寺河煤礦大采高工作面留巷巷道錨桿支護(hù)技術(shù)研究

摘 要：分析了寺河煤礦大采高工作面留巷巷道地質(zhì)和生產(chǎn)條件，提出了 43014 留巷巷道的高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿一次支護(hù)設(shè)計(jì)；通過(guò)提高錨桿強(qiáng)度和剛度、增加其施工中的預(yù)緊力，加大護(hù)表構(gòu)件的面積，充分調(diào)動(dòng)了圍巖的自身承載能力。井下實(shí)踐表明，高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)，解決了寺河煤礦大采高工作面留巷巷道的大變形難題，支護(hù)實(shí)踐取得滿意效果。

　　寺河煤礦位于沁水煤田東南邊緣，2006 年核定礦井生產(chǎn)能力 1080 萬(wàn) t/a，井田面積約 230 km 2 ，南北

走向長(zhǎng)約 12 km，東西傾斜寬約 23 km，地質(zhì)儲(chǔ)量 15億 t?，F(xiàn)主采 3 號(hào)煤層，平均厚度 6.31 m，可采儲(chǔ)量

2.1 億 t。屬于罕見(jiàn)的高瓦斯礦井，瓦斯成為制約礦井產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。寺河煤礦采用大采高一次采全高

的回采工藝，推進(jìn)速度快、平均日進(jìn) 10 m 以上，采動(dòng)影響很劇烈。由于煤層瓦斯含量很高，為了滿足掘

進(jìn)、回采、運(yùn)輸、通風(fēng)的基本要求，巷道斷面顯著增大，巷道跨度 5.0 m 以上，巷道高度 3.8 m 以上，支護(hù)

難度很大 ；需要掘進(jìn)的回采巷道數(shù)量較多，一般達(dá)到五條，巷道之間應(yīng)力疊加，留巷巷道掘進(jìn)和支護(hù)的

難度更高  。

1 原留巷支護(hù)的存在問(wèn)題

　　目前，寺河煤礦煤巷主要采用錨桿支護(hù)形式，提高了巷道支護(hù)安全程度，降低了綜合支護(hù)成本，取得

了顯著效益 [4-6] 。近幾年來(lái)進(jìn)行著大采高工作面留巷的研究工作，留巷巷道采用二次支護(hù)方式（先用普通

支護(hù)強(qiáng)度支護(hù)巷道，工作面回采后，再用二次加固方式）提高巷道的支護(hù)強(qiáng)度。這種留巷方式的主要問(wèn)題

是：(1)支護(hù)強(qiáng)度偏低：頂板采用 Φ 20mm的 BHRB335的螺紋鋼錨桿，幫錨采用 Φ 18mm 的圓鋼錨桿，補(bǔ)強(qiáng)

錨索直徑 15.24 mm，支護(hù)材料破斷力都很小，容易發(fā)生破斷。(2)二次支護(hù)：二次加固巷道圍巖已經(jīng)局部破

壞，承載能力已大大下降，由于沒(méi)有及時(shí)有效地主動(dòng)支護(hù)，不能充分利用圍巖自身的承載能力，支護(hù)難度

加大，很難抑制巷道的持續(xù)破壞。(3)巷道返修量大：受采掘兩次動(dòng)壓影響巷道變形嚴(yán)重，底鼓變形劇烈，

兩幫收斂大，要經(jīng)多次起底和刷幫才能保證足夠通風(fēng)，影響回采正常推進(jìn)。

2 試驗(yàn)巷道的生產(chǎn)地質(zhì)概況

      4301 工作面為大采高一次采全高的東四盤區(qū)首采工作面，西為東四盤區(qū)六條集中大巷，南為 33064

巷，其余為未采掘區(qū)域。由南向北依此有 43011 和43015 巷，其中 43012、43014 巷為留巷巷道，工作面

西側(cè)布置回撤通道，回采巷道、切眼、回撤通道均沿煤層底板掘進(jìn)。見(jiàn)圖 1。

      4301 工作面主采 3 號(hào)煤層，埋深平均 438 m，煤厚平均 6.3 m，中部夾 0.1 m 泥巖，見(jiàn)細(xì)小縱向方解石

脈。煤層傾角平均 5°，全區(qū)穩(wěn)定可采，單軸抗壓強(qiáng)度21.9MPa；老頂為 2.81 m厚的細(xì)粒砂巖，致密堅(jiān)硬；直

接頂為 13.12 m 厚的粉砂巖，單軸抗壓強(qiáng)度 75.6MPa；偽頂為 0.20 m 厚的炭質(zhì)泥巖，單軸抗壓強(qiáng)度

35.6MPa。

　　采用水壓致裂法進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明：寺河煤礦 4301 工作面附近最大主應(yīng)力 13.83MPa，方向

為 N43.2°E，呈北偏東方向；最小主應(yīng)力 7.16 MPa，方向?yàn)?N46.8°W，呈北偏西方向。最大、最小主應(yīng)力

為近水平主應(yīng)力。中間主應(yīng)力為垂直應(yīng)力 8.68MPa。

3 巷道的數(shù)值模擬分析

　　三條巷道掘進(jìn)后，圍巖及煤柱內(nèi)部最大垂直應(yīng)力為 14 MPa，最大水平應(yīng)力為 30 MPa，見(jiàn)圖 2- a；

4301 工作面回采后，巷道圍巖及煤柱內(nèi)部應(yīng)力呈現(xiàn)非對(duì)稱現(xiàn)象。43012 巷與 43013 巷之間煤柱(35 m)內(nèi)

部最大垂直應(yīng)力達(dá) 52 MPa，分布在工作面往煤柱一側(cè) 2m～8m范圍，并往煤柱內(nèi)部方向逐漸減小；煤柱

內(nèi)部最大水平應(yīng)力達(dá) 44MPa，見(jiàn)圖 2- b。

     43014 巷在掘進(jìn)期間，巷道變形較小，模擬數(shù)據(jù)顯示：最大頂板下沉 11 mm，最大底鼓 80 mm，兩幫變

形 46mm。巷道圍巖的破壞區(qū)域主要分布在巷道的四周，見(jiàn)圖 3(a)，底板破壞程度相對(duì)較大，破壞區(qū)在 2 m

范圍之內(nèi)?；夭善陂g，受到劇烈動(dòng)壓影響，巷道圍巖變形顯著增加，頂板最大下沉 59 mm，最大底鼓 294

mm，靠近 4301 工作面的巷幫移近達(dá) 254 mm，遠(yuǎn)離4301 工作面的巷幫移近量 129mm。巷道破壞范圍明

顯增大，見(jiàn)圖 3(b)，底板破壞范圍達(dá)到 4 m，巷幫破壞范圍在 2m～3 m之間，并且靠近 4301 工作面?zhèn)认飵?/p>

破壞相對(duì)嚴(yán)重；但是現(xiàn)有煤柱大小和強(qiáng)力錨桿支護(hù)強(qiáng)度完全能滿足巷道的安全使用。

4 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

　　通過(guò) FLAC數(shù)值模擬進(jìn)行比較，確定 43014 巷采用樹(shù)脂錨固組合強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)，并且進(jìn)行錨索

補(bǔ)強(qiáng)。巷道掘進(jìn)斷面呈矩形，寬度 5.0 m，高度 3.8 m，面積 19.0m 2 。見(jiàn)圖 4。

1）頂板支護(hù)：強(qiáng)力錨桿采用 SMG500 材質(zhì)、桿體Φ22 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度 2 400 mm，桿尾

螺紋 M24 mm；錨桿排距 1 000 mm，每排 6 根錨桿，間距 900mm；采用兩支樹(shù)脂錨固劑進(jìn)行加長(zhǎng)錨固，一支規(guī)格為CK2335，另一支規(guī)格為Z2360；鉆孔直徑30mm，錨固長(zhǎng)度1200mm；W鋼帶規(guī)格 BHW- 280- 4- 4800- 6；托板規(guī)格 150mm×150mm×10mm；采用菱形網(wǎng)護(hù)頂，規(guī)格 5200mm×1100mm。采用高強(qiáng)錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，直徑 Φ22mm，長(zhǎng)度 7 300 mm；采用三支錨固劑進(jìn)

行加長(zhǎng)錨固，一支規(guī)格為 CK2335，另兩支規(guī)格為Z2360；每排 2 根錨索，間距 2 000 mm，排距 1000

mm；采用 300 mm×300 mm×16 mm高強(qiáng)度可調(diào)心托板及配套鎖具。

2）巷幫支護(hù)：強(qiáng)力錨桿采用 SMG500 材質(zhì)、桿體Φ22 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度 2 000 mm，桿尾

螺紋 M24 mm；錨桿排距 1 000 mm，每排每幫 4 根錨桿，間距 1 000 mm，錨固方式與頂板相同；W 鋼護(hù)板規(guī)格 400 mm×280 mm×4 mm；采用菱形網(wǎng)護(hù)幫，規(guī)格 3 600 mm×1 100 mm。錨索采用直徑 Φ22 mm，長(zhǎng)度 4 400 mm，錨固方式與頂板相同；每排 2 根錨索，間距 2000mm，排距 1000mm。

3）底板支護(hù)：錨桿規(guī)格與頂板錨桿參數(shù)相同，錨桿排距 1 000 mm，每排 4 根錨桿，間距 4 000(250)mm，錨桿與鉛垂線呈 30°向巷幫打設(shè)，其它錨桿與底板垂直打設(shè)；首先采用一支規(guī)格為 Z2360 的樹(shù)脂

錨固劑進(jìn)行端部錨固，鉆孔直徑 30 mm，錨固長(zhǎng)度550 mm，然后灌注水泥漿進(jìn)行全長(zhǎng)錨固，水泥標(biāo)號(hào)

525 號(hào)，水灰比 0.5：1；W 鋼護(hù)板規(guī)格 400 mm×280mm×4 mm，托板規(guī)格 150 mm×150 mm×10 mm。見(jiàn)圖 4。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和礦壓監(jiān)測(cè)強(qiáng)力錨桿一次支護(hù)方案在寺河礦 43014 巷試驗(yàn)后，有效地控制住巷道變形，加快了掘巷速度，提高了安全程度。

5.1 錨桿錨索受力監(jiān)測(cè)

　　采用測(cè)力錨桿監(jiān)測(cè)錨桿受力，采用錨索測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)錨索受力。圖 5- a 為頂板錨桿受力監(jiān)測(cè)曲線，圖5- b 為錨索受力監(jiān)測(cè)曲線。

　　監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，錨桿受力最大部分基本在第 5、6對(duì)應(yīng)變片的位置，該位置剛好處于錨桿尾部自由段，

說(shuō)明在增大預(yù)緊力的情況下，采用加長(zhǎng)錨固技術(shù)是合理的。隨著掘進(jìn)推進(jìn)，錨桿受力逐步增大，最終穩(wěn)

定在 150 kN 左右，約為錨桿破斷力的 50 %～60 %，能充分發(fā)揮錨桿的有效作用，真正起到主動(dòng)支護(hù)作

用。錨桿受力增長(zhǎng)較平穩(wěn)，說(shuō)明錨桿初始預(yù)緊力較好地控制住了巷道離層和圍巖變形。對(duì)于錨索受力，錨

索初期預(yù)緊力達(dá)到 120kN左右，回采期間錨索最大受力360kN，為錨索破斷力的 67 ％；錨索受力增長(zhǎng)較

平穩(wěn)，說(shuō)明支護(hù)強(qiáng)度安全可靠，能夠及時(shí)地控制巷道圍巖微裂隙的張開(kāi)和新裂紋的產(chǎn)生。

5.2 巷道表面圍巖監(jiān)測(cè)

見(jiàn)圖 6，圖中數(shù)據(jù)為回采前后巷道的位移。從圖中曲線變化趨勢(shì)講，試驗(yàn)段巷道在超前壓力影響段和采空區(qū)壓力影響段，兩幫位移較平緩，并且達(dá)到一定值后區(qū)域穩(wěn)定，兩幫位移量最大為 597mm。底鼓在滯后工作面 50 m范圍內(nèi)還不明顯；但在滯后 50m～350 m之間的某個(gè)時(shí)間段，底鼓量突然增大，并且底鼓較大、接近 450 mm；在同一巷道的其它地段，底鼓能達(dá) 1.5 m。但是目前，43014 工作面已經(jīng)進(jìn)入末采階段，巷道基本穩(wěn)定，底鼓不再增加，說(shuō)明強(qiáng)力錨桿支護(hù)可以很好控制巷道變形。

6 結(jié)束語(yǔ)

(1)從整體支護(hù)講，強(qiáng)力錨桿配合鋼帶支護(hù)的能力大大增強(qiáng)，經(jīng)對(duì)巷道綜合監(jiān)測(cè)，巷道頂板下沉量、兩幫收斂量、巷道底鼓量均控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，確保了巷道支護(hù)的可靠性，保證了礦井的安全生產(chǎn)。(2)從局部支護(hù)講，采用 W鋼護(hù)板護(hù)幫，施加在錨桿上的預(yù)緊力更容易通過(guò) W鋼護(hù)板擴(kuò)散到煤體深部。由于 W鋼護(hù)板便于貼幫，增大了護(hù)表面積，可適應(yīng)巷道的較大變形。(3)強(qiáng)力錨桿一次支護(hù)技術(shù)用于 43014 巷后，巷道變形得到了有效控制，兩幫變形控制在 600 mm以內(nèi)，頂板基本沒(méi)有下沉；并且留巷巷道避免了服務(wù)期間內(nèi)的大面積維修，生產(chǎn)成本可大幅度降低。