寺河煤矿大采高工作面留巷巷道锚杆支护技术研究

摘 要：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。

　　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 km 2 ，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 ；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  。

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 Φ 20mm的 BHRB335的螺纹钢锚杆，帮锚采用 Φ 18mm 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。

      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。

     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 19.0m 2 。见图 4。

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×280mm×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。

　　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。

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 597mm。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。