寺河煤礦大采高工作面留巷巷道錨桿支護技術研究

王文明，孫志勇，郭相平

（1.山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司 寺河礦，山西 晉城 048205；2.天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013）

寺河煤礦大采高工作面留巷巷道錨桿支護技術研究

王文明1，孫志勇2，郭相平2

（1.山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司 寺河礦，山西 晉城 048205；2.天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013）

分析了寺河煤礦大采高工作面留巷巷道地質和生產條件，提出了43014留巷巷道的高預應力強力錨桿一次支護設計；通過提高錨桿強度和剛度、增加其施工中的預緊力，加大護表構件的面積，充分調動了圍巖的自身承載能力。井下實踐表明，高預應力強力錨桿支護，解決了寺河煤礦大采高工作面留巷巷道的大變形難題，支護實踐取得滿意效果。

大采高工作面；留巷巷道；強力支護；高預應力

寺河煤礦位于沁水煤田東南邊緣，2006年核定礦井生產能力1080萬t/a，井田面積約230 km2，南北走向長約12 km，東西傾斜寬約23 km，地質儲量15億t。現主采3號煤層，平均厚度6.31 m，可采儲量2.1億t。屬于罕見的高瓦斯礦井，瓦斯成為制約礦井產量的關鍵因素。寺河煤礦采用大采高一次采全高的回采工藝，推進速度快、平均日進10 m以上，采動影響很劇烈。由于煤層瓦斯含量很高，為了滿足掘進、回采、運輸、通風的基本要求，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，支護難度很大[1]；需要掘進的回采巷道數量較多，一般達到五條，巷道之間應力疊加，留巷巷道掘進和支護的難度更高[2,3]。

1 原留巷支護的存在問題

目前，寺河煤礦煤巷主要采用錨桿支護形式，提高了巷道支護安全程度，降低了綜合支護成本，取得了顯著效益[4-6]。近幾年來進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方式（先用普通支護強度支護巷道，工作面回采后，再用二次加固方式）提高巷道的支護強度。這種留巷方式的主要問題是：(1)支護強度偏低：頂板采用Φ20mm的BHRB335的螺紋鋼錨桿，幫錨采用Φ18mm的圓鋼錨桿，補強錨索直徑15.24 mm，支護材料破斷力都很小，容易發生破斷。(2)二次支護：二次加固巷道圍巖已經局部破壞，承載能力已大大下降，由于沒有及時有效地主動支護，不能充分利用圍巖自身的承載能力，支護難度加大，很難抑制巷道的持續破壞。(3)巷道返修量大：受采掘兩次動壓影響巷道變形嚴重，底鼓變形劇烈，兩幫收斂大，要經多次起底和刷幫才能保證足夠通風，影響回采正常推進。

2 試驗巷道的生產地質概況

4301工作面為大采高一次采全高的東四盤區首采工作面，西為東四盤區六條集中大巷，南為33064巷，其余為未采掘區域。由南向北依此有43011和43015巷，其中43012、43014巷為留巷巷道，工作面西側布置回撤通道，回采巷道、切眼、回撤通道均沿煤層底板掘進。見圖1。

圖1 4301工作面巷道平面布置示意圖

4301工作面主采3號煤層，埋深平均438 m，煤厚平均6.3 m，中部夾0.1 m泥巖，見細小縱向方解石脈。煤層傾角平均5°，全區穩定可采，單軸抗壓強度21.9MPa；老頂為2.81 m厚的細粒砂巖，致密堅硬；直接頂為13.12 m厚的粉砂巖，單軸抗壓強度75.6MPa；偽頂為0.20 m厚的炭質泥巖，單軸抗壓強度35.6MPa。

采用水壓致裂法進行地應力測試結果表明：寺河煤礦4301工作面附近最大主應力13.83MPa，方向為N43.2°E，呈北偏東方向；最小主應力7.16 MPa，方向為N46.8°W，呈北偏西方向。最大、最小主應力為近水平主應力。中間主應力為垂直應力8.68MPa。

3 巷道的數值模擬分析

三條巷道掘進后，圍巖及煤柱內部最大垂直應力為14 MPa，最大水平應力為30 MPa，見圖2-a；4301工作面回采后，巷道圍巖及煤柱內部應力呈現非對稱現象。43012巷與43013巷之間煤柱(35 m)內部最大垂直應力達52 MPa，分布在工作面往煤柱一側2m～8m范圍，并往煤柱內部方向逐漸減小；煤柱內部最大水平應力達44MPa，見圖2-b。

圖2 巷道圍巖垂直應力場分布

43014巷在掘進期間，巷道變形較小，模擬數據顯示：最大頂板下沉11 mm，最大底鼓80 mm，兩幫變形46mm。巷道圍巖的破壞區域主要分布在巷道的四周，見圖3(a)，底板破壞程度相對較大，破壞區在2 m范圍之內。回采期間，受到劇烈動壓影響，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254 mm，遠離4301工作面的巷幫移近量129mm。巷道破壞范圍明顯增大，見圖3(b)，底板破壞范圍達到4 m，巷幫破壞范圍在2m～3 m之間，并且靠近4301工作面側巷幫破壞相對嚴重；但是現有煤柱大小和強力錨桿支護強度完全能滿足巷道的安全使用。

4 支護方案設計

通過FLAC數值模擬進行比較，確定43014巷采用樹脂錨固組合強力錨桿支護系統，并且進行錨索補強。巷道掘進斷面呈矩形，寬度5.0 m，高度3.8 m，面積19.0m2。見圖4。

圖3 巷道圍巖塑性破壞區分布

圖4 43014巷強力錨桿一次支護布置圖

1）頂板支護：強力錨桿采用SMG500材質、桿體Φ22 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度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；采用兩支樹脂錨固劑進行加長錨固，一支規格為CK2335，另一支規格為Z2360；鉆孔直徑30mm，錨固長度1200mm；W鋼帶規格BHW-280-4-4800-6；托板規格150mm×150mm×10mm；采用菱形網護頂，規格5200mm×1100mm。采用高強錨索進行補強，直徑Φ22mm，長度7 300 mm；采用三支錨固劑進行加長錨固，一支規格為CK2335，另兩支規格為Z2360；每排2根錨索，間距2 000 mm，排距1000 mm；采用300 mm×300 mm×16 mm高強度可調心托板及配套鎖具。

2）巷幫支護：強力錨桿采用SMG500材質、桿體Φ22 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度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鋼護板規格400 mm×280 mm×4 mm；采用菱形網護幫，規格3 600 mm×1 100 mm。錨索采用直徑Φ22 mm，長度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：錨桿規格與頂板錨桿參數相同，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，其它錨桿與底板垂直打設；首先采用一支規格為Z2360的樹脂錨固劑進行端部錨固，鉆孔直徑30 mm，錨固長度550 mm，然后灌注水泥漿進行全長錨固，水泥標號525號，水灰比0.5：1；W鋼護板規格400 mm×280 mm×4 mm，托板規格150 mm×150 mm×10 mm。見圖4。

5 現場試驗和礦壓監測

強力錨桿一次支護方案在寺河礦43014巷試驗后，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 錨桿錨索受力監測

采用測力錨桿監測錨桿受力，采用錨索測力計監測錨索受力。圖5-a為頂板錨桿受力監測曲線，圖5-b為錨索受力監測曲線。

圖5 綜合測站錨桿錨索受力監測曲線

監測結果表明，錨桿受力最大部分基本在第5、6對應變片的位置，該位置剛好處于錨桿尾部自由段，說明在增大預緊力的情況下，采用加長錨固技術是合理的。隨著掘進推進，錨桿受力逐步增大，最終穩定在150 kN左右，約為錨桿破斷力的50%～60%，能充分發揮錨桿的有效作用，真正起到主動支護作用。錨桿受力增長較平穩，說明錨桿初始預緊力較好地控制住了巷道離層和圍巖變形。對于錨索受力，錨索初期預緊力達到120kN左右，回采期間錨索最大受力360kN，為錨索破斷力的67%；錨索受力增長較平穩，說明支護強度安全可靠，能夠及時地控制巷道圍巖微裂隙的張開和新裂紋的產生。

圖6 43104巷表面位移變化曲線

5.2 巷道表面圍巖監測

見圖6，圖中數據為回采前后巷道的位移。

從圖中曲線變化趨勢講，試驗段巷道在超前壓力影響段和采空區壓力影響段，兩幫位移較平緩，并且達到一定值后區域穩定，兩幫位移量最大為597 mm。底鼓在滯后工作面50 m范圍內還不明顯；但在滯后50m～350 m之間的某個時間段，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1.5 m。但是目前，43014工作面已經進入末采階段，巷道基本穩定，底鼓不再增加，說明強力錨桿支護可以很好控制巷道變形。

6 結束語

(1)從整體支護講，強力錨桿配合鋼帶支護的能力大大增強，經對巷道綜合監測，巷道頂板下沉量、兩幫收斂量、巷道底鼓量均控制在設計范圍內，確保了巷道支護的可靠性，保證了礦井的安全生產。(2)從局部支護講，采用W鋼護板護幫，施加在錨桿上的預緊力更容易通過W鋼護板擴散到煤體深部。由于W鋼護板便于貼幫，增大了護表面積，可適應巷道的較大變形。(3)強力錨桿一次支護技術用于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，頂板基本沒有下沉；并且留巷巷道避免了服務期間內的大面積維修，生產成本可大幅度降低。

[1] 張占濤.大斷面煤層巷道圍巖變形特征與支護參數研究[D].北京:煤炭科學研究總院,2009.

[2] 康紅普.煤巷錨桿支護成套技術研究與實踐[J].巖石力學與工程學報,2005,24(21):3960-3964.

[3] 康紅普,王金華等.煤巷錨桿支護理論與成套技術[M].北京:煤炭工業出版社，2007.

[4] 康紅普,姜鐵明,高富強.預應力在錨桿支護中的作用[J].煤炭學報,2007(12):680-685.

[5] 康紅普,姜鐵明,高富強.預應力錨桿支護參數的設計[J].煤炭學報,2008(7):721-726.

[6] 康紅普,王金華,林健.煤礦巷道錨桿支護應用實例分析[J].巖石力學與工程學報,2010,29(4):649-664.

Abstract:By the analysison the geology and production condition of retained roadwaysof large-mining-height working face in Sihe Mine,the paper presents the primary support design with high pre-stress and intensive bolts.By increasing the strength and stiffness of the bolts,the pre-load in construction,and the area of surface protecting components,the bearing capacity of surrounding rocks are fully mobilized.It is shown in the application that the intensive bolt support with high pre-stress has solved serious deformation problem in the retained roadways with satisfactory results.

Key words:large-mining-height working face;retained roadway;intensive support;high pre-stress

編輯：劉新光

Bolt Support in Retained Roadways of Large-mining-height Working Face in Sihe Mine

WANG Wen-ming1,SUN Zhi-yong2,GUO Xiang-ping2
(1.Sihe Mine of Jincheng Anthracite Mining Group,Jincheng Shanxi 048205;2.Mining Designing Business Division,Tiandi Science&Technology Co.,LTD,Beijing 100013)

TD353

A

1672-5050（2012）07-0058-03

2011-11-08

王文明（1976—），男，山西晉城人，工程碩士，工程師，從事煤礦技術管理方面的工作。