掘进工作面破碎顶板超前预加固技术的应用

1 工程概况

济宁二号井煤矿93下10工作面运顺设计沿原93下10运顺扩刷，原巷道于2013年3-12月份施工，受上覆93上15工作面回采动压影响，局部区段完全垮冒。

93下10工作面所采煤层为3下煤，3下煤层标高-745.5～-784.6m，平均-765.1m；地面标高+33.34～+42.81m，平均+35.73m。3下煤与3上煤采空区间距7.6~21.1m，其中掘进开口附近煤层间距21.1m，切眼附近煤层间距7.6m。

93下10运顺扩刷掘进时，破碎顶板及垮冒碎石“随掘随冒”，严重影响掘进安全与掘进效率。下图1-1为现场垮冒段顶板“V”型断裂与冒落矸石“松散”堆积图。

2 原支护方案及存在的问题

93下10运顺新巷道设计长度743.27m，服务年限3年，断面为宽×高=4800（5000）×3600mm。巷道超前支护采用树脂锚杆，间距300mm，倾角5°；支护锚杆采用φ22×2400mm高强树脂锚杆，间排距800×800mm；锚索采用φ22×7000mm的树脂锚索，间排距1200×800mm。

原支护存在以下问题：（1）冒落矸石松散堆积，受掘进扰动，流动垮落；（2）已垮冒的顶板围岩失去自稳性能，采用超前树脂锚杆支护刚性太低；（3）巷道围岩破碎严重，普通树脂锚杆/索锚固不可靠，其次顶板岩梁不是稳定层，起不到悬吊支护作用。

3.破碎顶板巷道围岩超前预加固技术

破碎顶板巷道围岩发育有大量原生裂隙、构造裂隙，裂隙面粘结强度低，围岩易松弛滑落。为防止顶板破碎围岩的滑落，传统上超前支护与临时支护多采用被动式支撑式支护，平衡破碎围岩的重力。新高预紧力斜拉中空注浆锚索采用主动围岩控制作用，原理如下：

（1）通过锚索预紧力挤压顶板破碎围岩，提高裂隙面之间的力学参数，起到主动支护围岩体的作用；（2）斜拉锚索的竖向分力主动平衡了围岩体的重力，对破碎顶板围岩主动支撑；（3）中空注浆锚索注浆全锚，提高了超前支护系统的刚性，顶板破碎围岩在微小扰动下即及时受到锚索的支护；（4）对于大的裂隙，浆液填充裂隙空间，对顶板破碎围岩预加固。

本技术主要采用可注稠浆的中空锚索与双组份无机速凝稠浆材料，短时间提内对破碎顶板的超前支护，具体方案如下：

（1） 采用高强支护材料，减小超前支护间距，提高超前支护效率。中空注浆锚索直径不低于φ22mm，破断力不低于400KN。

（2） 锚索注浆全锚，提高了超前支护系统的刚性，顶板破碎围岩在微小扰动下即及时受到锚索的支护。注浆材料采用速凝无机材料，混合的浆液固结用时短、强度高、不收缩，锚固效果好，锚固可靠。

（3） 顶板破碎围岩裂隙发育，锚索注浆可实现围岩体的注浆加固，要求采用的速凝无机材料的混合浆液稠度高、不自流，固结用时短。传统注浆材料扩散流动性好，浆液因自重作用向下流动，不能充填加固上部裂隙，存在浅部顶板围岩整体垮冒的可能性。

（4） 破碎围岩裂隙发育，通过主动挤压力，减弱弱面效应，提高顶板围岩的整体性。中空注浆锚索端头树脂锚固，及时施加预紧力，预紧力不低于100KN。

（5） 锚索为柔性材料，抗拉不抗弯。中空注浆锚索采用斜拉方式，倾角40°~60°，沿巷道轴线分力挤压破碎围岩，垂向分力对顶板围岩起支撑作用。

（6） 锚索要求锚固在稳定岩层中，顶板的深度＞4.0m。超前支护中空注浆锚索的长度不低于6.0m。

（7） 破碎顶板围岩自稳性差，为提高掘巷效率，执行一排一支一注浆，适当提高超前注浆锚索间距。超前注浆锚索间距不低于1000mm，排距不高于1000mm，优先5.5m宽巷道，顶板可均布3颗超前中空注浆锚索。

4.技术方案

1.支护原则

（1）工作面迎头施工高预紧力斜拉中空注浆锚索，及时注浆，控制巷道破碎顶板的“随掘随冒”；

（2）巷道扩刷开挖后，及时锚网索或者架棚支护，提高破碎巷道的主动支护能力；

（3）为减小巷道后期及采动变形，滞后补打注浆锚索加固/支护巷道。

2.支护设计方案

施工顺序：迎头施工斜拉中空注浆锚索→预注浆固化顶板围岩→截割→锚网索支护/架棚支护→滞后二次锚注支护。

（1）截割前，采用中空注浆锚索对巷道迎头前方3~5m范围内顶板围岩进行加固。中空注浆锚索规格为φ22×7300mm，每排施工3根，锚索角度为水平向上45-75°，采用一根CK23/70锚固剂进行端锚，见下图4-1。使用双组份无机速凝注浆材料进行超前预注浆加固，浆液5-10min初凝，1h抗压强度达15MPa。

（2）待迎头顶板凝固后，采取小循环截割掘进，每循环掘进进尺不大于1.5m，排距不大于0.8m。截割后进行锚网支护，顶部采用树脂锚杆规格为Φ22×2400mm，间排距为800×800mm。

（3）迎头锚网支护完毕后，紧跟迎头进行架设单体棚进行加强支护，架棚距离迎头不大于2排，其中棚梁使用长5000mm的矿用12#工字钢，棚腿采用适合现场高度的单体液压支柱，采用200×200×1200mm方木、120×60×1200mm半圆木等木料配合接顶，采用木楔刹紧。

（4）架棚支护后，滞后施工中空注浆锚索，规格φ22×7300mm，方向与巷道岩面垂直，间排距1600*1600mm，采用MZM-70高强无机注浆锚固料进行注浆加固。支护图见下图4-2/4-3。

5.工程试验效果

1.工程效果

超前预注浆使用DZM-50双组份无机注浆加固料，水灰比1:2.5，使用2ZBQ-9/6型矿用气动双缸注浆泵，混合比1:1。效果图如下图5-1/5-2：

2.超前预注浆分析

中空注浆锚索DZM-50双液无机注浆量（袋）统计图如下图5-3，由注浆量统计图分析：

（1）单根锚索注浆量多数处于10~15袋范围，少数锚索注浆量＜5袋，极少数锚索注浆量＞25袋；

（2）单根锚索注浆量变化较大，通常1颗注浆量较大，附近锚索注浆量较小；

（3）依据统计，左侧锚索29颗总注浆量329袋，每颗锚索平均注浆11.3袋；中间锚索25颗，平均每颗锚索注浆13.3袋；右侧锚索17颗，平均每颗锚索16.3袋；注浆锚索数量与单颗注浆量呈反比；

（4）合计施工63排，总注浆量937袋，平均每排14.87袋，合0.37t/排。

3.滞后注浆统计分析

中空锚索滞后高强注浆MZM-70统计图表如下图5-4，由统计图分析：

（1） 滞后注浆锚索统计23颗，合计注浆量78袋，平均每颗锚索注浆3.39袋，合84.75Kg；

（2） 依据统计表，613排之前，锚索注浆量2~3袋；615排之后，锚索注浆量3~5袋；

（3） 滞后高强注浆的主要目的是锚杆索全锚，相对超前注浆量大大降低。

6.结论

（1）高预紧力斜拉中空注浆锚索锚注/全锚超前支护，提高了破碎顶板围岩的自稳性，杜绝了巷道受扰动“随掘随冒”，解决了破碎顶板围岩巷道的超前支护的难题。

（2）超前预注浆浆液固结时间短，不影响正常掘进，施工效率高；超前支护成本低，经济效益高；超前支护效果好，满足破碎顶板巷道围岩控制的要求。