钮长松
（国能乌海能源黄白茨矿业有限责任公司，内蒙古 乌海 016030）
摘 要： 注浆锚索式超前支护具有锚索锚固深度大、承载力高以及能够提高围岩整体性等特点，可 以有效解决现有工作面支护存在的巷道围岩完整性差、裂隙分布范围广的问题。以黄白茨矿021208 大断面运输巷道为研究背景，开展了注浆锚索式超前支护工艺的应用研究。根据021208运输巷顶板 围岩裂隙发展规律，设计了注浆锚索式支护关键技术参数并进行数值模拟，确定了浆液在围岩中的渗 透和扩散效率最高时的注浆压力和注浆施工时间范围。制定了两组注浆锚索超前支护技术顶板注浆 锚索布置方案，利用数值模拟软件确定了最佳的注浆锚索布置方案。在工业性试验中，采取分阶段超 前支护方法，实现注浆锚索超前支护技术与现有支护技术的有效衔接，通过现场矿压实测，采用注浆 锚索式超前支护技术后，巷道顶底板和两帮累计移进量最大仅为106 mm和200 mm；锚索最大受力为 282 kN，是其破断载荷的67.14%，承载性能良好，有效保证了021208运输巷道超前段围岩的稳定性， 实现了巷道超前段少人化，减轻了作业人员的劳动强度，提高了工作面的开采效率。该技术可以在类 似条件下的巷道超前支护中进行推广应用。
关键词： 超前支护；单体支柱；注浆锚索；支承压力
引 言
在煤矿生产过程中，回采巷道围岩稳定性直接影 响到工作面的安全生产。由于煤层采动的影响，工作 面前方一定范围内普遍存在着应力增大引起的巷道 变形破坏，威胁着工作面的安全生产。因此，有必要在 采动影响范围内加强支护。目前，除巷道开挖时的主 动支护方式外，工作面被动支护方式主要为单体支柱 配合铰接顶梁支护和自移式超前液压支架支护［1-2］ 。 前者支护方式简单，适应性强，但工作效率低，工人劳 动强度高，尤其是对于大采高综采工作面适用性一 般［3］ ；后者支护强度高，移架速度快，能满足煤矿安全 高效生产的要求。然而，支架在移动过程中会反复支 撑巷道顶板，使原有的支架系统受到一定的破坏［4］ 。
注浆锚索超前支护技术将注浆加固与锚索支护 有效结合，利用注浆对破碎围岩进行胶结加固，以改 善围岩整体性，提高锚索锚固力，进而达到加固控制 围岩的目的，具有锚索锚固深度大、承载力高等特点。 该技术可以有效解决现有工作面支护存在的巷道围 岩完整性差、裂隙分布范围广的问题［5-7］ 。自注浆锚杆 （索）支护技术推广应用以来，众多专家学者进行了研 究和探索。在现场应用方面，刘文涛等研发出一种新 型中空注浆锚索，与普通的注浆锚索相比，中空注浆 锚索施工工艺简单可靠，实现了锚注一体，提高了锚 索的承载力和支护强度［8］ 。王襄禹等［9］ 采用理论分析 的方法，研究了软岩巷道注浆锚杆（索）所形成的胶结 加固结构的承载特性，得出胶结加固体承载能力与其 流变变形量成正比的结论［9］ 。在理论研究方面，黄耀 光自主设计出岩石三轴浆液渗透仪，推算出破裂岩石 等效裂隙及渗透性演化模型，并利用这两个模型研究 了注浆锚杆（索）支护过程中的注浆等关键技术参 数［10］ 。许光亮等研究得出不同因素影响下水泥浆液扩 散距离及扩散速度的变化规律，水泥浆液的扩散半径 不随水灰比的增大而单调增大，而是存在一个合理的水灰比，使浆液的扩散范围达到最大，研究成果可用 于指导注浆工程实践，为注浆参数的定量设计提供理 论依据［11］ 。
以黄白茨矿 021208 运输巷道为背景，开展了注 浆锚索式超前支护工艺研究，确定了021208 工作面 运输巷道采用注浆锚索式超前支护工艺的参数，检验 了工业可行性，在现场实测中证明021208运输巷道 围岩得到了有效控制。
1 工程概况与支护问题分析
黄白茨矿位于乌海市乌达矿区中部，21208运输 巷北侧为12 层实体煤和F22断层，东侧为1201采空 区，南侧为1212轨道上山和1213回风上山等开拓巷 道，西侧为 021208 未开采工作面。12 号煤是该地区 最厚的煤层。根据对021208工作面及工作面周边勘 探钻孔分析，021208 工作面煤厚为 2.95~5.24 m，平 均 4.10 m，为厚煤层。煤层倾角为 3°~10°，平均倾角 为 5°，为近水平煤层。煤层结构复杂，距 10 号煤层 35 m 左右，岩性主要为粉砂岩、泥岩和中粗砂岩。煤 层面积的可采率为99.2%。煤层厚度的变异系数（γ） 为31%，可采指数（Km）为0.97。煤层顶底板岩性特征 见表1。
表1 煤层及顶底板情况
1.1 原支护方案
021208运输巷道顶板选用“金属网+钢带+锚杆+ 锚索”支护，两帮选用“铺设塑料网+玻璃钢锚杆”支 护。顶部锚杆选用 ϕ20 mm×2 500 mm 左旋无纵筋螺 纹钢锚杆，间排距为 900 mm×1 000 mm；锚索选用 ϕ21.8 mm×6 300 mm钢绞线，间排距1 350 mm×2 000 mm； 巷道煤壁两帮选用ϕ18 mm×1 800 mm玻璃钢锚杆，间 排距1 000 mm×1 200 mm，帮角锚杆距顶板500 mm。 顶帮锚杆、锚索分别用2 段和4 段k2335快速树脂药 卷锚固。运输巷支护断面如图1所示。
图 1 运输顺槽支护断面
1.2 存在问题
（1）由于运输巷矩形断面为5 000 mm×3 600 mm， 选用单体液压支柱进行超前支护一定程度上减少了 巷道的有效通风断面，增加了不规则工作面液压支架 的增减难度，特别是在厚煤层大断面回采巷道中频繁 搬移支柱加大了工人的劳动强度和安全管理的难度， 当工作面快速推进时，不利于工作面综合机械化高效 安全生产。
（2）该巷道超前段采用单体液压支柱配合铰接顶 梁进行加强支护，可有效控制巷道围岩变形。但由于 超前支承压力和单体支柱反复支撑顶板，围岩完整性 差，裂缝分布广，锚杆（索）锚固性能差，支护强度低。
2 注浆锚索式支护技术
2.1 注浆关键技术参数
根据 021208 运输巷顶板围岩裂隙发展规律，确 定工作面前方40 m为合理的注浆位置；确定合理的 钻孔深度为6 000 mm，注浆材料为425普通硅酸盐水 泥，水灰比为0.8；利用COMSOL数值模拟软件对支护 的关键技术参数进行模拟，对不同注浆压力和时间 段下浆液的渗透扩散效果进行分析。结果表明，当注 浆压力在 3 MPa～4 MPa，注浆 8～10 min 可产生良 好的浆液扩散效果，浆液扩散效果为在注浆压力位 于1 MPa～5 MPa时，浆液扩散半径受注浆压力的影响 逐渐降低，同时在注浆压力为3 MPa～4 MPa时，浆液 扩散半径的增长速度能够达到最高，增长比例位于 10%以下；浆液在注浆压力的作用下向巷道顶板围岩内部渗透扩散，随着注浆时间的增加，其在围岩内的扩 散半径也随着增加，但增长速率表现为先增加后减小 的规律，在注浆施工时间达到10 min以上时浆液扩散 半径的增长速度较高，增长比例在10%以下，能够达 到较好的扩散效果。
2.2 注浆锚索布置形式模拟方案
根据 021208 运输巷道工程条件和现有支护，制 定了两组注浆锚索超前支护技术顶板注浆锚索布置 方案：
方案一：注浆锚索与原有锚杆索插空布置，每排 布置3 根注浆锚索，相邻锚索间距为1.35 m，中间锚 索布置在巷道中央，靠近两帮锚索布置在距两壁 1.15 m处，相邻排间距为2 m。
方案二：注浆锚索与原有锚杆索插空布置，每排 布置2 根注浆锚索，2 根注浆锚索关于巷道中心线对 称，间距为 2 m，两根注浆锚索与相邻巷帮之间的距 离均为1.5 m，且相邻排间距为2 m。两组注浆锚索布 置模拟方案如图2所示。
图2 注浆锚索布置模拟方案
利用COMSOL数值模拟软件对两种布置方案下 顶板围岩浆液的渗透和扩散形式进行综合比较分析， 选择合理的布置方案，为现场注浆锚索超前支护的技 术方案设计和施工提供理论依据。
2.3 控制效果分析
选取注浆压力及时长分别为4 MPa和8 min对两 种方案进行模拟。根据“木桶效应”，在相邻两组锚索 中间布置纵向测面，以研究两种方案垂直顶板的浆液 渗透扩散形态，所得浆液横纵向扩散形态如图 3 所示。
图3 不同方案围岩内部浆液扩散形态
通过对纵向测面浆液扩散原始数据进行分析，绘 制出两种方案浆液压力衰减曲线，如图4所示。
图4 相邻两组注浆锚索中间剖面浆液压力衰减曲线
由图4可得，两种方案注浆锚索中间剖面浆液压 力衰减曲线相似，方案一的曲线略高，浆液渗透扩散 距离更远。同时由图3可知，由于方案一中间锚索的 布置，在两组锚索中部浆液压力较弱的区域，方案一 具有更高的浆液压力，使得该区域的浆液在巷道围岩 中渗透扩散得更加充分。综上分析，最终选择方案一 作为021208运输巷注浆锚索式超前支护技术的注浆 锚索布置方案。
采用有限元数值模拟软件FLAC3D 对工作面回采 期间 021208运输巷超前段围岩稳定性进行模拟，对 比分析采取注浆锚索式超前支护前后巷道围岩变形、 塑性区及应力分布，如图5所示。
图5 注浆锚索式超前支护工艺采用前后计算结果
（1）由图5（a）可知，当采用注浆锚索式超前支护 技术加强支护021208运输巷超前段时，仅工作面附 近顶板浅部围岩存在拉伸破坏，可见此时巷道顶板围岩仍具有一定的承载力。
（2）由图5（b）可知，当对巷道超前段采用注浆锚 索式超前支护技术进行加强支护后，应力集中区向煤 柱深部转移，实现了对实体煤柱的保护。
综上分析，黄白茨矿 021208 运输巷注浆锚索式 超前支护技术可有效控制巷道围岩稳定性。
3 工业性试验
3.1 现场工程应用
为不影响工作面安全生产，采取分阶段超前支护 方法，实现注浆锚索超前支护技术与现有支护技术的 有效衔接，具体分为两个阶段实行：
第一阶段（试验段）：靠近原超前支护形式区25 m， 仅保留煤柱帮单体液压支柱配合注浆锚索进行超前 支护。
第二阶段（完全实行段）：靠近试验段75 m，撤去 单体液压支柱，全部采用注浆锚索式超前支护。
分阶段差异化超前支护如图6所示。
图6 分阶段差异化超前支护
3.2 矿压观测
试验段长度为25 m，在距工作面10 m和20 m处布 置1 号和2 号测站；完全实行段长度为75 m，设置2 组 测站，3 号、4 号测站距2 号测站分别为15 m、30 m。
3.2.1 巷道围岩变形规律
选取各阶段超前工作面25 m范围内巷道围岩变 形数据进行对比分析，021208 运输巷各阶段测站超 前 25 m 巷道两帮及顶底板位移数据如图 7、图 8 所示
图7 巷道两帮移进量
随着测站与工作面距离逐渐减小，021208 运输 巷道顶底板及两帮相对移进量逐渐增大，其增长速度 呈上升趋势。当021208运输巷道位于完全实行段时， 巷道顶板底和两帮累计移进量最大分别为106 mm和 200 mm，变形较小，此时围岩稳定性较好。
由此可见， 注浆锚索式超前支护技术能有效控制021208运输巷 道变形。 3.2.2 锚索轴向受力 为分析锚索与围岩的协同关系，对注浆锚索式超 前支护区域锚索的轴向应力进行了监测，021208 运 输巷道注浆锚索式超前支护区各阶段测站超前工作 面25 m内锚索轴向受力如图9、图10所示。
图9 试验段锚索轴向受力情况
图10 完全实行段锚索轴向受力情况
由图9、图10可知，完全实行段的注浆锚索轴向 受力更强，靠近工作面煤壁侧锚索受力最大，为 282 kN，是其破断载荷的67.14%，说明注浆锚索强度还存 在一定的富余，承载性能良好，不会出现锚索破断及 锚固失效的现象。
4 结 论
（1）根据 021208 运输巷顶板围岩裂隙发展规 律，设计了注浆锚索式支护关键技术参数并进行数 值模拟，当注浆压力控制在 3 MPa~4 MPa，注浆施工 持续 8~10 min 时，浆液在围岩中的渗透和扩散效率 最高。
（2）根据021208运输巷道工程条件和现有支护， 制定了两组注浆锚索超前支护技术顶板注浆锚索布 置方案，利用数值模拟软件比较两种布置方案下顶板 围岩浆液的渗透和扩散形式，确定了最佳的注浆锚索 布置方案。
（3）在工业性试验中，为避免影响工作面安全生 产，采取分阶段超前支护方法，实现注浆锚索超前支 护技术与现有支护技术的有效衔接。通过现场矿压实 测，采用注浆锚索式超前支护技术后，巷道顶底板和 两帮累计移进量最大仅为106 mm和200 mm；锚索最 大受力为282 kN，是其破断载荷的67.14%，承载性能 良好，有效保证了021208运输巷道超前段围岩的稳 定性，减少了单体液压支柱的安装和搬运工序，实现 了巷道超前段少人化，减轻了作业人员的劳动强度， 增大了液压支架撤架时的有效空间，提高了工作面的 开采效率。
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乾坤矿装的便携式螺旋支柱介绍
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乾坤矿装的便携式螺旋支柱是一款矿井临时支护设备，是矿井适用的金属单体支柱。
便携式螺旋支柱由五部分组成：上承压板、上支柱、螺杆、下支柱、下承压板。
具有轻便、结构简单、价格实惠、可回收反复使用、可远距离拆除等特点。
上承压板：
尺寸：63型号的为175mm x 175mm;
48型号的为150mm x 150mm
上承压板主要用于增大支柱与顶板的接触面积，从而加大支柱承压重量。四个触角有利于加大支柱在支护时的抓取力度，防止滑动，确保支柱持久支护和稳固。
下承压板：
下承压板尺寸与上承压板尺寸相同：
63型号的为175mm x 175mm;
48型号的为150mm x 150mm
下承压板主要用于增大支柱与底板的接触面积，从而加大支柱承压重量。中心的回环有利于加大支柱下承压板与下支柱的契合，加大在支护时的抓取力度，防止滑动，确保支柱持久支护和稳固。
上支柱：
由无缝钢管制造而成，钢管壁厚4mm。支柱有63和48两种型号，63和48指的是钢管的直径，直径越大，支柱的承重能力越大；直径越小，支柱承压能力越小。
相对于下支柱，上支柱稍长。
下支柱：
由无缝钢管制造而成，钢管壁厚4mm。支柱有63和48两种型号，63和48指的是钢管的直径，直径越大，支柱的承重能力越大；直径越小，支柱承压能力越小。
相对于上支柱，下支柱稍短。
支柱常用的规格型号有：1.5米，1.8米，2.米，2.5米，3米，3.5米。
便携式螺旋支柱的含义：以1.5米为例，金属钢管直径有48和63两款，最高支撑高度为1.5米。该款支柱可支撑1-1.5米范围内的任意高度，其他以此类推。
钢管直径越大，支柱承重越大，可支撑高度越高；支柱高度越高，支柱承重越小。
螺杆：
支柱的螺杆由螺纹钢特制而成。
特制螺杆，尺寸为80厘米，安装在支柱上以后主要用来保证支护的升缩，一般升缩在50厘米之间。我们确认的型号为拉升后可支撑的高度，比喻63-3.5.就是这根支柱最高可支撑3.5米的高度，最低可支撑3米的高度，之间可以拧动螺杆拉升，可以支撑3-3.5米之间的任意高度。
在螺杆的中间有4个齿状设计，主要是方便员工使用时升缩方便。
乾坤矿装的这款便携式螺旋支柱，参数经过多次试验和客户使用数据验证的，正是因为这个原因，培新矿机的这款支柱不能超高度超承载能力使用，超高和超载使用将影响支柱的稳定性，甚至发生安全事故；也正因为这个原因，本着客户至以上，一切从客户的利益出发的原则，培新矿机不提供定制和特殊规格的制作。为此，很多客户不理解，指责我们不满足客户需求。
其实，这款支柱自从研发十年来，我们的客户遍布全国各地，得到了客户的一致好评，虽然我们拒绝过不少的客户，但十年来，我们从没有因为质量和使用问题接到客户投诉，是一款轻便、简单、实用、实惠的好产品。
便携式螺旋支柱适用范围：
1、所有采场风爆工、出渣工、支护工作业时；
2、顶板破碎、倒三角节理发育、岩石不稳固的掘进工程作业时；
3、巷道破碎进行永久支护前。
便携式螺旋支柱使用方法和要求：
1、作业人员经过通风 、洒水、处理完松石后方可进行螺旋支柱支护；对上盘不稳固的采场要用锚杆和螺旋支柱结合支护。
2、支护时首先要根据矿体倾角或岩石破碎情况选择好支柱使用地点，在支柱的上下端均垫加长度适宜的木板，沿进入作业面的方向向前逐根支护，调整支柱顶住顶底板，用套管将丝杠拧紧确认无误后，方可进行作业。对当场用两根撬棍也无法撬下、需动炮处理的松石，对顶板破碎及上下盘围岩滑帮比较明显的采场，对上部有采空区的地点，必须进行加密支护。
3、便携式螺旋支柱支护时必须根据作业面的采幅宽度和顶板压力来确定使用支柱的数量，每个矿房不少于15根螺旋支柱。2米以上采幅采用双排支柱支护，1.5米以下的采幅采用单排支护，但不论是单排还是双排支柱支护，顶部都必须加承压板、木板等护住顶板，以加大接触面积。
4、便携式螺旋支柱不能超高度超承载能力使用（具体要求见附表），超高和超载使用将影响支柱的稳定性，甚至发生安全事故。
5、作业过程中，作业人员要经常检查丝杠松紧和顶板变化情况，及时将支柱拧紧，确保作业安全。
6、风爆工装药结束后，要按顺序由前向后依次拆卸支柱并清点数量；拆卸支柱时要及时观察顶板变化情况，发现异常立即停止拆卸，迅速撤离。
7、出渣工和支护工作业完毕后，须对丝杠重新紧固确认无误方可离开作业现场。撤下来的支柱须将螺母调至最低点，将丝杠置于套管内进行防护。
便携式螺旋支柱使用规定
1、无论作业现场的岩石结构是否存在危险，出渣工、风爆工在进行采矿或掘进作业时必须使用、支护工在顺路支护时必须使用、使用时必须按照上述方法规范支护。
2、把螺旋支柱的使用作为作业现场安全确认的重要内容，带班长或跟班领导必须在确认卡上填写支柱使用情况。
3、螺旋支柱要作为工具进行管理，要及时涂油防锈。使用时必须轻拿轻放，不得随意乱扔。
4、支柱外表出现损伤（如开裂、压扁、明显弯曲等）不能继续使用。
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