寺河煤礦大采高工作面留巷巷道錨桿支護(hù)技術(shù)研究

王文明，孫志勇，郭相平

（1.山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 寺河礦，山西 晉城 048205；2.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013）

寺河煤礦大采高工作面留巷巷道錨桿支護(hù)技術(shù)研究

王文明1，孫志勇2，郭相平2

（1.山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 寺河礦，山西 晉城 048205；2.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013）

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。

大采高工作面；留巷巷道；強(qiáng)力支護(hù)；高預(yù)應(yīng)力

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 km2，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。現(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[1]；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[2,3]。

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Φ20mm的BHRB335的螺紋鋼錨桿，幫錨采用Φ18mm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(pán)區(qū)首采工作面，西為東四盤(pán)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。

圖1 4301工作面巷道平面布置示意圖

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?yàn)镹43.2°E，呈北偏東方向；最小主應(yīng)力7.16 MPa，方向?yàn)镹46.8°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??；煤柱內(nèi)部最大水平應(yīng)力達(dá)44MPa，見(jiàn)圖2-b。

圖2 巷道圍巖垂直應(yīng)力場(chǎng)分布

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)认飵推茐南鄬?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19.0m2。見(jiàn)圖4。

圖3 巷道圍巖塑性破壞區(qū)分布

圖4 43014巷強(qiáng)力錨桿一次支護(hù)布置圖

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×280 mm×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。

圖5 綜合測(cè)站錨桿錨索受力監(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。

圖6 43104巷表面位移變化曲線

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597 mm。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。

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

[2] 康紅普.煤巷錨桿支護(hù)成套技術(shù)研究與實(shí)踐[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(21):3960-3964.

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

[4] 康紅普,姜鐵明,高富強(qiáng).預(yù)應(yīng)力在錨桿支護(hù)中的作用[J].煤炭學(xué)報(bào),2007(12):680-685.

[5] 康紅普,姜鐵明,高富強(qiáng).預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)[J].煤炭學(xué)報(bào),2008(7):721-726.

[6] 康紅普,王金華,林健.煤礦巷道錨桿支護(hù)應(yīng)用實(shí)例分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),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(shù)管理方面的工作。