回采巷道补强注浆锚索超前支护技术应用
时间：2023-04-22 21:10:04 来源：千叶帆 本文已影响人
孙 端
（山西焦煤霍州煤电汾河焦煤公司，山西 临汾 041602）
回采巷道受超前及侧向支承压力的影响，超前段空间围岩变形量大，支护难度大［1-2］。汾河焦煤公司三交河煤矿过去对工作面回采巷道采用液压支架+单体支柱超前支护方式，虽然能够在一定程度上控制巷道超前段围岩变形，但存在因液压支架反复升降揉压容易造成顶板局部破碎、单体液压支柱支设需要耗费大量人力且成本高、运输难度大等缺点，影响巷道的掘进速度［3-5］。因此，该矿拟定采用补强注浆锚索超前支护技术加固巷道超前段围岩，最后成功实现了回采巷道注浆锚索完全替代液压支架进行超前支护［6-7］。
B2-516工作面属于2#煤，煤层厚度1.7～1.9 m，平均煤厚1.8 m。直接顶为泥岩、细砂岩，基本顶为K8中砂岩。直接底为泥岩，基本底为中砂岩。工作面地质结构简单，揭露F338、F190两条正断层，最大落差2.4 m，对工作面回采影响不大。顶板岩层强度较大，岩层内部结构较为稳定，未出现明显离层，仅在直接顶4 m范围内出现少量裂隙，为补强注浆锚索替代液压支架超前支护提供了较好的地质条件基础。
1）支护技术。B2-5161巷掘进后原采用锚杆+锚索+液压支架联合支护方式，顶板采用每排6根ϕ20 mm×2 000 mm左旋螺纹高强锚杆，间排距为900 mm×1 000 mm；
锚索采用ϕ21.6 mm×6 200 mm钢绞线，间排距为1 600 mm×3 000 mm。帮部采用ϕ16 mm×1 500 mm普通圆钢锚杆，间排距1 150 mm×1 000 mm；
超前支护使用超3组ZQL2×3200/19/37型超前液压支架支护，支护长度21.6 m、宽度2.73 m，支架中心距2.0 m，初撑力不小于15 MPa。
2）围岩变形。B2-5161巷原设计采用液压支架超前支护，在工作面前方20 m、40 m、60 m、80 m、100 m处分别布置5个测站监测巷道围岩变形量，监测结果如图1所示。
图1 原支护围岩变形量
由图1（a）可知，测站Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ监测巷道两帮累计变形量分别为18 mm、26 mm、39 mm，虽然Ⅲ变形量较大，但仍在安全范围内；
测站Ⅳ距工作面15 m，两帮累计变形量9 mm；
测站Ⅴ离工作面最远，受采动影响最小，变形量最小。
由图1（b）可知，测站Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处顶板累计下沉量分别为10 mm、13 mm、18 mm。Ⅲ测站下沉量最大，主要原因是超前液压支架并未完全能够支撑顶板。测站Ⅳ、Ⅴ离工作面较远，变形量小，顶板累计下沉量分别为7 mm、1 mm。
B2-5161巷原设计采用液压支架进行超前支护，支护后顶板下沉量大，影响工作面回采速度。因此，决定在超前工作面50 m顶板施工补强注浆锚索超前支护，以控制顶板下沉量。采用SKZ22-1/1860型ϕ21.8 mm×7 200 mm注浆锚索，“二·一”布置，间排距1 600 mm×1 000 mm，每三根为1组，每组排距3 000 mm，补强支护布置如图2所示。
施工补强注浆锚索支护期间，超前液压支架暂不取消，升架高度至顶梁距离巷道顶板不大于400 mm，防止顶板离层、掉顶引发伤人事故。
图2 补强注浆锚索支护
图3 不同注浆压力浆液扩散范围
在B2-5161巷施工补强注浆锚索施工结束后，再采用ZBQ-25/5型气动注浆泵，通过10 mm液压胶管对锚索进行注水泥浆注浆，对超前支护的巷道顶板进行加固，减小巷道围岩松动圈，增强顶板支护强度。
运用COMSOL对注浆施工后浆液扩散规律进行数值模拟，建立10 m×10 m×18 m模型，分析如下。
1）注浆压力分析。分别模拟注浆压力分别为1～6 MPa时，浆液在B2-5161巷扩散范围，模拟结果如图3所示。
由图3可知，注浆压力在1～3 MPa范围内，随着注浆压力增大，浆液在围岩扩散面积增加较快；
注浆压力在3～6 MPa范围内，随着注浆压力增大，浆液虽然在围岩内扩散面积继续增加，但是相对在1～3 MPa范围内扩散速率减小，扩散面积小。因此，当注浆压力在3 MPa以上时，浆液在围岩内扩散面积增加速率在10%以下。结合模拟和经济效益分析，确保能够提高顶板围岩完整性的条件下，又能减少施工设备损耗，最终确定B2-5161巷注浆压力为4 MPa。
2）注浆时间分析。分别模拟注浆时间15 min内，B2-5161巷浆液压力情况，模拟结果如图4所示。
图4 不同注浆时间浆液压力情况
由图4可知，对巷道围岩进行注浆后，浆液压力呈上细下粗的“唢呐状”。当注浆时间较短时，由于浆液在围岩内扩散面积小，浆液压力相对较为匀称。随着注浆时间的增大，浆液在围岩内扩散面积增大，“唢呐状”长度逐渐增大，同时下部尺寸逐渐变宽。根据不同时间模拟结果可知，注浆时间在前5 min时间内，“唢呐状”下部尺寸变宽速率快；
注浆5 min时间后，虽然随着时间的“唢呐状”下部尺寸依然在变宽，但变宽速率慢，浆液在围岩内扩散速率减慢。若盲目增加注浆时间，不仅对加固围岩效果不明显，还会影响注浆锚索的施工速率，不利于巷道的掘进。因此，最终确定B2-5161巷注浆时间为3～5 min左右。
B2-5161巷采用补强注浆锚索超前支护施工后，通过监测围岩变形验证支护效果。在巷道20 m、40 m处布置2个测站进行超前支护围岩变形量监测。通过监测巷道围岩变形量1个月，得到采用补强注浆锚索超前支护后围岩变形量，监测结果如图5所示。
图5 补强支护围岩变形量
由图5可知，B2-5161巷采用补强注浆锚索超前支护后围岩变形量有明显减小。测站Ⅰ、Ⅱ两帮累计变形量分别为5 mm、5 mm，测站Ⅰ、Ⅱ顶板累计下沉量分别为6 mm、4 mm，相对于原液压支架超前支护时巷道围岩变形量有明显改善，补强注浆锚索支护效果更优。
B2-5161巷在施工补强注浆锚索超前支护后两帮平均变形量为5 mm，顶板平均下沉量为4.5 mm，顶板完成性好，围岩变形量小，相对较为稳定。由此可知，补强注浆锚索超前支护相对于液压支架超前支护，围岩变形量更小，顶板岩层更为稳定。
采用补强注浆锚索超前支护技术，减少了大量的超前施工段人力耗费，节约了液压支架支护成本。同时，增加了巷道支护断面，有效改善了顶板的围岩强度，保证工作面的安全回采。补强注浆锚索不仅保证了巷道的安全，提高了工作面回采速度，还进一步降低施工成本，提高了矿井的经济效益。
1）B2-516工作面两巷原采用液压支架进行超前支护，由于液压支架不能完成支撑顶板原因，支护后顶板下沉量大，不能保证顶板稳定性；
拟定采用补强注浆锚索替代液压支架进行超前支护技术。
2）B2-5161巷采用补强注浆锚索加固顶板围岩，运用COMSOL数值模拟分析浆液扩散规律，认为注浆压力为4 MPa、注浆时间在3～5 min左右时，注浆效果最优；
采用超前注浆锚索施工后，两帮、顶板平均变形量分别为5 mm、4.5 mm；
补强注浆锚索超前支护技术应用取得良好效果。
