寺河煤礦大采高工作面留巷巷道錨桿支護技術研究

摘 要：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。

　　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 km 2 ，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 ；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   。

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 Φ 20mm的 BHRB335的螺紋鋼錨桿，幫錨采用 Φ 18mm 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。

      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。

     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 19.0m 2 。見圖 4。

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×280mm×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。

　　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。

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 597mm。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。