锚索式超前支护替代单体支护技术研究

陈伟强

（皖北煤电集团恒源股份有限公司五沟煤矿，安徽 淮北235131）

1 立项背景

五沟煤矿1026工作面，主采10煤层。煤层结构较复杂，煤层直接顶板岩性以泥岩为主，局部地段存在泥岩、炭质泥岩伪顶；老顶为细砂岩、泥岩等；煤层直接底板为泥岩，老底为细砂岩。目前矿井采煤工作面超前支护采用“单体液压支柱配合铰接顶梁”超前支护形式，工人劳动强度大，工作效率低，影响工作面回采速度。因此在确保安全生产条件下，中国矿业大学与五沟煤矿合作以1026工作面各巷道为工业性试验地点，研发一种“超前（注浆）锚索支护”的新型超前支护形式，并基于这种主动式超前支护新模式进行支护强度计算验证，形成“（注浆）锚索式超前支护”关键技术。在1026工作面机巷、改造机巷、风巷实施（注浆）锚索超前支护，回采之前为了回采安全可靠，在工作面两巷进行围岩结构探测。采用钻孔成像仪对裂隙发育进行观测，以进行岩体内部裂隙发育情况研究分析，得到五沟煤矿1026工作面围岩松动圈发展发育规律，实时监测、反馈、指导、提供理论及技术支撑，保证（注浆）锚索式超前支护项目的安全高效开展。

2 工程地质特征

2.1 1026工作面概况

1026工作面机巷长1122m，底板标高-440m～-340m；1026改造机巷长1138m，底板标高-440m～-340m；1026风巷1145m，底板标高-400m～-320m；工作面10煤层倾角3°～19°，平均倾角α=8°。根据巷道实际掘进和井下钻探探查资料可知，本工作面最高点标高为-320m。

2.2 1026工作面地质概况

（1）1026机巷的直接顶为泥岩，基本顶多为中砂岩。

（2）1026改造机巷的直接顶为泥岩，基本顶多为粉砂质泥岩，分布较为平均，半坚硬岩层。

（3）1026风巷的直接顶为泥岩，浅灰色，块状，致密，基本顶为层状较厚的粉砂岩。

（4）煤层厚度、结构及其稳定性：1026工作面10煤层全部可采，煤层赋存情况较为复杂，根据地面钻孔资料：工作面面内J5-3钻孔煤层含两层泥岩夹矸，夹矸合计厚为0.5m，东翼煤层结构较为复杂，西翼煤层结构简单。该工作面10个煤层平均煤层厚度为4m，煤层可采指数Km=1，为相对稳定的煤层。受地质构造影响，部分断面煤层波动较大。

3 围岩松动圈规律测试

3.1 设备原理

采用井眼相机法观察裂缝发展规律。钻孔摄像法主要是指创新研发的医用胃镜成像技术。根据光学原理，可以直接观察岩体内部结构，并作为图像输出，用于岩体内部规律研究和分析的发展。矿井井眼成像轨迹检测装置用于目视观察和测试井壁结构面及裂缝的分布情况，并捕获井壁图像。

3.2 测站布置

通过实测1026工作面机巷、对机加工隧道、风洞开挖巷道围岩松散环进行整治，掌握10个煤层围岩裂缝发育特点，为优化锚索超前支护技术参数提供依据。10个煤层（注浆）。为获得1026工作面机械巷顶板内部结构及裂隙发育情况，结合巷道地质条件和现场巷道支护状况，对改造后的机械巷道和风巷进行研究。在机道、改道机道和风道各点布置测量站，进行钻孔检测。每个测量站包括2个测量孔。测孔采用立式顶板，分别布置在巷道顶板与顶板两侧1.0m处。测量孔深度为10m。孔直径为32mm。1026工作面30m、80m、130m、180m、230m处设置5个测站进行钻孔探测。

4 原巷道锚杆（索）网支护技术方案

（1）风巷设计断面规格：净宽×净高=4.6×3.5m，巷道顶部采用φ20mm，L＝2400mm左旋无纵筋等强螺纹钢锚杆，每排共7根，间排距750×800mm，铺菱形金属网配合W型钢带梁支护。巷道帮部采用φ20mm，L＝2200mm右旋全螺纹锚杆，每排共10根，间排距750×800mm。锚索规格：φ17.8mm，L=7300mm，间排距为1500×1600mm，每排共2根。

（2）机巷设计断面规格：净宽×净高=4.6×2.8m，巷道顶部采用φ20mm，L＝2400mm左旋无纵筋等强螺纹钢锚杆，每排共7根，间排距700×800mm，铺菱形金属网配合W型钢带梁支护，巷道帮部采用φ20mm，L＝2200mm右旋全螺纹锚杆，每排共8根，间排距750×800mm。锚索规格：φ17.8mm，L=7300mm，间排距为1500×1600mm，每排共2根。

（3）改造机巷设计断面规格：净宽×净高=4.1×3.0m，巷道顶部采用φ20mm，L＝2400mm左旋无纵筋等强螺纹钢锚杆，每排共7根，间排距700×800mm，铺菱形金属网配合W型钢带梁支护。巷道帮部采用φ20mm，L＝2200mm右旋全螺纹锚杆，每排共9根，间排距750×800mm。锚索规格：φ17.8mm，L=7300mm，间排距为1500×1600mm，每排共2根。

5 （注浆）锚索式超前支护技术方案

根据该区煤层工程地质特征，考虑该矿先进支护技术水平（首次采用锚索超前支护代替单支超前支护），建议在1026年开采期间工作面，巷道和机械进行改造。在巷道、风道超前支护压力影响范围内，采用不同的区域差异化超前支护形式。该系统对注浆锚索先进支护技术进行总结分析，为下一阶段在五沟煤矿推广锚索（注浆锚索）先进支护技术积累经验。

5.1 改造机巷（注浆）锚索式超前支护技术方案

将1026工作面改造机巷划分为两个区域，具体如下：

Ⅰ区地表：距工作面30m-410m（岩段巷道至X6）、590m-640m（W9至W10）、750m-1010m（W9至停采线）、巷道地质条件好区，根据该区煤层工程地质特点，并考虑该矿先进支护技术水平（首次采用注浆锚索在超前支护代替单一超前支护的工业应用）于1026年工作面截停期，在改造巷道超前支护压力影响范围内，按地区、阶段区分超前支护方式。

第一阶段：1026在距工作面0-50m范围内使用单个液压支柱和锚索对隧道进行改造。其中，单体液压支柱为两排，一梁一柱檐，行距2.4m，柱距1.2m。

第二阶段：1026机隧道改造，采用单液压支柱，锚索距离工作面50-100m。其中，一排单体液压支柱沿一梁一柱雨棚运行，柱间距为1.2m。

第三阶段：1026改造工作面至停采线100m范围内取消单柱支护，采用锚索加强支护。

（1）补强锚索规格为Φ21.8×7300mm，排距为800mm，每排用1根1×19股的高强度锚索进行加固，垂直顶板，紧贴巷道中线靠实体煤侧施工。

（2）采用2卷树脂锚固剂，1卷K2370型树脂锚固剂在里，1卷Z2370型树脂锚固剂在外。

（3）锚索预紧力为230kN。（4）采用规格为300×300×16mm的高强度鼓形托盘。

（5）采用W钢带梁配合补强锚索进行支护，钢带梁长2000mm，厚度3mm，保证钢带连接紧密连续。

区域Ⅱ面：距工作面410m-750m（X6到到W9处），顶板破碎，离层发育，巷面道地质条件较差。并且距工作面386m-457m（Z1处到2#探巷处）顶板滑移，需要进行单体支护。

（1）注浆锚索每排用3根1×8股注浆锚索加固，规格Φ21.6×7300mm，行距为1500×1600mm，安装立顶，中间排锚杆电缆靠近车道的中心线。固煤侧建设。

（2）配合W型钢带支护，钢带梁长3400mm，厚度3mm，保证钢带连接紧密连续。

（3）采用2卷树脂锚固剂，1卷K2370型树脂锚固剂在里，1卷Z2370型树脂锚固剂在外。

（4）锚索的预紧力为180kN。

（5）采用规格为300×300×16mm的高强度鼓托盘。

（6）注浆在工作面前30m-50m处进行，优选矿用注浆材料，注浆压力不大于5MPa。

5.2 机巷（注浆）锚索式超前支护技术方案

将1026工作面机巷划分为两个区域，具体如下：

区域Ⅰ面：距工作面20m-210m（JZ8到到D15处），240m-408m（JS3到到JZ5前前10m），564m-612m（J13后后5m到到JS1处），672m-711m（J9前前10m到到D8前前10m处），772m-961m（D7后后10m到到J4前前60m）巷道地质条件良好区域，根据该区煤层工程地质特征，结合该矿先进支护技术水平（首次采用注浆锚索超前支护替代单支超前支护的工业应用），建议停工期为1026工作面，在机洞超前支护压力的影响范围内，超前支护形式按地区、阶段有所区别。

阶段Ⅰ：1026高强度锚索单液压支柱用于距工作面0-50m范围的超前支护。其中，一排单体液压支柱沿一梁一柱雨棚运行，柱间距为1.2m。

阶段Ⅱ：1026工作面至机道停止线50m范围内取消单柱支护，采用高强度锚索加强支护。

（1）补强锚索，每排用1根1×19股的高强度锚索进行加固，规格为Φ21.8×7300mm，排距为800mm，垂直顶板，紧贴巷道中线靠煤柱侧施工。

（2）采用2卷树脂锚固剂，1卷K2370型树脂锚固剂在里，1卷Z2370型树脂锚固剂在外。

（3）锚索预紧力为230kN。

（4）采用规格为300×300×16mm的高强度鼓形托盘。

（5）采用W钢带梁配合补强锚索进行支护，钢带梁长2000mm，厚度3mm，保证钢带连接紧密连续。

区域Ⅱ面：距工作面210m-240m（D15到到JS3处），408m-564m（JZ5前前10m到到J13后后5m），612m-672m（JS1到到J9前前10m处），672m-772m（D8前前10m到到D7后后10m处），961m-1024m（J4前前60m到停采线）顶板破碎，离层发育，巷道地质条件较差。

（1）注浆锚索每排用3根1×8股注浆锚索加固。规格为Φ21.6×7300mm，行距为1500×1600mm，安装立式屋顶。中排锚杆索紧靠车道中心线。煤柱侧面施工。

（2）W型钢带支撑，钢带梁长3400mm，厚3mm，保证钢带的紧密连续连接。

（3）采用两卷树脂锚固剂，一卷K2370树脂锚固剂在里面，一卷Z2370树脂锚固剂在外面。

（4）锚索预紧力为180kN。

（5）采用300×300×16mm的高强度滚筒托盘。

（6）工作面前30m-50m处注浆，优先选用矿用注浆材料，注浆压力不大于5MPa。

5.3 风巷（注浆）锚索式超前支护技术方案

将1026工作面风巷划分为两个区域，具体如下：

区域Ⅰ面：0m-252m（G1至D15）、522m-722m（F8至FZ3前53m）、782m-893m（D4至F3A）道路地质条件较好的地区，根据该区煤层工程地质特征，结合该矿先进支护技术水平（注浆锚杆首次工业化应用在缆式超前支护代替单支超前支护），建议在1026工作面，在风洞超前支护压力影响范围内，采用分区域、分阶段差异化的超前支护形式。

第一阶段：1026风洞工作面0-50m范围内采用单体液压支柱和高强度锚索进行超前支护。其中，一排单体液压支柱沿一横梁、一柱顶棚运行，间距为1.2m。

第二阶段：在1026风洞工作面至停线50m范围内取消单柱支护，采用高强度锚索加强支护。

（1）补强锚索采用每排1根1×19股的高强度锚索进行加固，规格为Φ21.8×7300mm，排距为800mm，垂直顶板，紧贴巷道中线靠工作面煤侧施工。

（2）采用2卷树脂锚固剂，1卷K2370型树脂锚固剂在里，1卷Z2370型树脂锚固剂在外。

（3）锚索预紧力为230kN。

（4）采用规格为300×300×16mm的高强度鼓形托盘。

（5）采用W钢带梁配合补强锚索进行支护，钢带梁长2000mm，厚度3mm，保证钢带连接紧密连续。

区域Ⅱ面：距工作面252m-522m（D15到到F8前前53m处），722m-782m（FZ3到到D4处），893m-942m（F3A到停采线处）顶板破碎，离层发育，巷道地质条件较差。

（1）注浆锚索加固每排3股1×8股注浆锚索，规格为Φ21.6×7300mm，行距为1500×1600mm，安装立顶，中间排锚电缆靠近车道。靠近工作面的中线煤侧施工。

（2）W型钢带支撑，钢带梁长3400mm，厚3mm，保证钢带的紧密连续连接。

（3）采用两卷树脂锚固剂，一卷K2370树脂锚固剂在里面，一卷Z2370树脂锚固剂在外面。

（4）锚索预紧力为180kN。

（5）采用300×300×16mm的高强度滚筒托盘。

（6）工作面前30m-50m处注浆，优先选用矿用注浆材料，注浆压力不大于5MPa。

6 工业性试验

为获得1026工作面机加工巷道、改造机加工巷道和气道的地压出现规律，以及10号工作面超前支护段“锚索超前支护”的使用效果煤层、巷道变形及锚索松散圈受力特性及发展规律。通过巷道矿压监测，了解锚索、锚杆等支护结构的支护效果，对“锚索超前支护”进行评价。为“锚式超前支护”在煤10的实际应用提供了依据，综合评价了五沟煤矿采用“锚式超前支护”替代传统单一支护的可行性。也为类似条件下“锚索超前支护”的设计提供了有益的参考。巷道围岩监测技术方案主要包括巷道地表位移、锚索受力、巷道围岩内裂隙发育规律（钻孔检测）变化等。

7 结论

通过对五沟煤矿1026巷道、风巷、改造巷道围岩松散圈的测试，评价了围岩的地质力学参数。同时，基于顶板叠置梁理论，建立了煤巷围岩稳定性，基于性能控制力学模型计算和校核了采煤巷的合理支护强度，为采煤巷道的有效支护提供理论支持及先进的支持技术。目前，工作面已安全停在350m处。