入數(shù)據(jù)得出L1=730 mm，實(shí)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(bǔ)強(qiáng)錨索長度定為5 m以上即可滿足設(shè)計要求。

2）錨索排距的確定。因?yàn)殄^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(hù)效果，排距取0.8 m完全滿足要求。

3）每排錨索數(shù)目的確定。

式中：N為每排錨索數(shù)目，根。K為安全系數(shù)，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(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)完全滿足要求。

3 超前支護(hù)優(yōu)化方案數(shù)值模擬預(yù)測

3.1 數(shù)值模型的建立

3.1.1 工作面上覆巖層基本參數(shù)

根據(jù)工作面鉆孔數(shù)據(jù)查詢及實(shí)驗(yàn)室測定，確定工作面上覆各巖層的節(jié)理力學(xué)參數(shù)及厚度見表1：

表1 各巖層節(jié)理力學(xué)參數(shù)及厚度

3.1.2 模型的設(shè)計及邊界條件

根據(jù)1505工作面開采情況、邊界條件、煤層賦存狀況等設(shè)計工作面的計算模型。模型的尺寸設(shè)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(yùn)輸和進(jìn)風(fēng)，沿煤層底板掘進(jìn)，巷道斷面為三心拱型斷面，采用36U礦用鋼+金屬網(wǎng)+木背板支護(hù)，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(fēng)巷，沿煤層頂板掘進(jìn)，使用金屬網(wǎng)、W鋼帶、螺紋鋼錨桿配合錨索進(jìn)行支護(hù)，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(zhì)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(shè)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(qū)在垮落后頂?shù)装宓慕佑|情況。根據(jù)煤層的埋深條件，在頂部施加11.6 MPa的垂直應(yīng)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(jié)果分析

在上述模型中進(jìn)行1505工作面兩巷掘進(jìn)，即區(qū)段運(yùn)輸和回風(fēng)順槽的開挖，然后開始1505綜放工作面的回采，一步推進(jìn)15 m，向前推進(jìn)100 m。數(shù)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?shù)装宓氖諗孔冃危黄浯畏治鲭S著1505工作面的一步步開挖，1505上巷超前支護(hù)(20 m)范圍內(nèi)巷道的漸變以及破壞程度。

3.2.1 一次擾動模擬結(jié)果分析

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

圖5 應(yīng)力分布情況

由圖5可知，通過補(bǔ)打錨索，錨桿、錨索共同形成深部和淺部應(yīng)力場的大范圍疊加協(xié)同控制作用。由圖6、7可知，頂?shù)装逡平繛?6.9 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(hù)效果較好。由圖8可知，1505上巷巷道塑性區(qū)分布較少，主要分布在巷道頂?shù)装鍏^(qū)域，頂板主要分布在靠下幫部分，巷道整體支護(hù)效果較好。

圖6 1505上巷頂?shù)装遄冃吻闆r

圖7 1505上巷兩幫變形情況

圖8 1505上巷塑性區(qū)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(jìn)行模擬，上巷超強(qiáng)支護(hù)段超前支承壓力分布云圖如圖9所示。頂?shù)装鍑鷰r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?shù)装鍑鷰r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(yīng)力集中系數(shù)為1.38。由圖10、11可知，巷道兩幫移近量為56.5 mm，頂?shù)装逡平繛?10 mm，巷道整體斷面收縮率為11.16%。

4 超前支護(hù)優(yōu)化現(xiàn)場考察分析

為檢驗(yàn)加強(qiáng)錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)、設(shè)計參數(shù)及施工工藝的合理性，修改、優(yōu)化支護(hù)參數(shù)提供科學(xué)依據(jù)，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(fā)育情況進(jìn)行觀測。使用線繩、卷尺、基點(diǎn)對巷道表面位移進(jìn)行監(jiān)測，MCS-400礦用本安型錨索測力計對巷道頂板錨索受力進(jìn)行監(jiān)測，鉆孔電視窺視儀觀測頂板裂隙發(fā)育情況。

4.1 礦壓監(jiān)測結(jié)果及分析

1505上巷沿頂板掘進(jìn)，礦壓監(jiān)測結(jié)果如圖12所示，1505上巷A測站巷道變形監(jiān)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(fēng)、行人及運(yùn)輸?shù)男枰軌虮ＷC安全生產(chǎn)。

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(jiān)測結(jié)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(bǔ)強(qiáng)錨索距離工作面6 m時，受力最大，為143 kN；2號補(bǔ)強(qiáng)錨索受力最大為285 kN；3號補(bǔ)強(qiáng)錨索距離工作面5 m時，錨索受力最大，為217 kN；4號補(bǔ)強(qiáng)錨索距離工作面30～18 m時，受力緩慢增加，當(dāng)距離工作面11.4 m時，錨索受力最大，為99 kN；5號補(bǔ)強(qiáng)錨索距離工作面28～19 m時，受力緩慢變化略有增加，當(dāng)距離工作面13.3 m時，錨索受力最大，為145 kN；6號補(bǔ)強(qiáng)錨索距離工作面28～19 m時，受力緩慢變化略有增加，當(dāng)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(xù)增加，采場前方30 m超前支承壓力趨于穩(wěn)定。

4.3 鉆孔窺視結(jié)果分析

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

5 結(jié)論

1）1505工作面上巷超前支護(hù)原采用巷道超前支護(hù)液壓支架，存在超前支架的反復(fù)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(bǔ)打錨索+錨索梁取代超前支架的支護(hù)方案。數(shù)值模擬結(jié)果為：巷道兩幫移近量為32.5 mm，頂?shù)装逡平繛?6.9 mm，巷道整體斷面收縮率為2.4%，整體支護(hù)效果較好；通過補(bǔ)打錨索，實(shí)現(xiàn)了錨桿、錨索共同形成深部和淺部應(yīng)力場的大范圍疊加協(xié)同控制作用。1505上巷超前支護(hù)段超前支承壓力分布規(guī)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(yīng)力集中系數(shù)為1.38?；夭善陂g1505上巷巷道兩幫移近量為56.5 mm，頂?shù)装逡平繛?10 mm，巷道整體斷面收縮率為11.16%，巷道未出現(xiàn)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(tài)、圍巖裂隙發(fā)育進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，得出結(jié)論：1505工作面上巷超前支護(hù)段采用補(bǔ)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(fā)育較少、頂板完整，能夠滿足礦井安全生產(chǎn)。因此1505工作面上巷超前支護(hù)段采用補(bǔ)打錨索+錨索梁時，可以取消超前液壓支架。