寺河煤矿大采高工作面留巷巷道锚杆支护技术研究

王文明，孙志勇，郭相平

（1.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 寺河矿，山西 晋城 048205；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013）

寺河煤矿大采高工作面留巷巷道锚杆支护技术研究

王文明1，孙志勇2，郭相平2

（1.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 寺河矿，山西 晋城 048205；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013）

分析了寺河煤矿大采高工作面留巷巷道地质和生产条件，提出了43014留巷巷道的高预应力强力锚杆一次支护设计；通过提高锚杆强度和刚度、增加其施工中的预紧力，加大护表构件的面积，充分调动了围岩的自身承载能力。井下实践表明，高预应力强力锚杆支护，解决了寺河煤矿大采高工作面留巷巷道的大变形难题，支护实践取得满意效果。

大采高工作面；留巷巷道；强力支护；高预应力

寺河煤矿位于沁水煤田东南边缘，2006年核定矿井生产能力1080万t/a，井田面积约230 km2，南北走向长约12 km，东西倾斜宽约23 km，地质储量15亿t。现主采3号煤层，平均厚度6.31 m，可采储量2.1亿t。属于罕见的高瓦斯矿井，瓦斯成为制约矿井产量的关键因素。寺河煤矿采用大采高一次采全高的回采工艺，推进速度快、平均日进10 m以上，采动影响很剧烈。由于煤层瓦斯含量很高，为了满足掘进、回采、运输、通风的基本要求，巷道断面显著增大，巷道跨度5.0 m以上，巷道高度3.8 m以上，支护难度很大[1]；需要掘进的回采巷道数量较多，一般达到五条，巷道之间应力叠加，留巷巷道掘进和支护的难度更高[2,3]。

1 原留巷支护的存在问题

目前，寺河煤矿煤巷主要采用锚杆支护形式，提高了巷道支护安全程度，降低了综合支护成本，取得了显著效益[4-6]。近几年来进行着大采高工作面留巷的研究工作，留巷巷道采用二次支护方式（先用普通支护强度支护巷道，工作面回采后，再用二次加固方式）提高巷道的支护强度。这种留巷方式的主要问题是：(1)支护强度偏低：顶板采用Φ20mm的BHRB335的螺纹钢锚杆，帮锚采用Φ18mm的圆钢锚杆，补强锚索直径15.24 mm，支护材料破断力都很小，容易发生破断。(2)二次支护：二次加固巷道围岩已经局部破坏，承载能力已大大下降，由于没有及时有效地主动支护，不能充分利用围岩自身的承载能力，支护难度加大，很难抑制巷道的持续破坏。(3)巷道返修量大：受采掘两次动压影响巷道变形严重，底鼓变形剧烈，两帮收敛大，要经多次起底和刷帮才能保证足够通风，影响回采正常推进。

2 试验巷道的生产地质概况

4301工作面为大采高一次采全高的东四盘区首采工作面，西为东四盘区六条集中大巷，南为33064巷，其余为未采掘区域。由南向北依此有43011和43015巷，其中43012、43014巷为留巷巷道，工作面西侧布置回撤通道，回采巷道、切眼、回撤通道均沿煤层底板掘进。见图1。

图1 4301工作面巷道平面布置示意图

4301工作面主采3号煤层，埋深平均438 m，煤厚平均6.3 m，中部夹0.1 m泥岩，见细小纵向方解石脉。煤层倾角平均5°，全区稳定可采，单轴抗压强度21.9MPa；老顶为2.81 m厚的细粒砂岩，致密坚硬；直接顶为13.12 m厚的粉砂岩，单轴抗压强度75.6MPa；伪顶为0.20 m厚的炭质泥岩，单轴抗压强度35.6MPa。

采用水压致裂法进行地应力测试结果表明：寺河煤矿4301工作面附近最大主应力13.83MPa，方向为N43.2°E，呈北偏东方向；最小主应力7.16 MPa，方向为N46.8°W，呈北偏西方向。最大、最小主应力为近水平主应力。中间主应力为垂直应力8.68MPa。

3 巷道的数值模拟分析

三条巷道掘进后，围岩及煤柱内部最大垂直应力为14 MPa，最大水平应力为30 MPa，见图2-a；4301工作面回采后，巷道围岩及煤柱内部应力呈现非对称现象。43012巷与43013巷之间煤柱(35 m)内部最大垂直应力达52 MPa，分布在工作面往煤柱一侧2m～8m范围，并往煤柱内部方向逐渐减小；煤柱内部最大水平应力达44MPa，见图2-b。

图2 巷道围岩垂直应力场分布

43014巷在掘进期间，巷道变形较小，模拟数据显示：最大顶板下沉11 mm，最大底鼓80 mm，两帮变形46mm。巷道围岩的破坏区域主要分布在巷道的四周，见图3(a)，底板破坏程度相对较大，破坏区在2 m范围之内。回采期间，受到剧烈动压影响，巷道围岩变形显著增加，顶板最大下沉59 mm，最大底鼓294 mm，靠近4301工作面的巷帮移近达254 mm，远离4301工作面的巷帮移近量129mm。巷道破坏范围明显增大，见图3(b)，底板破坏范围达到4 m，巷帮破坏范围在2m～3 m之间，并且靠近4301工作面侧巷帮破坏相对严重；但是现有煤柱大小和强力锚杆支护强度完全能满足巷道的安全使用。

4 支护方案设计

通过FLAC数值模拟进行比较，确定43014巷采用树脂锚固组合强力锚杆支护系统，并且进行锚索补强。巷道掘进断面呈矩形，宽度5.0 m，高度3.8 m，面积19.0m2。见图4。

图3 巷道围岩塑性破坏区分布

图4 43014巷强力锚杆一次支护布置图

1）顶板支护：强力锚杆采用SMG500材质、杆体Φ22 mm左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2 400 mm，杆尾螺纹M24 mm；锚杆排距1 000 mm，每排6根锚杆，间距900mm；采用两支树脂锚固剂进行加长锚固，一支规格为CK2335，另一支规格为Z2360；钻孔直径30mm，锚固长度1200mm；W钢带规格BHW-280-4-4800-6；托板规格150mm×150mm×10mm；采用菱形网护顶，规格5200mm×1100mm。采用高强锚索进行补强，直径Φ22mm，长度7 300 mm；采用三支锚固剂进行加长锚固，一支规格为CK2335，另两支规格为Z2360；每排2根锚索，间距2 000 mm，排距1000 mm；采用300 mm×300 mm×16 mm高强度可调心托板及配套锁具。

2）巷帮支护：强力锚杆采用SMG500材质、杆体Φ22 mm左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2 000 mm，杆尾螺纹M24 mm；锚杆排距1 000 mm，每排每帮4根锚杆，间距1 000 mm，锚固方式与顶板相同；W钢护板规格400 mm×280 mm×4 mm；采用菱形网护帮，规格3 600 mm×1 100 mm。锚索采用直径Φ22 mm，长度4 400 mm，锚固方式与顶板相同；每排2根锚索，间距2000mm，排距1000mm。

3）底板支护：锚杆规格与顶板锚杆参数相同，锚杆排距1 000 mm，每排4根锚杆，间距4 000(250)mm，锚杆与铅垂线呈30°向巷帮打设，其它锚杆与底板垂直打设；首先采用一支规格为Z2360的树脂锚固剂进行端部锚固，钻孔直径30 mm，锚固长度550 mm，然后灌注水泥浆进行全长锚固，水泥标号525号，水灰比0.5：1；W钢护板规格400 mm×280 mm×4 mm，托板规格150 mm×150 mm×10 mm。见图4。

5 现场试验和矿压监测

强力锚杆一次支护方案在寺河矿43014巷试验后，有效地控制住巷道变形，加快了掘巷速度，提高了安全程度。

5.1 锚杆锚索受力监测

采用测力锚杆监测锚杆受力，采用锚索测力计监测锚索受力。图5-a为顶板锚杆受力监测曲线，图5-b为锚索受力监测曲线。

图5 综合测站锚杆锚索受力监测曲线

监测结果表明，锚杆受力最大部分基本在第5、6对应变片的位置，该位置刚好处于锚杆尾部自由段，说明在增大预紧力的情况下，采用加长锚固技术是合理的。随着掘进推进，锚杆受力逐步增大，最终稳定在150 kN左右，约为锚杆破断力的50%～60%，能充分发挥锚杆的有效作用，真正起到主动支护作用。锚杆受力增长较平稳，说明锚杆初始预紧力较好地控制住了巷道离层和围岩变形。对于锚索受力，锚索初期预紧力达到120kN左右，回采期间锚索最大受力360kN，为锚索破断力的67%；锚索受力增长较平稳，说明支护强度安全可靠，能够及时地控制巷道围岩微裂隙的张开和新裂纹的产生。

图6 43104巷表面位移变化曲线

5.2 巷道表面围岩监测

见图6，图中数据为回采前后巷道的位移。

从图中曲线变化趋势讲，试验段巷道在超前压力影响段和采空区压力影响段，两帮位移较平缓，并且达到一定值后区域稳定，两帮位移量最大为597 mm。底鼓在滞后工作面50 m范围内还不明显；但在滞后50m～350 m之间的某个时间段，底鼓量突然增大，并且底鼓较大、接近450 mm；在同一巷道的其它地段，底鼓能达1.5 m。但是目前，43014工作面已经进入末采阶段，巷道基本稳定，底鼓不再增加，说明强力锚杆支护可以很好控制巷道变形。

6 结束语

(1)从整体支护讲，强力锚杆配合钢带支护的能力大大增强，经对巷道综合监测，巷道顶板下沉量、两帮收敛量、巷道底鼓量均控制在设计范围内，确保了巷道支护的可靠性，保证了矿井的安全生产。(2)从局部支护讲，采用W钢护板护帮，施加在锚杆上的预紧力更容易通过W钢护板扩散到煤体深部。由于W钢护板便于贴帮，增大了护表面积，可适应巷道的较大变形。(3)强力锚杆一次支护技术用于43014巷后，巷道变形得到了有效控制，两帮变形控制在600 mm以内，顶板基本没有下沉；并且留巷巷道避免了服务期间内的大面积维修，生产成本可大幅度降低。

[1] 张占涛.大断面煤层巷道围岩变形特征与支护参数研究[D].北京:煤炭科学研究总院,2009.

[2] 康红普.煤巷锚杆支护成套技术研究与实践[J].岩石力学与工程学报,2005,24(21):3960-3964.

[3] 康红普,王金华等.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京:煤炭工业出版社，2007.

[4] 康红普,姜铁明,高富强.预应力在锚杆支护中的作用[J].煤炭学报,2007(12):680-685.

[5] 康红普,姜铁明,高富强.预应力锚杆支护参数的设计[J].煤炭学报,2008(7):721-726.

[6] 康红普,王金华,林健.煤矿巷道锚杆支护应用实例分析[J].岩石力学与工程学报,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

编辑：刘新光

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，山西晋城人，工程硕士，工程师，从事煤矿技术管理方面的工作。