综采工作面主动式超前支护技术研究与应用

赵上策ZHAO Shang-ce

（冀中能源集团邯郸矿业集团有限公司，邯郸056000）

1 概况

云驾岭矿于2021 年开始开采下组煤19101 工作面，计划对8#和9#煤进行联合开采。而根据19101 工作面两巷掘进期间揭煤情况，工作面不具备联合开采条件，从而调整为开采9#煤层。因工作面两巷掘进期间沿8#煤顶板进行，回采时两巷高度在5～7 米，现有的液压点柱支护方式已无法满足要求，进而提出采用主动式超前支护（高预应力锚索）代替传统支护的方案[2]。

2 矿压分析和支护设计

2.1 现场概况

2.1.1 工作面位置及四邻关系

19101 工作面为井田下组煤九一采区的首采工作面，工作面东部以19101 工作面运巷为界，西部以19101 工作面副巷为界，南部以设计切眼为界，北部以设计停采线为界。工作面运、副巷走向均长300 米，切眼斜长70 米。

2.1.2 煤层顶板岩性

8#煤层直接顶板为石灰岩。石灰岩厚4.85～6.07 米，平均5.46 米，深灰色，致密坚硬，不易垮落。

9#煤层直接顶板为粉砂岩、泥岩或岩浆岩。粉砂岩、泥岩厚0.80～1.66 米，平均1.23 米，局部被岩浆岩吞噬。

2.2 顶板岩性探测

2.2.1 观测方法和测站布置

为获得19101 运、副巷8#煤顶板岩层裂隙发育特征，于19101 工作面运巷、副巷内距19101 工作面切眼30 米、80 米、130 米、180 米和230 米处各布置5 个测站进行钻孔探测。每个测站设计1 个测孔，测孔布置在巷道顶板中部，测孔设计孔深8 米，直径32mm。采用钻孔摄像法将矿用钻孔成像仪直接送入测孔中进行观测，直观地反映钻孔内岩体不连续面（如层理、节理、裂隙）、顶板离层情况，为支护设计提供依据。钻孔探测布置如图1、图2 所示。

图1 19101 工作面钻孔探测测站布置图

图2 钻孔布置示意图

2.2.2 探测情况

根据各测站顶板岩性探测结果，以19101 工作面运巷Ⅰ测站处顶板探测成果为例。Ⅰ测站位于19101 工作面运巷内，距工作面切眼30 米，顶板岩层裂隙发育情况如图3、图4 所示。

图3 Ⅰ测站钻孔顶板岩层裂隙分布

图4 Ⅰ测站钻孔顶板岩层柱状图

由顶板岩性探测情况可看出，顶板岩层赋存比较稳定，无明显破碎或离层区域，具备主动支护。

2.3 制定支护技术方案

①基于受力平衡关系，且不考虑岩块之间的铰接关系，建立围岩变形预计模型[4]如图5 所示，分析回采巷现有支护情况。②制定回采巷道主动式超前支护技术方案。运巷支护方案：主动式超前支护锚索采用Φ21.8×L=7250mm高强度锚索进行加固[1][5]，每排两根，间排距为1650×4000mm，垂直顶板施工，配合2.75×320×2600mmW 型钢带使用；每根锚索采用3 根MSK2360 树脂锚固剂进行锚固，锚索预紧力不低于230kN。

图5 围岩变形预计模型图

19101 运巷主动式超前支护断面图如图6 所示。

图6 19101 运巷超前支护断面图

副巷支护方案：主动式超前支护锚索采用Φ21.8×L=7250mm 高强度锚索进行加固[1][5]，每排两根，间排距2200×4000mm，垂直顶板施工，配合2.75×320×2600mmW 型钢带使用；每根锚索采用3 根MSK2360 树脂锚固剂进行锚固，锚索预紧力不低于230kN。

19101 副巷锚索超前支护断面图如图7 所示。

图7 19101 副巷超前支护断面图

两巷设计主动式超前支护长度为50 米。

2.4 主动式超前支护强度校核

19101 工作面回采巷道均沿8#煤顶板掘进，两巷所受覆岩载荷均来自平均厚度为5.46 米的大青灰岩与平均厚度为3.40 米的粉砂岩。依照下列公式进行强度校核[3]：

式中，q 为19101 巷道所受均布载荷；k 为采动影响系数，取5.6；H 为开采高度，取H=2.8m；ρ1为大青灰岩容重，取ρ1=2610kg/m3；H1为大青灰岩平均厚度，取H1=5.46m；ρ2为粉砂岩容重，取ρ2=2500kg/m3；H2为粉砂岩厚度，取H2=3.40m；g 为重力加速度，取g=9.8N/kg；经校核，采取高预应力锚索补强支护后的支护强度能达到19101 运巷、副巷所需支护强度。

2.5 进行主动式超前支护方案矿压观测

①矿压观测。为了获得19101 工作面巷道矿压显现规律，巷道变形、锚索受力特征及松动圈发育规，分析主动式超前支护巷道的支护状态、质量、强度，在两巷各布置了5组观测站，每组测站包括2 个锚索应力计、1 个顶板离层仪、1 组“+”字变形观测点、1 个窥视孔[6]。②观测结果。19101 工作面设计回采长度238.5 米，在回采过程中通过对测站观测数据、主动式超前支护段巷道和工作面现场情况分析，主动式超前支护技术应用情况良好。（表1、表2）

表1 19101 工作面运顶板离层仪监测记录

表2 2021 年08 月15 日19101 工作面矿压监测数据

图8 矿压观测站

3 施工效果

3.1 经济效益 采用常规液压点柱支护时，每米巷道消耗木材（背顶）费用约1860 元。19101 工作面需进行超前支护巷道约600 米，自工作面开始回采至结束支出耗搪材费用600 米×1860 元/米=111.6 万元。工作面共生产3.5个月，开采过程中打设点柱、背顶等工序需人工6 人/天，人工费用：260 元/人/天×6 人×105 天≈16.4 万元。采用主动式超前支护时，实施课题共发生科研费用45 万元，支护材料费用3.9 万元，人工费用9.8 万元。通过本方案的实施，19101 工作面实现了无柱超前支护，节省费用：（111.6万元+16.4 万元）-（45 万元+3.9 万元+9.8 万元）=69.3 万元。

3.2 社会效益 通过本课题的实施，解决了19101 工作面超前支护问题，简化了支护工艺，提高了支护效率，为工作面快速推采创造了条件。工作面生产期间，创造了月推采108 米的佳绩。

4 结束语

主动式超前支护工艺已经在皖北矿区、山东、山西、河南等省份50 多对矿井中进行了应用，河北省内属首次应用。该支护工艺的应用，实现了厚、中厚、薄煤层及沿空留（掘）巷、双巷布置等生产地质条件下的长壁采煤工作面两巷主动式超前支护，对实现超前支护无人化、工作面开采智能化具有重大价值和意义，应用前景广阔。