回采巷道補(bǔ)強(qiáng)注漿錨索超前支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

孫 端

（山西焦煤霍州煤電汾河焦煤公司，山西 臨汾 041602）

回采巷道受超前及側(cè)向支承壓力的影響，超前段空間圍巖變形量大，支護(hù)難度大［1-2］。汾河焦煤公司三交河煤礦過去對工作面回采巷道采用液壓支架+單體支柱超前支護(hù)方式，雖然能夠在一定程度上控制巷道超前段圍巖變形，但存在因液壓支架反復(fù)升降揉壓容易造成頂板局部破碎、單體液壓支柱支設(shè)需要耗費(fèi)大量人力且成本高、運(yùn)輸難度大等缺點(diǎn)，影響巷道的掘進(jìn)速度［3-5］。因此，該礦擬定采用補(bǔ)強(qiáng)注漿錨索超前支護(hù)技術(shù)加固巷道超前段圍巖，最后成功實(shí)現(xiàn)了回采巷道注漿錨索完全替代液壓支架進(jìn)行超前支護(hù)［6-7］。

1 工作面概況

B2-516工作面屬于2#煤，煤層厚度1.7～1.9 m，平均煤厚1.8 m。直接頂為泥巖、細(xì)砂巖，基本頂為K8中砂巖。直接底為泥巖，基本底為中砂巖。工作面地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單，揭露F338、F190兩條正斷層，最大落差2.4 m，對工作面回采影響不大。頂板巖層強(qiáng)度較大，巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯離層，僅在直接頂4 m范圍內(nèi)出現(xiàn)少量裂隙，為補(bǔ)強(qiáng)注漿錨索替代液壓支架超前支護(hù)提供了較好的地質(zhì)條件基礎(chǔ)。

2 原巷道支護(hù)技術(shù)

1）支護(hù)技術(shù)。B2-5161巷掘進(jìn)后原采用錨桿+錨索+液壓支架聯(lián)合支護(hù)方式，頂板采用每排6根?20 mm×2 000 mm左旋螺紋高強(qiáng)錨桿，間排距為900 mm×1 000 mm；錨索采用?21.6 mm×6 200 mm鋼絞線，間排距為1 600 mm×3 000 mm。幫部采用?16 mm×1 500 mm普通圓鋼錨桿，間排距1 150 mm×1 000 mm；超前支護(hù)使用超3組ZQL2×3200/19/37型超前液壓支架支護(hù)，支護(hù)長度21.6 m、寬度2.73 m，支架中心距2.0 m，初撐力不小于15 MPa。

2）圍巖變形。B2-5161巷原設(shè)計(jì)采用液壓支架超前支護(hù)，在工作面前方20 m、40 m、60 m、80 m、100 m處分別布置5個測站監(jiān)測巷道圍巖變形量，監(jiān)測結(jié)果如圖1所示。

圖1 原支護(hù)圍巖變形量

由圖1（a）可知，測站Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ監(jiān)測巷道兩幫累計(jì)變形量分別為18 mm、26 mm、39 mm，雖然Ⅲ變形量較大，但仍在安全范圍內(nèi)；測站Ⅳ距工作面15 m，兩幫累計(jì)變形量9 mm；測站Ⅴ離工作面最遠(yuǎn)，受采動影響最小，變形量最小。

由圖1（b）可知，測站Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處頂板累計(jì)下沉量分別為10 mm、13 mm、18 mm。Ⅲ測站下沉量最大，主要原因是超前液壓支架并未完全能夠支撐頂板。測站Ⅳ、Ⅴ離工作面較遠(yuǎn)，變形量小，頂板累計(jì)下沉量分別為7 mm、1 mm。

3 補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)技術(shù)

B2-5161巷原設(shè)計(jì)采用液壓支架進(jìn)行超前支護(hù)，支護(hù)后頂板下沉量大，影響工作面回采速度。因此，決定在超前工作面50 m頂板施工補(bǔ)強(qiáng)注漿錨索超前支護(hù)，以控制頂板下沉量。采用SKZ22-1/1860型?21.8 mm×7 200 mm注漿錨索，“二·一”布置，間排距1 600 mm×1 000 mm，每三根為1組，每組排距3 000 mm，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)布置如圖2所示。

施工補(bǔ)強(qiáng)注漿錨索支護(hù)期間，超前液壓支架暫不取消，升架高度至頂梁距離巷道頂板不大于400 mm，防止頂板離層、掉頂引發(fā)傷人事故。

圖2 補(bǔ)強(qiáng)注漿錨索支護(hù)

4 數(shù)值模擬分析

圖3 不同注漿壓力漿液擴(kuò)散范圍

在B2-5161巷施工補(bǔ)強(qiáng)注漿錨索施工結(jié)束后，再采用ZBQ-25/5型氣動注漿泵，通過10 mm液壓膠管對錨索進(jìn)行注水泥漿注漿，對超前支護(hù)的巷道頂板進(jìn)行加固，減小巷道圍巖松動圈，增強(qiáng)頂板支護(hù)強(qiáng)度。

運(yùn)用COMSOL對注漿施工后漿液擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，建立10 m×10 m×18 m模型，分析如下。

1）注漿壓力分析。分別模擬注漿壓力分別為1～6 MPa時，漿液在B2-5161巷擴(kuò)散范圍，模擬結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，注漿壓力在1～3 MPa范圍內(nèi)，隨著注漿壓力增大，漿液在圍巖擴(kuò)散面積增加較快；注漿壓力在3～6 MPa范圍內(nèi)，隨著注漿壓力增大，漿液雖然在圍巖內(nèi)擴(kuò)散面積繼續(xù)增加，但是相對在1～3 MPa范圍內(nèi)擴(kuò)散速率減小，擴(kuò)散面積小。因此，當(dāng)注漿壓力在3 MPa以上時，漿液在圍巖內(nèi)擴(kuò)散面積增加速率在10%以下。結(jié)合模擬和經(jīng)濟(jì)效益分析，確保能夠提高頂板圍巖完整性的條件下，又能減少施工設(shè)備損耗，最終確定B2-5161巷注漿壓力為4 MPa。

2）注漿時間分析。分別模擬注漿時間15 min內(nèi)，B2-5161巷漿液壓力情況，模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同注漿時間漿液壓力情況

由圖4可知，對巷道圍巖進(jìn)行注漿后，漿液壓力呈上細(xì)下粗的“嗩吶狀”。當(dāng)注漿時間較短時，由于漿液在圍巖內(nèi)擴(kuò)散面積小，漿液壓力相對較為勻稱。隨著注漿時間的增大，漿液在圍巖內(nèi)擴(kuò)散面積增大，“嗩吶狀”長度逐漸增大，同時下部尺寸逐漸變寬。根據(jù)不同時間模擬結(jié)果可知，注漿時間在前5 min時間內(nèi)，“嗩吶狀”下部尺寸變寬速率快；注漿5 min時間后，雖然隨著時間的“嗩吶狀”下部尺寸依然在變寬，但變寬速率慢，漿液在圍巖內(nèi)擴(kuò)散速率減慢。若盲目增加注漿時間，不僅對加固圍巖效果不明顯，還會影響注漿錨索的施工速率，不利于巷道的掘進(jìn)。因此，最終確定B2-5161巷注漿時間為3～5 min左右。

5 應(yīng)用效果

B2-5161巷采用補(bǔ)強(qiáng)注漿錨索超前支護(hù)施工后，通過監(jiān)測圍巖變形驗(yàn)證支護(hù)效果。在巷道20 m、40 m處布置2個測站進(jìn)行超前支護(hù)圍巖變形量監(jiān)測。通過監(jiān)測巷道圍巖變形量1個月，得到采用補(bǔ)強(qiáng)注漿錨索超前支護(hù)后圍巖變形量，監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

圖5 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)圍巖變形量

由圖5可知，B2-5161巷采用補(bǔ)強(qiáng)注漿錨索超前支護(hù)后圍巖變形量有明顯減小。測站Ⅰ、Ⅱ兩幫累計(jì)變形量分別為5 mm、5 mm，測站Ⅰ、Ⅱ頂板累計(jì)下沉量分別為6 mm、4 mm，相對于原液壓支架超前支護(hù)時巷道圍巖變形量有明顯改善，補(bǔ)強(qiáng)注漿錨索支護(hù)效果更優(yōu)。

B2-5161巷在施工補(bǔ)強(qiáng)注漿錨索超前支護(hù)后兩幫平均變形量為5 mm，頂板平均下沉量為4.5 mm，頂板完成性好，圍巖變形量小，相對較為穩(wěn)定。由此可知，補(bǔ)強(qiáng)注漿錨索超前支護(hù)相對于液壓支架超前支護(hù)，圍巖變形量更小，頂板巖層更為穩(wěn)定。

采用補(bǔ)強(qiáng)注漿錨索超前支護(hù)技術(shù)，減少了大量的超前施工段人力耗費(fèi)，節(jié)約了液壓支架支護(hù)成本。同時，增加了巷道支護(hù)斷面，有效改善了頂板的圍巖強(qiáng)度，保證工作面的安全回采。補(bǔ)強(qiáng)注漿錨索不僅保證了巷道的安全，提高了工作面回采速度，還進(jìn)一步降低施工成本，提高了礦井的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)論

1）B2-516工作面兩巷原采用液壓支架進(jìn)行超前支護(hù)，由于液壓支架不能完成支撐頂板原因，支護(hù)后頂板下沉量大，不能保證頂板穩(wěn)定性；擬定采用補(bǔ)強(qiáng)注漿錨索替代液壓支架進(jìn)行超前支護(hù)技術(shù)。

2）B2-5161巷采用補(bǔ)強(qiáng)注漿錨索加固頂板圍巖，運(yùn)用COMSOL數(shù)值模擬分析漿液擴(kuò)散規(guī)律，認(rèn)為注漿壓力為4 MPa、注漿時間在3～5 min左右時，注漿效果最優(yōu)；采用超前注漿錨索施工后，兩幫、頂板平均變形量分別為5 mm、4.5 mm；補(bǔ)強(qiáng)注漿錨索超前支護(hù)技術(shù)應(yīng)用取得良好效果。