24207工作面沿空留巷道支护设计的研究

                                                                                   李玫斯  山西焦煤集团投资有限公司

 

摘要：由于矿井属于突出矿井，为了解决回采工作面的上隅角的瓦斯，确保回采工作面的安全生产，所以在24207工作面运输顺槽(即胶带机顺槽)在工作面回采后将作为沿空留巷保留下来为下一工作面继续服务。24207工作面的设备安装工作正在进行，计划2023年10月份实现回采。目前该巷道的掘进工作已经结束，由于留巷方式由阶段性留巷改为全长留巷，按照全长沿空留巷的技术要求，针对巷道的维护情况提出此设计支护方案。

 

关键词：巷道  支护   设计

1 前言

煤矿24207工作面运输顺槽(即胶带机顺槽)在工作面回采后将作为沿空留巷保留下来为下一工作面继续服务。24207工作面的设备安装工作正在进行，计划2023年10月份实现回采。目前该巷道的掘进工作已经结束，由于留巷方式由阶段性留巷改为全长留巷，按照全长沿空留巷的技术要求，针对巷道的维护情况提出此支护方案。

2 沿空留巷的理论基础与关键技术

2.1 沿空留巷顶板岩层运动特点

回采工作面推过后，顶板活动可划分为三个时期，即前期活动、过渡期活动和后期活动。

由于工作面的回采，支架的前移，工作面后方顶板岩层失去支撑，留巷采空区侧的直接顶在自重及支护体产生的切顶阻力作用下，沿支护体边缘破断，破断直接顶呈倒台阶的悬臂梁状态。这一时期留巷顶板由于直接顶垮落及老顶下沉的带动，其变形形式主要以旋转变形为主，此阶段的顶板活动称为顶板前期活动期。当直接顶垮落后能充满采空区时，老顶岩层折断垮落，在平衡过程中老顶可形成砌体结构。当直接顶岩层垮落后不足以充满采空区时，上位部分老顶岩层也将挠曲断裂冒落，充填采空区，直至达到充满采空区的层位后其上部老顶岩层方可形成砌体结构。随老顶岩块的旋转，老顶岩块在下部冒落碎矸石的支撑下形成的“三角块结构”逐渐稳定，从而使沿空巷道一定范围内的应力小于原岩应力，该阶段的顶板运动称为顶板过渡活动期。其变形仍以旋转变形为主，变形速度快，变形量大。随着矸石的逐渐压实，形成稳定“三角块结构”的上位岩层也将折断、变形下沉，使煤壁乃至直接顶产生损伤，支承压力影响范围加大，峰值进一步内移，留巷上方顶板产生平移下沉，由于受老顶分层垮落的影响，巷道顶板下沉呈现波动性。此阶段顶板活动称为顶板后期活动期。顶板运动特征以旋转下沉为主，但下沉速度较小。

老顶破断后形成的“三角块结构”有效的保护了巷内支护免受上覆岩层自重应力的作用，“三角块结构”的形态与采高、直接顶厚度、老顶下位岩层的性质有关。巷内支护和巷旁支护体不能改变老顶“三角块结构”的形态。巷内支护只需保持直接顶的完整和与老顶的紧贴，不能改变顶板岩层过渡期活动时顶板下沉量的大小、巷内支架和巷旁支护也不能约束顶板岩层后期活动而引起的平移下沉，支护阻力的大小对后期活动顶板的平移下沉没有影响。也就是说，平移下沉有“给定变形”特点，此时支护载荷完全取决于支护有效刚度的大小。有效刚度越大，载荷也越大，这个规律称为“硬支多载”规律。平移下沉的另一个重要特征是：一般不破坏前期形成的平衡结构的稳定性，而且能使岩层沿平衡结构的内界面向巷道空间“收缩”，也就是说，岩层自身平衡结构的范围加大了。如果顶板岩层比较完整时，岩层结构的内临界面能够“收缩”到巷道轮廓面上，此时，巷道支护对巷道围岩结构的稳定性影响不大。

2.2 充填墙体的基本功能

巷旁充填随回采工作面的推进而间续逐段实施，其作用与工作面后方沿空留巷侧向顶板运动规律密切关联。顶板前期活动阶段以旋转下沉为主，来压强度较小，充填体的作用力主要是平衡巷道上方直接顶及其悬臂部分岩层的重量。为保持巷道顶板的完整性，增加直接顶的自稳能力，要求充填体与巷内支护共同作用，保持直接顶与老顶的紧贴。

顶板岩层过渡期活动阶段，老顶破断、失稳、旋转下沉剧烈。由于直接顶及一定范围内的老顶垮落破碎，体积增大，充填采空区后，减少了冒落矸石与老顶之间的间隙，为老顶形成稳定结构提供了条件，但在老顶岩块的“大结构”形成之前，充填体应具有足够的可缩量以适应老顶的回转，通过适当的下缩让压，充分发挥围岩(老顶岩梁及冒落矸石)的承载能力，这也是支架围岩共同作用的体现；同时，充填体还应具有足够的支护阻力参与顶板运动及平衡，以缩短过渡期顶板剧烈活动的时间，减缓留巷顶板过大的下沉量。

老顶岩块形成“大结构”后，顶板岩层进入后期活动阶段，充填体的作用是维持老顶“大结构”的稳定，其临界支护阻力为平衡冒落带对应范围内岩层的重量。

关键层在从破断到“砌体梁”平衡结构的形成过程中，关键块的回转与下沉，使沿空留巷煤帮作为砌体梁的一个支撑点承受较为集中的支承压力，所以沿空巷道煤帮会产生严重破裂。这不仅导致煤帮强烈位移，而且随关键块的回转角增加，会引起巷道下位顶板急剧沉降。因此，制止煤帮强烈位移是控制整个巷道围岩大变形的关键之一。

充填体上方顶板在工作面前方超前支承压力的作用下，已比较破碎，刚度和强度都比较低。充填体上方顶板完整性的控制是综放工作面沿空留巷成功的又一关键。如果充填前顶板已严重破坏，则充填体不能将支撑阻力传递直接顶，导致老顶回转下沉量加大，因而造成巷道顶板和巷道煤帮严重破坏，则如图2-1所示的“三位一体”的沿空留巷稳定结构难以形成，工作面沿空留巷难以成功。

 

图2-1  “三位一体”的沿空留巷稳定结构示意图

在回采工作面后方不远处，由于裂隙带岩层取得平衡之前产生急剧沉降，引起巷道顶板在短期内强烈下沉，已采区垮落岩石在上覆岩层作用下向巷道挤压，使沿空留巷靠采空区一侧的帮压也较强烈。一般情况下，沿空留巷的顶板下沉速度在工作面后方10~20m处最为强烈。

在采动期间沿空留巷的顶板下沉量与煤层采厚呈正比关系，一般少则为采高的10%，多则为15%~20%。基本上属“给定变形”。煤层采高愈小，愈有利于沿空留巷的维护。

近期的研究表明，当充填体早强，刚度大，承载能力高时，能够适应“硬支多载”的顶板下沉规律时，反过来可以促成基本顶沿充填体边缘切顶，使侧向顶板及时及早垮冒，从而形成对巷道维护有利的外部结构环境，减缓巷道的动载，沿空留巷很快进入稳定状态，因此早撑、早强、大刚度的巷帮充填墙体是沿空留巷的关键技术。

2.3 保持留巷围岩稳定的关键技术

2.3.1 技术原则

沿空留巷的顶板活动决定了沿空留巷围岩的稳定性，可从四个方面来进行有效控制。

1)充填体的合理设计。为有助于关键块尽快稳定，并能适应其回转下沉，充填体必须具有早强、速凝和可缩的特性。充填体的合理尺寸是充填体具有较高支护阻力和一定可缩量的保证，从而使其与巷道的实体煤帮共同承载，确保围岩稳定。

2)直接顶板的合理支护。保持下位顶板的稳定性和完整性是围岩稳定的又一关键。

3)实体煤帮的合理支护。实体煤帮是沿空留巷围岩的主要承载体，是关键层回转下沉的支点，其下沉与变形必将导致围岩变形加大。实体煤帮的有效支护将对沿空留巷围岩的稳定起到很大作用。

4)巷道帮角的合理加固。一般而言，巷道帮角的应力集中程度较高，易导致底鼓和顶板破坏。通过合理的锚杆布置加固巷道帮角，既可强化帮角的围岩强度，又可使帮角的应力集中向围岩深部转移，从而达到围岩稳定的目的。

2.3.2 关键加固技术

关键层在从破断到“砌体梁”平衡结构的形成过程中，关键块的回转下沉，使沿空留巷煤帮作为砌体梁的一个支撑点承受较为集中的支承压力，所以沿空巷道煤帮会产生严重破裂。这不仅导致煤帮强烈位移，而且随关键块的回转角增加，会引起巷道下位顶板急剧沉降。由于充填墙体在此期间承受的来自顶板的压力很大，而充填墙体的破坏将直接导致巷道顶板的失稳，煤壁侧过大的变形也会直接影响到顶板的安全，所以在此阶段，巷道顶板控制包括两个方面：一个是顶板的加强支护；另一个是维护巷旁充填墙体以及煤壁的稳定。此时应把巷帮和顶板视为一个统一的整体，护顶即是护帮，护帮也是护顶，遵循帮顶同治的原则。

(1)帮部加强支护技术

根据前面的分析，巷旁充填墙体和煤壁对顶板的作用非常重要，因此，要想在留巷期间控制顶板的稳定，必须采取技术手段在此期间控制两帮部的过度变形，只有使帮部能够立的住，才能对顶板起到很好的支撑作用。从某种程度上讲，此阶段内治帮优胜控顶。

根据数值计算的结果和以往的经验，此阶段煤壁的侧向变形很大，充填墙体在此期间由于受到的压力很大，将会产生明显变形甚至破坏，因此，采取强支撑不能奏效，必须采用即能提供较高的支护阻力，又有一定的让压性的支护手段，毫无疑问，锚索支护为最佳选择。

(2)走向锚索支护技术

在实体煤帮上沿走向施工锚索梁，使用M型钢带，由于M型钢带强度高，抗弯模量大，能够实现锚杆预应力扩散，所以通过以上手段能够有效避免墙体的过度变形。对于局部已经破坏的墙体，采用锚杆加注浆相结合的手段进行加强支护，提高充填墙体的整体承载能力。煤壁侧采用高预应力竖向桁架进行加强支护，钢铰线的两个锚固端分别在巷道煤壁侧顶底板的深部，加长锚固，锚固点牢固，锚固效果好。

(3)围岩注浆加固技术

该项技术包括两类：① 壁后充填加固注浆，主要目的是改善U型钢支架受力和承载性能；以浅孔水泥注浆为主；② 围岩裂隙注浆，主要目的是改善锚固区岩体的力学和锚固区的承载性能，以深孔化学注浆为主。灵活应用两类注浆手段可以极大地提高支护围岩结构的稳定性，控制围岩变形。

留巷受采动影响后巷道围岩松动范围将进一步扩大，围岩稳定性降低。煤岩体在支承压力作用下将进一步破碎，显现强烈底鼓，其变形与破坏不仅表现为岩石材料的变形破坏，更主要的表现为整体结构的变形与失稳，围岩注浆加固可以有效封堵围岩裂隙，提高围岩的完整性和对采动压力的适应性，从而进一步提高留巷支护围岩结构长期稳定。

(4)顶板辅助加强支护技术

由于周期来压步距一般为16m左右，因此在工作面后方10~15m范围内顶板最易发生离层，而此范围内充填墙体刚刚浇注完毕，其强度值很小，起不到支撑顶板的作用，相反在顶板的下沉过程中还会把充填墙体压坏。为了能够有效支撑顶板的离层下沉，又能保护充填墙体不会被压坏，在工作面后方20~40m范围内采用自移式巷内辅助加强支护支架，不但能够有效的支撑顶板，还为工人在工作面端头的施工提供安全保障。而单体液压支架既能提供一定的支护阻力，又能提供一定的收缩量，适当抑制顶板的剧烈下沉。在工作面后方40~100m范围内每排布置3~4根单体液压支柱进行辅助加强支护。

3 数值模拟

3.1 数值模拟方法简介

数值计算方法作为一种解决采矿与岩土力学问题的有力工具，在解析解存在困难的时候，它有着突出的优越性，它可以考虑众多的影响因素，进行多方案的快速比较，在参数敏感性分析中具有明显优势，同时有的软件还具有强大的前处理和后处理功能，显著提高了输入和输出结果的可视化程度。FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)就是这种用于工程力学计算的显式有限差分程序。

该程序可模拟土、岩石等材料的力学行为，FLAC^2D5.0程序采用了显式拉格朗日算法及混合离散划分单元技术，内部含有多个力学模型，如库仑-摩尔模型、应变软化/硬化模型、节理模型及双屈服模型等，用于模拟高度非线性、不可逆等地质材料的变形；FLAC中含有的界面单元可以模拟岩层中不连续面，如断层、节理及层理等滑动和离层；FLAC中含有的梁、锚杆、桩及支柱单元可以模拟各种支护构件；FLAC内部还有一种编程语言FISH，用户用它以编制自己的函数、变量，甚至引入自定义的力学模型，使得该程序能够精确地模拟材料的塑性流动和破坏，特别适合于岩土类材料的破坏分析。

3.2 模型的确定

采用如图3-1所示的平面应变计算模型来模拟不同支护方案下巷道的应力及塑性区分布状况，将围岩视为分层各向同性弹性介质，确定数值模拟的岩层范围为：宽×高＝150m×40m，网格最多为330×107，共35310个单元，模型的上边界按上覆岩层厚度施加均布载荷，模型下边界位移固定，左右边界水平位移固定。模型的网格划分如图3-2所示。

 

图3-1 数值计算模型

 

图3-2 模型网格

数值模拟主要针对巷道回采前不采用加固方案与采用加固方案两种情况进行对比分析，包括应力与位移分布规律以及围岩表面最终变形情况等。

3.3 模拟结果分析

3.3.1 应力分布规律

 

(a)水平应力分布                      (b)垂直应力分布

图3-3 巷道掘进稳定后围岩应力分布

 

巷道开挖稳定后，围岩应力分布特征如图3-3所示。由图中可明显看出，巷道围岩从浅表深部约2.5~5m为应力降低区，这一区域围岩在解除部分应力约束后应力重新分布并再次形成平衡，与此同时巷道表现出变形收缩。水平应力主要集中于巷道肩角深部及顶底板深部，而垂直应力则集中于两帮深部5.5~9m处。

 

(a)水平应力分布                    (b)垂直应力分布

图3-4 不补强留巷初期围岩应力分布

 

(a)水平应力分布                    (b)垂直应力分布

图3-5 不补强留巷过程中围岩应力分布(step 31290)

 

(a)水平应力分布                (b)垂直应力分布

图3-6 不补强留巷稳定后围岩应力分布

工作面回采前不采用加固措施，则留巷初期至留巷稳定期间巷道围岩应力运移特征见图3-4～图3-6。由图3-4可见，工作面回采初期巷道及充填墙体都处于应力降低区内，此阶段巷内辅助支护和墙体的及时承载会产生明显作用。留巷中期受老顶剧烈活动的影响，采场顶板应力急剧变化，在巷道顶板及巷旁充填墙体内都出现了较大的集中应力，而浅部围岩应力仍较低。此时巷内锚杆索等支护体对于提高浅部围岩的抗变形能力起着关键作用，若支护强度过低将不利于巷道的稳定，导致其发生过大变形。最终当围岩活动趋于稳定时，巷道围岩应力值极低，岩层活动中积聚的大量能量通过围岩变形而得到释放。

 

(a)水平应力分布               (b)垂直应力分布

图3-7 补强留巷初期围岩应力分布

 

(a)水平应力分布                   (b)垂直应力分布

图3-8 补强留巷过程中围岩应力分布(step 31728)

 

(a)水平应力分布                 (b)垂直应力分布

图3-9 补强留巷后围岩应力分布

 

工作面回采前实施加固方案，则留巷初期至留巷稳定期间巷道围岩应力运移特征见图3-7～图3-9。应力调整的过程与前方案相似，但对于巷道围岩应力而言，则存在较大区别。在顶板岩层旋转下沉的过程中，顶板的锚杆索及时承载，控制了锚固区内岩层的离层，使上覆岩层整体协调下沉，避免了因顶板突然下沉形成冲击载荷对巷道与墙体造成破坏。

 

3.3.2 巷道变形过程分析

 

  图3-10 原岩应力状态          图3-11 掘进期间巷道稳定后

图3-10和图3-11为岩体由原岩应力状态至巷道开挖稳定后的变形情况，由图可见，应力相对集中的肩角处围岩开始向巷内挤进，而最大变形量发生在两帮及顶底中部。

 

(a)step 28290                       (b)step 30290

 

(c)step 31290                      (d)step 32290

 

(e)step 33290                      (f)step 135290

图3-12 不补强留巷围岩变形过程

回采前不采取加固措施，巷道的围岩变形过程如图3-12所示。在采空区顶板不断下沉的过程中，墙体逐渐承载变形，并向巷道内滑移，实体煤帮与底板发生围岩鼓出。留巷变形稳定后的巷道断面收缩情况如f图所示。

 

(a)step 29028                        (b)step 30728

 

(c)step 31728                        (d)step 32728

 

(e)step 33228                        (f)step 72366

图3-13 补强留巷围岩变形过程

回采前采取加固方案，巷道留巷期间的变形情况如图3-13所示。从图中可见，在巷道经受采动压力影响期间，顶板始终保持整体下沉，这种完整性将极有利于后期对留巷的维护。巷道变形趋于稳定时，主要的变形仍发生于墙体侧和巷道顶板。

 

3.3 围岩变形量

 

图3-14 不补强巷道顶底板变形量

图3-14为巷道未采取加固方案时的留巷顶底板全程变形情况，巷道的主要变形发生在掘进和留巷初期，以顶板的变形最为强烈。巷道稳定后，底板的累积变形量为269mm，顶板的累积变形量为1015mm。

 

图3-15 不补强巷道两帮变形量

 

图3-15为巷道不采取加固方案时留巷两帮的全程变形曲线。巷道稳定后回采帮的累积变形量为1304mm，非回采帮的累积变形量为476mm。

 

图3-16 补强巷道顶底板变形量

图3-16为回采前采取加固方案时巷道的顶底板变形情况。围岩稳定后，底板的累积变形量为264mm，顶板的累积变形量为1014mm。

 

图3-17 补强巷道两帮变形量

 

图3-17为回采前采取加固方案时，留巷两帮的全程变形情况。巷道稳定后，回采帮的累积变形量为1179mm，非回采帮的累积变形量为507mm。

 

表3-1 围岩变形量

变形量/mm	掘进期间	留巷期间		累积变形
变形位置		不补强	补强	不补强	补强
顶板	62	953	952	1015	1014
底板	184	85	80	269	264
非回采帮	138	338	369	476	507
回采帮	139	1165	1040	1304	1179

表3-1为巷道变形情况统计，数据表明回采前若采用补强方案则留巷期间巷道围岩变形量总体上要小于不采用补强方案的情况，尤其是对于巷道回采帮的变形控制具有明显效果。但两种方案的巷道累积变形量都比较大，这是沿空留巷的恶劣应力环境的客观因素决定的。

3.4 模拟分析

1)采用补强方案后，在留巷期间顶板岩层旋转下沉的过程中，顶板的锚杆索及时承载，控制了锚固区内岩层的离层，使上覆岩层整体协调下沉，避免了因顶板突然下沉形成冲击载荷对巷道与墙体造成破坏。

2)采用补强加固方案可减少巷道围岩的变形量，但由于沿空留巷存在的客观难度，巷道仍会发生较大变形。

3)实施加固方案后，可控制巷道顶板的稳定，使之不发生过度破坏，这对于后期的巷道维护工作具有很大的作用。

4 加固方案与参数

4.1 正常巷段巷道加固方案

1)顶板加强。顶板采用锚索梁补强的方式，形成“2-3-2-3”的锚索布置。钢绞线规格为Ф22×6300mm，配合大托盘并压平钢板施工。

平钢板的规格为长×宽×厚=2500mm×350mm×12mm，分为两种布孔形式：①布置两孔，孔中心距2000mm；②布置三孔，孔中心距1000mm。

大托盘规格为300mm×300mm×12mm。形成“2”的锚索间距2000mm，形成“3”的锚索间距1000mm，排距800mm，具体支护参数见图4-1。垂直顶板钻眼，眼孔深度6000mm，每孔采用一节K2360、两节Z2360树脂药卷加长锚固。锚索预紧力不低于90kN，锚固力不低于200kN。

2)非回采帮加强。非回采帮底角距底板300mm处斜向下20°施工单体锚杆，采用Ф20×2400mm螺纹钢锚杆，配合200mm×200mm×12mm托盘施工。每根锚杆采用两根Z2360树脂药卷加长锚固，锚杆预紧扭矩不低于300 N·m。

3)施工时机。巷道补强加固工作要超前回采工作面200m完成，以完全避开采动影响区。具体支护参数见图4-1。

4.2 地质构造带巷道加固方案

为巷道向内330m~365m地段为地质构造区域，巷道断面较小，平均尺寸为宽×高=3600mm×2500mm。回采前需对该巷段进行扩刷和重新支护，按施工顺序主要分为注浆、扩刷和打锚杆(索)三个步骤。

 

 

图4-1 正常巷段巷道加固参数

(图中虚线部分为掘进期间支护形式)

4.2.1 注浆

在巷道补强支护之前，先对围岩进行注浆处理，注浆要充分封堵裂隙，提高岩体的可锚性。

1) 注浆材料

注浆材料可选择硫铝酸盐快硬水泥或化学浆液，普通水泥浆液水灰比小，加固效果差。

标号525的硫铝酸盐快硬水泥，水灰比0.85~1.0，胶砂流动度达到121～130mm，其性能特点如下：

(1)早强、高强：除具有传统硅酸盐水泥的优良性能外,还具有水化硬化快,早期强度高,硬化时体积收缩小或不收缩等优良的建筑性能强度：1天达到5.0MPa，3天达到12.0MPa，7天达到20MPa，28天达到40MPa，随着养护龄期增长强度还不断增长。

(2)高抗冻性：在0～10℃低正温使用，早期强度是波特兰水泥的5～6倍；在0～-20℃加少量外加剂，3～7天强度可达到设计标号的70～80%，冻融循环300次，强度损失不明显；

(3)高抗渗性：水泥石结构致密，混凝土抗渗性能是同标号硅酸盐水泥的2～3倍；

(4)抗碳化性能好，干缩率低；

(5)抗腐蚀性能好，尤其是抗海水腐蚀性能优于高抗硫酸盐水泥，抗腐蚀系数大于1。

2) 初喷密封

为了提高注浆效果，需要在原位巷道稳定围岩表面喷射薄层混凝土，封闭围岩，防止浆液泄漏。喷层厚度为50mm；喷浆拌料要均匀，材料的配比为：水泥：黄沙：石子=1：2：2，水灰比为45%，速凝剂掺量为水泥重量的(2.5-4)%，拌料要均匀。

3) 浅孔注浆

注浆孔参数：注浆孔分别布置在顶板和两帮，见图4-2，注浆孔排距1600mm，采用1500mm注浆锚杆。

 

图4-2 浅孔注浆

4) 深孔注浆

注浆孔分别布置在顶板和两帮，见图4-3，注浆孔排距1600mm，与浅孔注浆锚杆交错布置，深孔注浆采用2400mm注浆锚杆。

 

图4-3 深孔注浆

5) 注浆方式

采用“低压浅孔初注、高压深孔复注、交替布孔”的方式注浆，压力初期定为1.0~1.5MPa，逐渐提高压力，具体参数可现场试验后确定。

4.2.2 扩刷

注浆完成之后，对该巷段进行扩刷，扩刷应遵循“由外向里、一棚一刷”的原则，并做好临时支护工作。每棚扩刷后立即对顶板进行锚杆支护，然后重新架棚。扩刷后巷道断面为：宽×高=4000mm×3800mm。

4.2.3 锚杆索支护参数

1)顶板支护。顶板采用锚带的形式施工6根锚杆，采用3900mm长M5钢带，钢带布置6孔，孔距750mm，使用与W型钢带相匹配的托盘。采用Ф20×2400mm螺纹钢锚杆，每根锚杆采用两根Z2360树脂药卷加长锚固，肩角处锚杆斜向外20°施工。锚杆预紧扭矩不低于300N·m。锚杆间距750mm，排距800mm。

每两排锚杆之间施工锚索梁，形成“2-3-2-3”的锚索布置。钢绞线规格为Ф22×6300mm，配合大托盘并压平钢板施工。平钢板的规格为长×宽×厚=2500mm×350mm×12mm，分为两种布孔形式：①布置两孔，孔中心距2000mm；②布置三孔，孔中心距1000mm。大托盘规格为300mm×300mm×12mm。形成“2”的锚索间距2000mm，形成“3”的锚索间距1000mm，排距800mm，具体支护参数见图4-1。垂直顶板钻眼，眼孔深度6000mm，每孔采用一节K2360、两节Z2360树脂药卷加长锚固。锚索预紧力不低于90kN，锚固力不低于200kN。

2)非回采帮支护。非回采帮按800mm间距施工5根Ф20×2400mm螺纹钢锚杆，配合200mm×200mm×12mm大托盘加钢筋托梁压网支护，钢筋托梁规格为SB-16-3600-5，采用16#圆钢焊接而成，宽度为80mm，长度为3600mm，在安装锚杆的位置处焊上两段纵筋，以便安装锚杆。菱形金属网采用8#铁丝编织，丝距为50mm。底角处锚杆斜向下20°施工。每根锚杆采用两根Z2360型树脂药卷加长锚固。锚杆间距800mm，排距800mm，扭矩不低300N·m。

 

图4-4 陷落柱段巷道支护示意图

3)回采帮支护。回采帮按800mm间距施工5根Ф20×2400mm螺纹钢锚杆，每根锚杆配合200mm×200mm×12mm托盘施工，并采用两根Z2360型树脂药卷加长锚固。底角处锚杆斜向下20°施工。锚杆间距800mm，排距800mm，预紧扭矩不低200N·m。具体支护参数见图4-4。

4.2.4 重新架棚

锚杆索施工完毕后，对巷道重新架工字钢棚，工字钢棚尺寸与断面尺寸一致。

4.3 超前开缺口顶板支护方案

超前采煤工作面2～3m对巷道回采侧进行开缺口(撕帮)处理，墙体宽度4m，其中1m在巷道内。为了便于施工，撕帮宽度定为3.2m，开缺口高度与巷道一致。

1)锚杆支护。顶板施工4根锚杆，加W型钢带配合200mm×200mm×12mm托盘，W型钢带长度为3000mm。采用Ф20×2400mm圆钢锚杆，每根锚杆采用两根Z2360型树脂药卷加长锚固，肩角处锚杆斜向外20°施工。锚杆间距900mm，排距800mm，预紧扭矩200N·m。

其中，在巷内顶板锚索补强形成“3”的施工排，将顶板锚杆梁向巷内平移400mm，具体见图4-5。

2)锚索支护。在开缺口顶板中部垂直向上施工单体锚索，钢绞线规格为Ф22×6300mm，配合300mm×300mm×12mm大托盘施工。每根锚索采用一节K2360、两节Z2360树脂药卷加长锚固。锚索预紧力不低于90kN，锚固力不低于200kN。锚索排距1600mm。具体支护参数见图4-5。

3)特殊地段，例如受断层、淋水、陷落柱等地质构造影响巷段，根据顶板安排提前预注浆加固。为保证待充填区域顶板的稳定，需加大锚杆索的支护强度，并考虑是否进行化学注浆。

4.4 巷内辅助加强支护

结合沙曲矿的实践经验，本工作面回采期间周期来压步距在25m左右。因此，在回采期间，超前工作面前方60m、滞后工作面100~200m范围内受采动影响的区域，采取单体液压支柱的加强支护形式。每排三根单体支柱配以铰接顶梁支护，排距0.8~1.0m。200~400m之后视矿压情况采用木点柱拆换单体支护。

在充填墙体与实体煤帮共同承担顶板载荷的同时，巷道顶板将发生最大幅度的下沉，单体支护支柱及时对顶板提供支撑力，保证顶板岩层整体协调变形，防止顶板发生过大离层。

根据矿压情况，灵活使用单体支柱，超前采动影响区开始渐次增加单体支柱密度，留巷后方渐次减小单体支柱密度。

5 施工要求

根据前面支护思想的说明，锚杆的预紧力是锚杆支护最为关键的技术参数，只有锚杆的高预紧力才能有效实现对巷道围岩的初期变形的约束和整体结构稳定性的维护。因此，在试验过程中必须保证锚杆的预紧力不低于80kN。

5.1 基本要求

(1) 扭矩要求：除满足连续机械安装锚杆的基本要求外，须采用气扳机进行二次加扭，最终帮顶锚杆扭矩不得低于300N·m(回采帮200 N·m)，滞后不得超过2~3天，须有专人实施巡检，随时增加松动锚杆扭矩。

(2) 围绕钻孔成孔质量和锚杆安装质量来组织施工。

(3) 根据顶板赋存和淋水情况，尽可能施工导水孔，集中排水。

 

图4-5 超前开缺口顶板支护参数

 

图4-6 巷内辅助加强支护

5.2 锚杆锚索安装要求

1) 顶板锚杆安装要求

(1) 安设临时支护：铺设金属网。

(2) 打顶板锚杆孔：采用单体锚杆钻机按设计孔位打锚杆眼。

(3) 送树脂药卷：向锚杆孔装入树脂药卷，用组装好的锚杆慢慢将树脂药卷向孔底推入。

(4) 搅拌树脂：用搅拌接头将钻机与锚杆销钉(堵头)螺母连接起来，然后升起钻机推进锚杆，至顶板岩面300~500mm时开始搅拌，缓慢升起钻机并保持搅拌30s后停机。

(5) 紧固锚杆：50s后再次启动钻机边旋转边推进，锚杆螺母在钻机的带动下剪断定位销或推出堵片，托盘快速压紧顶板岩面，使锚杆具有较大的预拉力，钻机输出扭矩≥150N·m。

(6) 气扳机二次及时加扭，扭矩不小于300N·m。

2) 帮部锚杆安装要求

(1) 按设计部位打巷道帮锚杆孔：根据煤岩条件选择气腿式凿岩机、煤电钻或帮部锚杆钻机施工，与锚杆等长钻杆。

(2) 送树脂药卷：穿过钢带、金属网向锚杆孔装入树脂药卷，用组装好的锚杆慢慢将树脂药卷推入孔底。

(3) 搅拌树脂：用连接套将煤电钻或帮锚杆钻机与锚杆螺母连接起来，并用锚杆将树脂药卷推入孔底，然后开动钻机边搅拌边推进，保持30s并推入孔底后停止。

(4) 安装锚杆：50s后再次开动钻机，将螺母中的定位销剪断或推出堵片，托盘快速压紧岩面，安装完毕。

(5) 气扳机二次及时加扭，扭矩不小于300N·m(回采帮200 N·m)。

3) 顶板锚索安装要求

(1) 打顶板眼：按设计眼位和角度施工安装，眼深按设计要求。

(2) 送树脂药卷：向孔内装入树脂药卷，用钢绞线慢慢将树脂药卷推入孔底。

(3) 搅拌树脂：用搅拌接头将单体锚杆钻机与钢绞线连接起来，然后升起钻机推进钢绞线，边搅拌边推进，直到推入孔底，停止升钻机搅拌20~30s后停机。

(4) 拉钢绞线：半小时后用张拉千斤顶张拉钢绞线，预紧力不低于90kN。

5.3 特别提醒

1) 成孔质量注意事项

(1) 孔直度要高，即接换钻杆时，应确保钻机位置不动，保持一条中心线；

(2) 孔深应准确，即要求采用与锚杆等长的钻杆完成钻孔，误差不能大于20mm；

(3) 孔壁要清洁，钻孔完成后，应反复冲刷直至孔内出清水，不留煤岩粉。

2) 锚杆安装合格的标志

(1) 丝扣外露≤50mm，确保锚杆上紧时，仍留有丝扣；

(2) 塑料减摩垫圈严重挤压变形；

(3) 网应封闭顶帮岩煤体，铺网搭接长度不低于100mm，接扣间距≤100mm，确保封闭连接和强度要求，以满足长期维护。

3) 锚索安装注意事项

(1) 锚索钻孔施工的过程中，必须保证三径(钻孔直径、锚索直径、药卷直径)合理匹配；

(2) 孔深要适当，不得过深或过浅，保证钢绞线外露150~250mm；

(3) 钻孔要直，施工过程中尽量不要晃动钻机，防止将钻孔扩大；

(4) 锚索钻孔施工完毕后，立即安装药卷；

(5) 树脂药卷安装后，推进钢绞线挤压树脂药卷入孔底，再搅拌20~30s，保证钢绞线深入孔底；

(6) 锚索锚固效果差时，可在锚索锚固段用一些细铁丝做成毛刺，成“∝”型，同时在锚固段底部加挡环，辅以搅拌药卷，保证药卷的搅拌均匀到位。

6 矿压观测

6.1 观测内容

经研究分析，巷道回采期间矿压监测主要指标如下：

(1) 巷道表面位移。反映巷道表面位移的大小及巷道断面缩小程度，可以判断围岩的运动是否超过其安全最大允许值，是否影响巷道的正常使用。

(2) 围岩深部位移。反映距巷道表面不同深度的围岩移近量，可以判定围岩的塑性区范围以及围岩的稳定状况，分析锚杆和围岩之间是否发生错动，可以判断锚杆的应变是否超过极限应变。

(3) 锚杆(索)受力监测。锚杆(索)受力大小可以判断锚杆(索)的工作状态及其参数是否合理，如锚杆选择、锚杆布置密度是否合适等。

(4) 巷道顶板压力观测。用于判断超前采动压力及采后残余支承压力的变化规律及其峰值离工作面的距离。

(5) 顶板岩层离层、裂隙发育观测。掌握顶板活动规律和裂隙发展发育情况，分析老顶岩层的活动规律，研究巷道围岩结构的稳定性规律，判断顶板锚固区内、外围岩的离层情况以及锚杆支护参数的合理性。

(6) 充填墙变形及承受载荷测定。由于充填墙体施工的特殊性，要直接测定充填墙的即时承载强度大小，就目前的测试仪器和手段还难以真正做到精准。而采用应力—应变之间的关系，通过测定墙体的变形量得到墙体垂直方向上的应变值ε，再根据充填材料实验室测定的应力—应变关系，可得到充填墙体对应于具体的应变值ε时的即时应力值σ。充填墙体受力观测是沿空留巷矿压观测的一个重要内容，其观测方法是在充填墙体中埋设压力计。被测量的介质(混凝土)压力施加于压力计的压力枕平面上，变为压力枕内的液体压力，该压力经油管传递给压力表，由压力表指示出压力值。

6.2 观测手段及测试方法

6.2.1 巷道表面位移

(1) 测点布置：采用十字断面法布置测点，如图6-1所示。

            

图6-1  表面位移测点布置示意图   图6-2 螺母钩

(2) 测点安设：在选择合适的测点后，于巷道两帮及顶板各安装一根长度为1m的短锚杆，钻孔深800mm，锚固长度200mm，外露200mm。锚杆端头安装螺母钩(图6-2)，底板施工长度为400mm短锚杆。

(3) 测量方法：测量时，两帮拉线，自顶板挂上铅锤，形成十字断面，分别观测左右两帮及顶底的变形量。这种观测方法测量方便，数据准确，效率较高。

(4) 数据记录

表6-1 巷道表面位移观测原始数据记录表

工程名称：           断面编号：            断面位置：           单位：mm

6.2.2 围岩深部位移

多点位移计是观测巷道在掘进和受采动影响的整个服务期间内深部围岩变形随时间变化情况的一种仪器。安设多点位移计的目的是：

①了解巷道围岩各部分不同深度的位移，岩层弱化和破坏的范围(离层情况、塑性区、破碎区的分布等)；

②判断锚杆、锚索与围岩之间是否发生脱离，锚杆、锚索应变是否超过极限应变量；

③为修改支护设计提供依据。

(1) 监测器材

进行巷道围岩多点位移监测的器材为多点位移计，如图6-3所示，共设1.0m、2.0m、3.0m、4.0m、5.0m、6.0m共六个测点，

 

图6-3  多点位移计

(2) 安装位置

监测巷道两帮围岩运动的多点位移计安装于距地面1.5～2m、两排钢带的正中间处，两帮须保持水平；监测巷道顶板岩层运动规律的多点位移计安装位置为位于巷道中线、两排钢带的正中处。

(3) 施工质量要求

安装多点位移计的钻孔应保证角度平直，位移计内的钢丝张拉充分。

(4) 数据记录

表6-2 多点位移计观测数据记录表

工程名称：          断面编号：            断面位置：           单位：mm

通过测量基点与顶板表面相对位移变化情况，测得各个基点之间的位移变化情况以及总的位移变形情况。绘制观测数据结果曲线，根据曲线变化，判断围岩深部位移情况，以期全面掌握围岩活动规律，为后续支护措施的施工提供有利依据。

6.2.3 锚杆(索)受力监测

(1) 监测器材。针对锚杆、锚索受力状态的监测采用测力计(亦称液压枕)，产品如图6-4所示，其中：监测锚杆受力的仪器采用最大刻度20MPa的仪表，监测锚索的仪器采用最大刻度60MPa的仪表。安装前应记录压力(MPa)与拉力(t)的对应关系。

 

图6-4  测力计(液压枕)产品示意图

(2) 安装时间。测力计应在初次安装锚杆、锚索时即进行安装。

(3) 安装方法。测力计的安装位置应位于钢带(或大托盘)与锚杆托盘(或锚索小托盘)之间。安装前应联系施工队伍，将所选锚杆外露长度不小于100mm，液压枕内外侧分别放上一块平托盘，加螺母预紧(图6-5)，压力表应有一定初始值。

图6-5 液压枕安装示意图

(4) 施工质量要求。

锚杆、锚索钻孔平直，测力计(液压枕)与钢带及托盘受力均匀，表盘的位置应便于观测。

6.2.4 巷道顶板压力观测

(1)观测目的

主要是对距回采工作面不同距离处巷道顶板压力进行观测。目的在于掌握采动影响下巷道顶板压力的变化，为巷道动态控制提供决策依据。

(2)观测方法

采用压力测试仪，可对单体支柱工作阻力进行测定，并记录单体支柱工作阻力。自工作面前方单体支柱架设时开始测定，每隔10m观测一排单体支柱工作阻力，共监测8个断面。离工作面30m以外，每天天观测一次；30m范围内，每天观测两次，观测工作直至工作面后方单体支柱卸载为止。

6.2.5 顶板岩层离层、裂隙发育观测

选用YTJ20型岩层探测记录仪探测巷道围岩松动圈范围及其变化情况、围岩岩层在受力过程中位移变化量、煤层及其顶板岩层的岩性和厚度、巷道及采煤工作面顶板离层破裂和破坏情况以及断层和裂隙等地质构造。

仪器选用本质安全YTJ20型岩层探测记录仪，具体结构见图6-6。

 

图6-6 本质安全YTJ20型岩层探测记录仪

(1)仪器简介。岩层钻孔探测仪主要通过在岩层中钻孔探测岩层的构造；可用来探测、测量、记录裂口、裂缝，也可用来发现填有钻屑的裂缝。观测的图像记录在录像带上；通过与计算机连接，其图像可转换为计算机格式的图形文件可以进一步处理；岩层钻孔探测仪由CCD微型探头、图像转换器、发光体、放大器、信号转换器、稳压电源、数码录像设备等组成；从CCD探头到数码录像设备的信号通过电缆传送；CCD探头由不锈钢支撑圆管逐节连接后插入钻孔内。

(2)仪器用途。YTJ20型岩层探测记录仪可准确揭示地下工程围岩状态，结合相关分析软件可准确推测岩层产状、裂隙发育发展情况、工程围岩变形发展及松动范围等。广泛应用于煤矿顶板离层垮冒、地下突水、巷道支护失效等地下灾害工程预警预报；地下工程锚杆支护、围岩注浆加固、巷道修复等参数设计；地下工程施工质量、支护方案评估分析等多个领域，为煤矿及岩土工程提供科学、可靠、真实有效的技术数据。

(3)钻孔布置。在工作面前方20～80m范围内，每隔30m在巷道巷道顶板中点及两肩施工10m深长钻孔，钻孔直径不小于32mm。中顶钻孔竖直向上施工，肩角两钻孔分别向煤壁方向倾斜45°施工。现场应保护好顶板钻孔，每周观测一次，以全面掌握工作面推进过程中顶板岩层裂隙、顶板离层发展发育规律、基本顶破断位置以及基本顶破断与工作面回采的相对关系。

(4)观测方法。在岩层中钻出中42mm的钻孔，并用水冲尽孔内岩石碎块；将卷尺的一端由孔口用不锈钢支撑圆管一直推到孔底，并且固定在孔底；将探测仪的CCD探头、数码录像器通过电缆线连接在一起，将CCD探头安装在支撑圆管上；将CCD探头送到钻孔孔口后，开启系统电源，打开录像器开关。将CCD探头用支撑管匀速推入钻孔内，直至孔底，探测结束。

6.2.6 充填墙变形及承受载荷测定

1) 测试原理

由于充填墙体施工的特殊性，要直接测定充填墙的即时承载强度大小，就目前的测试仪器和手段还难以真正做到精准。而采用应力—应变之间的关系(见图6-7)，通过测定墙体的变形量得到墙体垂直方向上的应变值ε，再根据充填材料实验室测定的应力—应变关系，可得到充填墙体对应于具体的应变值ε时的即时应力值σ。

 

图6-7 充填墙体单轴压缩试验应力—应变曲线

2) 墙体变形测定

在现场充填墙体巷道同一断面竖直方向上布置两根按要求加工的钢筋钩，如图6-8所示，L=1.5m，D₀距离在200～300mm内。通过游标卡尺精准测量D距离的变化，得出充填墙体的应变ε：

式中：

D₀ ——初次安装钢筋钩时，两钢筋钩端部距离，mm；

D_i  ——第i次测量两钢筋钩端部距离，mm，

其中 i =1，2，3，4……n

 

图6-8 充填墙体变形量测定

3) 墙体承载测定

充填墙体受力观测是沿空留巷矿压观测的一个重要内容。其观测方法是在充填墙体中埋设压力计。混凝土压力计的原理是，被测量的介质(混凝土)压力施加于压力计的压力枕平面上，变为压力枕内的液体压力，该压力经油管传递给压力表，由压力表指示出压力值(MPa)。

具体做法是：在充填前预先把压力计(量程40MPa)放在充填空间的上部(距顶板0.5m处)，在侧模板上面的顶板上挖一个小槽把压力计的线引出，以方便和表盘连接。沿工作面倾向方向每隔0.5m布置一个压力计，每个断面布置3个，共布置两个断面。离工作面30m以外，每天观测一次；30m范围内，每天观测两次。主要观测充填墙体的受力与工作面距离的关系，从而掌握工作面的压力随着工作面的推进，在周期来压过程中的变化规律，进一步分析充填参数是否合适及充填材料的强度能否满足留巷的要求。

7 施工期间注意事项

1) 类似条件下无煤柱沿空留巷尚缺少成功经验，施工时应高度重视该留巷试验，组织队伍高质量施工落实本加固方案，并在留巷期间成立矿压观测小组对留巷进行矿压观测，并及时进行总结。

2)煤巷锚杆支护必须严格按作业规程及支护设计有关规定进行施工，从打眼角度、深度、树脂药卷的数量质量、钻机输出扭矩等各个环节落实到位，初锚力、锚固力必须到达设计要求，确保锚杆支护质量。

3) 掘进期间施工断面超宽或超高大于500mm时，回采前须采用补打锚杆或其它支护方式进行加固，由矿分管领导组织实施。

4) 工作面端头支架移架及支撑时应注意对开缺口顶板支护体的保护，可适当降低初撑力。

5) 为保证安全起见，人工加扭时，帮顶部锚杆螺母预紧力矩不得低于300N·m，定期对松动锚杆进行二次预紧。

6) 施工单位必须落实专人日常巡查监护巷道支护状况，发现断锚杆、断锚索、退索、围岩异常等现象要及时汇报技术部门、矿调度所以及有关领导，以便及时采取措施，确保安全。

7) 锚杆支护作业时，遇煤炮、顶、帮移近量显著增加、底板出现较大底鼓、顶板出现淋水或淋水增大、围岩节理发育、突发性片帮掉渣、巷道不易成型、钻眼速度异常等情况，须立即停止施工，查明原因，采取针对性措施后方可继续施工。

8) 高度重视地质构造带、高地应力区域的支护技术。采用煤巷锚杆支护巷道，迎头遇地质构造时，必须先停止作业，采用架棚等有效的支护形式；高地应力区域，要及时修改支护参数，保证支护效果。

9) 其他安全措施严格执行《煤矿安全规程》的相关规定。