四候煤业3102工作面巷道锚固支护方案3-23

山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告

四候煤业3102工作面巷道锚固支护方案

项 目 研 究 报 告

晋能集团技术中心

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二○一五年三月

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I

山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 四候煤业3102工作面巷道锚固支护方案

项目研究报告

委托单位: 山西煤炭运销集团阳城四侯煤业有限公司 承担单位: 山西煤炭运销集团阳城四侯煤业有限公司 山西煤炭运销集团科学技术研究有限公司 项目负责人

崔文龙 矿长 工程师

项目参加成员

山西煤炭运销集团阳城四侯煤业有限公司

田王健 总工程师 工程师 魏树龙 总工办主任 助理工程师

山西煤炭运销集团晋城阳城有限公司

张军军 总工程师 工程师

山西煤炭运销集团晋城有限公司

王 春 总工程师 高级工程师 董福凯 副经理 高级工程师 成德安 生产技术部部长 工程师

山西煤炭运销集团有限公司

王平虎 总工程师 高级工程师 李风珍 技术中心主任 高级工程师 王 东 技术中心 高级工程师 鲁 伟 科技公司 工程师

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 目 录

1 绪论............................................................................................................................ 1 2 四侯煤业3#煤层地质条件与开采情况 ................................................................... 3 2.1煤层基本情况 ...................................................................................................... 3 2.2地质构造与水文地质条件 .................................................................................. 4 2.3 3101、3102工作面巷道布置 ............................................................................. 5 2.4 3101工作面设备配置 ......................................................................................... 6 3 四侯煤业3#煤层回采巷道围岩稳定性分类研究 ................................................... 9 3.1 巷道围岩物理力学参数分析 ............................................................................. 9 3.2 3#煤层巷道围岩稳定性分类 ............................................................................. 16 3.2.1 巷道围岩稳定性分类基础......................................................................... 16 3.2.2 分类指标..................................................................................................... 18 3.2.3 分类结果..................................................................................................... 19 4 3102工作面巷道锚固支护方案.............................................................................. 21 4.1 3102工作面回风顺槽护巷煤柱宽度分析 ....................................................... 21 4.1.1煤柱载荷估算.............................................................................................. 21 4.1.2 煤柱强度估算............................................................................................. 22 4.1.3煤柱宽度估算.............................................................................................. 22 4.2 3102回风顺槽锚固支护方案 ........................................................................... 23 4.3 3102进风顺槽锚固支护方案 ........................................................................... 27 4.4锚固材料的规格、性能及其选择 .................................................................... 30 4.4.1 锚固剂的规格、性能及其选择................................................................. 30 4.4.2 锚索的规格、性能与选择......................................................................... 31 4.4.3 锚杆的规格、性能与选择......................................................................... 32 4.4.4 锚杆与锚索托盘的规格、性能与选择..................................................... 33 4.4.5网的规格、性能与选择.............................................................................. 33

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III

山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 4.5锚杆(索)预紧力的确定 ..................................................................................... 34 4.6喷射混凝土 ........................................................................................................ 39 4.6.1喷射混凝土的常用配比.............................................................................. 40 4.6.2影响喷射混凝土强度的因素分析.............................................................. 40 4.7 锚杆与锚索的施工工艺 ................................................................................... 44 4.7.1锚杆施工工艺.............................................................................................. 44 4.7.2 锚索施工工艺............................................................................................. 44 4.8 施工操作安全技术要求 ................................................................................... 44 4.8.1 顶板管理及锚杆施工安全技术要求......................................................... 45 4.8.2 锚索施工与操作安全技术要求................................................................. 46 5锚固质量检查与工作面巷道矿压监测方案........................................................... 47 5.1 锚固质量的日常检查 ....................................................................................... 47 5.2工作面巷道矿压监测内容 ................................................................................ 48 5.3工作面巷道支护效果观测方案 ........................................................................ 48 5.3.1测站布置...................................................................................................... 48 5.3.2观测系统...................................................................................................... 50

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 1 绪论

受山西煤炭运销集团阳城四候煤业有限公司的委托，山西煤炭运销集团科学技术研究有限公司承担了《四候煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究》课题。该课题主要包括巷道围岩地质力学评估、巷道支护初始设计、井下巷道矿压监测方案、日常监测、信息反馈和修正设计等5个部分。

在巷道围岩地质力学评估部分中，主要包括地质条件和生产条件调查、巷道围岩物理力学性质测定、围岩结构观测、地应力测量和锚杆拉拔力试验。具体内容为：煤层厚度、煤层倾角与水平方向的夹角、地质构造、水文地质条件、煤巷几何形状与尺寸、2倍巷道宽度范围内顶底板岩层层数与厚度、岩层物理力学参数、岩层的分层厚度、岩层节理裂隙间距、巷道轴线方向、巷道埋深、原岩应力的大小与方向、煤柱宽度、采动影响、锚杆在岩层中的拉拔力等。

在巷道支护初始设计部分中，主要包括巷道地质与生产条件及地质力学评估结果、巷道断面设计、锚杆支护形式设计、锚杆支护参数设计、锚杆支护材料选择、锚杆支护施工工艺、锚杆支护矿压监测设计、巷道围岩复杂地段支护设计、采动影响时巷道超前支护设计。

在井下专项监测部分中，主要包括巷道表面收敛量监测、顶板离层动态监测、锚杆、锚索受力状态监测等内容。

在日常监测部分中，主要包括锚杆、锚索预紧力检查、锚杆、锚索锚固质量巡回视检查、锚固力拉拔检查等内容。

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 在信息反馈和修正设计部分中，指出：锚杆支护设计不是一次完成，而是一个动态过程。一个成功、安全的巷道锚杆支护设计，要充分的利用每一个过程中提供的信息，即巷道围岩情况调查和地质力学评估，以理论计算为主的初始设计，井下日常检查与专项监测，信息反馈和修正设计。矿井地质条件的不同，需及时调整支护参数，重视锚杆、锚索的支护质量检查与受力监测，发现问题及时纠正。

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 2 四侯煤业3煤层地质条件与开采情况

2.1煤层基本情况

山西煤炭运销集团阳城四侯煤业有限公司获批开采3#~15#煤层。现开采3#煤层，该煤层位于山西组中下部，上距下石盒子组底砂岩(K8) 28.73m，下距太原组K6灰岩14.35m，下距15#煤层约80.78m，煤层厚度1.00~5.05m，平均3.29m，赋煤区稳定可采。煤层结构简单~较简单，夹0~3层夹矸。3#煤直接顶板多为粉砂岩、泥岩，直接顶下常有0.01~0.05m的炭质泥岩及灰色泥岩伪顶，老顶为灰色细粒砂岩、泥岩互层，底板一般为泥岩、粉砂岩。该煤层在井田中南部被剥蚀。井田内已采面积较大，现只有F351断层以北未开采。

根据山西省煤炭工业局综合测试中心2010年9月提供的《山西煤炭运销集团阳城四侯煤业有限公司矿井瓦斯涌出量预测报告》，矿井按0.90Mt/a生产时，3#煤层一采区上分层最大绝对瓦斯涌出量16.70m3/min，最大相对涌出量为8.82m3/t；一采区下分层最大绝对瓦斯涌出量5.72m3/min，最大相对涌出量为3.02m3/t。在开采3#煤层时，属低瓦斯矿井。

根据中国矿业大学(北京)2010年12月提供的《山西煤炭运销集团阳城四侯煤业有限公司3#煤层煤与瓦斯突出危险性鉴定(修改版)》， 3#煤层鉴定区域内的瓦斯压力小于0.50MPa，未超过0.74MPa，鉴定区域内无瓦斯突出危险性。

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 根据山西省煤炭工业局综合测试中心2010年5月提供的《四侯煤业煤芯煤样检测报告》，井田内3#煤层煤尘无爆炸性；自燃等级为Ⅲ级，为不易自燃煤层。 2.2地质构造与水文地质条件

山西煤炭运销集团阳城四侯煤业有限公司位于阳城县西北约10km处固隆乡府底村一带，行政区划隶属阳城县固隆乡管辖。其地理坐标为东经112°16′21″~112°19′14″，北纬35°29′39″~35°32′53″。目前开采3#煤层，煤层平均埋深约200m，井田面积为11.8301km2。井田为宽缓的褶曲构造，地层倾角较缓，为2~7°。井田中部地层抬升，3#煤层被部分剥蚀。断裂构造较发育，井田内发育大小三条正断层，界内未发现陷落柱和岩浆岩活动，井田构造总体属简单类型。

F351正断层：展布于井田中北部，走向近东西向，穿越整个井田，断层倾向南，倾角70°，落差约60m，本断层为区域断层(献义断层)在井田内的延伸。

F359正断层：展布于井田中南部，走向为NE向，断层倾向北西，为正断层，倾角约70°，落差约10m。该断层为区域断层在本井田内的延伸。

F1正断层：位于井田东南部，走向北东，倾向北西，倾角70°，落差0~30m。

矿井井田3#煤层以裂隙含水层充水为主，矿井水文地质类型为中等。井田内奥灰水水位标高为535~550m，3#煤层底板标高为

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 624~647m，高于奥灰水岩溶水位标高，为不带压开采煤层。

本井田3#煤层采空区较多。一采区为实体煤，无采空区，不存在采空区积水，预计局部区域有淋水或渗水，对3101、3102工作面采掘活动有影响的主要为上覆含水岩层水。 2.3 3101、3102工作面巷道布置

3#煤层一采区东西宽约1250.0m，南北长约1050.0m，可采煤层厚度为4.43～4.78m。工作面布置在采区巷道的北侧，一采区主要巷道沿煤层三巷布置，分别为一采区轨道运输巷、一采区胶带运输巷和一采区回风巷。图2-1为一采区3101、3102工作面巷道布置图。

3102工作面3101工作面进风顺槽回风顺槽进风顺槽回风顺槽原回风立井已关闭一采区轨道运输巷一采区胶带运一采区轨道运一采区胶带运轨道运输大输巷输巷一采区回风巷输巷巷临时采区变电所一采区回风巷通风行人排水斜巷一采区胶带转载巷回风立井胶带图2-1 3101、3102工作面巷道布置图

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一采轨区道运运输煤输大仓大巷巷一采区水泵房

山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 一采区3101、3102工作面地面相对位置位于阳城县固隆乡东村村东北，四侯煤业工业广场东北山地，地面标高700~740m。地表无河流、塘坝等水体，无工矿厂区。对一采区3101、3102工作面采掘活动有影响的主要为工作面开切眼北部200m处的F314正断层，位于井田北部边界，倾角70°，落差0~80m。

3101工作面为首采工作面，工作面巷道沿3#煤层顶板布置，坡度6°～8°，平均埋深约237m，煤层厚度平均为4.25m。工作面进风顺槽与开切眼贯通处底板标高为580m，进风顺槽净宽为5.0m，净高为3.5m，长为530m，沿煤层顶板布置；回风顺槽与开切眼贯通处底板标高为576m，回风顺槽净宽为5.0m，净高为3.5m，长为530m，沿煤层顶板布置；开切眼位于进风顺槽开口点北部530m处，与回风顺槽贯通，煤层厚度为4.6m，倾角1.5°，净宽为8.5m，净高为3.5m，长为150m，沿煤层顶板布置。

3102工作面巷道沿3#煤层顶板布置，平均埋深约240m，煤层厚度平均为4.7m。进风顺槽、回风顺槽净宽为4.5m，净高为4.7m，长为640m，沿煤层顶、底板布置。 2.4 3101工作面设备配置

表2-1为3101工作面设备配置。表2-2为中间架技术参数。表2-3为过渡架技术参数。表2-4、表2-5为两顺槽超前架技术参数，两架一组，共三组，超前支护长度21m。

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 表2-1 3101工作面设备配置 序号 1 2 3 4

设备 采煤机 刮板输送机 转载机 胶带输送机 进风顺槽超前支架 回风顺槽超前支架 过渡支架 中间架 乳化液泵

型号 MG400/930-GWD SGZ830/400 SZZ800/250 DSJ100/80/2×160 ZTC32700/27/52 ZTC28000/27/52 ZYG10000/25/52D ZY10000/25/52D BRW315/31.5

主要技术参数

采高2.8～5.1m，煤层硬度：硬、中硬，

牵引速度7.35～12.26m/min

长度150m，输送量1200t/h，刮板链速

1.31m/s

长度53m，输送量2200t/h，刮板链速

1.545m/s

长度500m，输送量800t/h，胶带速度

2.5m/s

支架高度2700-5200mm，工作阻力

32700kN

支架高度2700-5200mm，工作阻力

28000kN

工作阻力10000kN，支架高度

2500-5200mm

工作阻力10000kN，支护高度

2500-5200mm

流量315L/min，压力31.5MPa，功率

250KW

2.5～5.2m 1750m

7916KN(P=31.5MPa) 10000KN(P=39.8MPa) 1.86～1.96MPa 1.18～1.22MPa 31.5MPa

900(移动有效步距800)

电液控制 36.7t 7350×1680×2500

2.5～5.2m 1750m

7916KN(P=31.5MPa) 10000KN(P=39.8MPa) 1.01～1.04MPa 31.5MPa 电液控制 约38.7t 8150×1630×2500

数量 1 1 1 1 6 6 5 80 2

5

6 7 8

表2-2 中间架技术参数

1 2

3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9

最低～最高支撑高度 中心距 初撑力 工作阻力 对底板最大压力 支护强度 泵站压力 推移行程(mm) 操作方式 支架总重量

外形尺寸：长×宽×高(mm) 最低～最高支撑高度 中心距 初撑力 工作阻力 支护强度 泵站压力 操作方式 支架总重量

外形尺寸：长×宽×高(mm)

表2-3 过渡架技术参数

表2-4 回风顺槽超前架技术参数

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 最低～最高支撑高度 外形尺寸：长×宽×高(mm) 中心距 初撑力 工作阻力 对底板比压 支护强度 泵站压力

推移行程(mm) 操作方式 支架总重量

最低～最高支撑高度 外形尺寸：长×宽×高(mm) 中心距 初撑力 工作阻力 对底板比压 支护强度 泵站压力

推移行程(mm) 操作方式 支架总重量 2.7～5.2m

9014×1755×2700 1820m

27150KN(P=31.5MPa) 32722KN(P=39.8MPa) 1MPa 0.5MPa 31.5MPa 900

手动控制 约150t

2.7～5.2m 7200×1920×2700 2240m

23280KN(P=31.5MPa) 28000KN(P=39.8MPa) 1MPa 0.5MPa 31.5MPa 900 手动控制 约130t 表2-5 进风顺槽超前架技术参数

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 3 四侯煤业3煤层回采巷道围岩稳定性分

类研究

3.1 巷道围岩物理力学参数分析

巷道围岩物理力学参数的资料来源为：晋城市煤田地质勘探队提交的《山西煤炭运销集团阳城四侯煤业有限公司兼并重组整合矿井地质报告》和本课题组岩样取样资料。

根据晋城市煤田地质勘探队2010年8月提供的《山西煤炭运销集团阳城四侯煤业有限公司兼并重组整合矿井地质报告》，3#煤层顶底板工程地质特征如下：伪顶一般为黑色薄层状泥岩，水平层理十分发育，富含植物化石，厚度0～0.20m，极不稳定，随着煤层开采而向下冒落；直接顶为灰黑色含粉砂质泥岩，钙质胶结，分选一般，含有泥岩包裹体，斜层理明显，裂隙不太发育，厚3.05～4.85m，平均厚3.95m。岩石见水极易松散跨落，个别地段的直接顶为细粒砂岩及粉砂岩。属中等坚硬岩石，抗压强度为39.80MPa，抗拉强度为9.51MPa；老顶为灰黑色细粒砂岩，质较坚硬，较为完整，不易跨落，厚5.90～9.42m，平均7.66m；底板为深灰色砂质泥岩，含有植物根、茎化石及炭质碎屑，平均厚8.21m。抗压强度为10.22MPa。

根据《山西煤炭运销集团阳城四侯煤业有限公司兼并重组整合矿井地质报告》，S-4#钻孔3#煤层顶底板岩石物理力学参数为：3#煤层顶板细粒砂岩抗压强度为68.0~72.8MPa，平均为73.1 MPa，抗拉强度

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 为3.9~4.6 MPa，平均为4.2 MPa，内摩擦角为41°12′，凝聚力系数为11.2，属中硬岩石；底板砂质泥岩抗压强度为22.0~27.2MPa，平均为24.7 MPa，抗拉强度为1.4~2.1 MPa，平均为1.7 MPa，内摩擦角为35°20′，凝聚力系数为5.8，属软弱岩层。图3-1为钻孔柱状图。

5 标 志（煤） 层组 编 号岩 性 描 述地累分层层计倾深厚角度度（°）（m）（m）柱 状 图1：200组Q4组段厚度厚累5 . 分05 层化.计 变 0.0分 层范号0度（m志）层柱 状 图岩 1:层5编00围及号～10.标煤 色 灰砾砂 砾黄石色 石 。亚 性 描 述砂质泥岩:深灰色，致密，含植物化石。60010灰0 0 0黄粉砂岩：深灰色，含星点状白云母，夹泥质条带，具缓波状层理。石3°砂质泥岩:黑灰色，致密，性脆，均一，偶见裂隙，含植物化石。西子粉砂岩：深灰色，含星点状白云母，与薄层砂质泥岩互层，中部夹薄层细砂岩。组P2407.7盒0.01-91山粗粒砂岩：白灰-深灰色，中厚层状，石英为主，岩屑次之，含暗色矿物，钙泥质胶结，分选差，中下部裂隙发育，岩心破碎。上82细砂岩：灰白色，中层状，石英为主，含星点状白云母，泥质胶结，具斜层理。Q212.71.011.1020～20 . 0 砂土及棕红色亚粘土，夹砾石层及钙质结核及.222267.1.0310.693040～～167.6.黄6绿5色0灰0中粒、石细英粒砂砂岩岩夹泥岩、砂质泥岩3S00.96..4100K01色粗组砂质泥岩:黑灰色，致密，性脆，均一，含植物化石。细砂岩：灰白色，中层状，石英为主，含暗色矿物，泥质胶结，上部具粉砂质结构，斜层理发育。10°煤：黑色，块状，条带状结构，夹矸为泥岩，为光亮型煤。 结构：2.80（0.50）1.70 采长：2.60（0.50）1.50下3号砂质泥岩:黑灰色，致密，具粉砂质结构，含植物化石。中粒砂岩：灰色，中厚层状，石英为主，含岩屑及暗色矿物，钙泥质胶结，具斜层理，垂直裂隙发育。粉砂岩：深灰色，厚层状，含星点状白云母，夹大量黑色泥质条带，缓波状层理发育。K6石灰岩：深灰色，致密，垂直裂隙发育，充填方解石细脉。P1sK7盒1 8 砂质泥岩:黑灰色，致密，性脆，具泥质结构，含植物化石。子5中粒砂岩：灰色，中厚层状，石英为主，含岩屑及暗色矿物，钙泥质胶结，具斜层理，垂直裂隙发育。太泥岩：黑灰色，致密，性脆，岩心破碎，含植物化石。2.组0.6134.石-11543.2K5石灰岩：灰色，致密，局部可见波状层理，方解石脉发育，含海生动物化石。900952796.5....16.856.751024～～2715.1 7灰8深9灰.45黑0～黑白色色中泥细岩粒与砂细岩粒砂岩，粉砂岩互层6P1山X3394055408..006011K.87～灰砂质泥岩:黑灰色，致密，均一，含少量植物化石碎片。泥岩：黑灰色，致密，性脆，含星散状黄铁矿，含少量植物化石。-39212～灰～灰黑色泥岩，含植物叶片化石3201.080..2652123～336粉砂岩：深灰色，含星点状白云母，具裂隙。西3334..12.7灰2色泥岩与粉砂岩互层，含植物化石233445771353......65663912386.35..98900104～945...48#30灰2灰5煤5,黑黑灰色色黑细含色粒粉,砂砂光岩质亮细砂岩：灰色，中层状，石英为主，含星点状白云母，泥质胶结，缓波状层理发育，与薄层粉砂岩互层。组333155～106～17～泥型岩,含夹矸0～3层,结构简单～较简单4.38..5629.1839. 5.K7原粗粒砂岩：白灰色，厚层状，石英为主，岩屑次之，含暗色矿物，钙泥质胶结，具斜层理，偶见裂隙。粉砂岩：深灰色，含星点状白云母，具砂质结构。K4石灰岩：灰色，致密，方解石脉发育，含海生动物化石。P1S3356..8113.43178～32..3001.50109～12 9灰6深0灰～4灰6 3色灰 中～深粒灰灰砂色岩砂质泥岩含植物化石-510°太584.K066#黑6灰色岩泥岩，下部为K11号煤：黑色，块状，属亮煤。粉砂岩：深灰色，厚层状，含星点状白云母，夹大量黑色泥质条带，缓波状层理发育,含少量植物化石。12号煤：黑色，块状，属亮煤，垂直裂隙发育，充填方解石细脉。泥岩：黑灰色，致密，性脆，含星散状黄铁矿，含少量植物化石。K3石灰岩：灰色，致密，性脆，方解石脉发育，含海生动物化石。..33668.1.550220～31.08142..色08色56泥.含4质0燧粉中m石砂部,生岩为平物及不均碎砂稳质定泥的岩60.32m屑灰岩,号薄煤线，厚03°340161..2068.70201～K597#8#原灰平0色均.6粉0770砂岩及.30mm，平砂，均质不0泥岩，顶部为7号薄煤线，稳定，不可采，中上部为8.60m，不稳定，不可采厚号度煤0～0.3层，厚0～33339.41-37.07 24.75889972.02491.8.62225～23.13号煤：黑色，块状，属亮煤。泥岩：黑灰色，致密，性脆，含植物化石。组K2石灰岩：灰色，致密，坚硬，底部多含泥质，有少量硅质结核，方解石脉发育，含海生动物化石。81..4024.05223～35..7334.02264～41..6078.50205～573.52216～27..4174...98#38灰4不色泥采生粉为含泥质物砂1生岩粉碎质2物，砂屑泥号碎顶岩灰岩煤屑部，岩，层灰为顶部为9号煤，厚0～0.75m，平均0.。可色色9部色色0K45灰11#灰1#2.中2顶，岩13厚部0为～101.号644440001121640..薄0煤m线，，平0均.00.03～90m.，60厚不稳定煤：黑色，块状，属半亮型煤，半暗煤为主，底部有黄铁15号矿结核。炭质泥岩：灰黑色，致密，性脆，染手，贝壳状断口，含星散状黄铁矿，夹煤线。砂质泥岩:深灰色，致密，具泥质结构，含菱铁矿结核及鲕状黄铁矿集合体。C3t本溪组C2b53..6023.00207～83..4143.20K43灰0268～#135灰0号煤，厚0～0.30m，平均0.24m369.31249～68..611K.21#灰38色、色含光细燧亮粒石型石灰，英岩含砂、0岩生～，2物层碎夹屑矸灰，岩结色构泥简岩单0-14.051.20-8.51 7.17 5.02组C3t本溪组C2bK1细砂岩：灰色，中层状，石英为主，硅泥质胶结，较坚硬，具裂隙。泥岩：灰色，致密，性脆，上部含粘土质，下部含铝土质，岩心破碎。4491.90.01.20～2.620305.5煤9灰13..5000.70301-87..9016.70302～K81上部为灰黑4214.深05灰色铝土质泥岩，底部为铁质泥岩，局部夹黄铁矿结核。峰峰组O2f石灰岩：灰色，致密，性脆，不规则的方解石脉发育，偶见溶洞。80-120 100峰峰组O2f5281.089006..030030～120岩夹脆.性有0、以白0节深云理灰质发色灰育、岩，青、多灰角为色砾方厚状解层灰石状岩充隐和填晶泥。质灰石岩灰，岩质为纯主、，性

视电阻率(Ω.M)

井解厚深0.00(a) S-4#钻孔 (b) 综合柱状图

人工-伽玛长源距(CPS)井径深130.000.009000.00图3-1 钻孔柱状图

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 本课题进行了顶板岩样取样工作。取样位置为：一采区3101工作面开切眼中部，距工作面进风顺槽开口点约75m。表3-1~表3-3为单轴抗压强度、单轴抗拉强度、剪切强度、内聚力及内摩擦角等试验结果，图3-2为3101工作面开切眼钻孔柱状图。

试件编号

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

岩性

泥岩 泥岩 泥岩 泥岩 细砂岩 细砂岩 细砂岩 细砂岩 细砂岩 细砂岩 砂质泥岩 砂质泥岩 砂质泥岩 砂质泥岩 砂质泥岩 砂质泥岩 砂质泥岩 粉砂岩 粉砂岩 粉砂岩 粉砂岩 粉砂岩 细砂岩 细砂岩

取样位置 /m

0.5 0.8 1.0 1.5 1.7 2.2 3.5 4.6 5 5.3 6 6.7 7.1 7.4 10 11.5 14.2 16.1 16.6 18.3 18.7 19.5 21.7 23.1

表3-1岩样单轴抗压强度 层厚 试件直径试件高度/m /mm /mm

48.3

1.6

48.3 48.3 48.3 48.3 48.3

4.0

48.3 48.3 48.3 48.3 48.3 48.3 48.3

9.6

48.3 48.3 48.3 48.3 48.3 48.3

4.8

48.3 48.3 48.3

10.4

48.3 48.3

101.2 103.8 103 101.2 104.7 104.7 103.9 96.5 97.6 103.8 101.6 103.2 101 101.8 102.9 102.6 101.8 102.2 102.8 103.8 104. 2 103 105.2 101.6

抗压强度

/MPa

28.62 47.01 35.16 38.29 77.93 64.84 70.51 79.32 84.76 82.58 32.42 29.95 38.51 32.06 29.59 30.16 34.77 39.77 46.21 38.85 40.62 41.89 58.39 46.05

平均强度/MPa

37.27

76.66

32.49

41.47

51.8

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 25 26 27

细砂岩 细砂岩 细砂岩

23.8 26.5 29.4

48.3 48.3 48.3

101.2 103.6 102.6

50.21 54.74 49.63

表3-2岩样单轴抗拉强度

试件编号

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

岩性

取样位置 层厚 平均强度

试件直径/mm 试件高度/mm 抗拉强度/MPa

/m /m /MPa

0.7 0.78 1.3 1.4 1.9 2.0 2.3 4.1 4.8 4.9 6.6 6.7 7.1 8.4 8.5 10.8 12.1 16.9 17.6 17.8 19.0 19.2 22.7 23.6 24.3 25.1 27.4

10.4 4.8 9.6 4.0 1.6

48.3 48.3 48.3 48.3 48.3 48.3 48.3 48.3 48.3 48.3 48.3 48.3 48.3 48.3 48.3 48.3 48.3 48.3 48.3 48.3 48.3 48.3 48.3 48.3 48.3 48.3 48.3

29.2 28.9 31.8 29.3 31.2 32.9 32.6 33.6 30.2 31.6 30.7 30.9 31.5 33.6 29.9 33.8 32.6 31.5 30.3 30.2 32.6 31.2 33.3 29.8 30.4 31.2 30.4

6.67 7.06 5.29 7.43 4.81 5.56 5.44 6.03 4.27 4.85 8.21 9.72 8.61 8.86 7.64 7.31 8.15 6.03 5.72 5.10 7.83 6.34 5.96 4.72 5.18 6.57 6.02

5.69 6.20 8.36 5.16 6.61

泥岩 泥岩 泥岩 泥岩 细砂岩 细砂岩 细砂岩 细砂岩 细砂岩 细砂岩

11 砂质泥岩 12 砂质泥岩 13 砂质泥岩 14 砂质泥岩 15 砂质泥岩 16 砂质泥岩 17 砂质泥岩 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

粉砂岩 粉砂岩 粉砂岩 粉砂岩 粉砂岩 细砂岩 细砂岩 细砂岩 细砂岩 细砂岩

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 柱 状 图分层厚度岩 性 描 述（m）（m）累计高度3510.4细砂岩24.64.8粉砂岩19.89.6砂质泥岩10.26.24.64.01.64.6细砂岩泥岩，灰黑色3#煤层

图3-2开切眼钻孔柱状图

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 表3-3岩样抗剪强度(直剪法)

检测结果

样品

岩性

编号

深度

直径

/m

/mm

48 48

泥岩

0～1.6

49 49 48 49 48

细砂岩

1.6～5.6

50 49 48 50 48

砂质泥岩 5.6～15.2

49 49 48

高度 受压面积 法向破坏荷载 法向抗压强度 切向破坏荷载 切向抗压强度 摩擦系数

2

/mm /mm /kN /MPa /kN /MPa tanφ 51 50 51 50 50 50 51 50 51 50 50 50 51 51 51

1810 1810 1886 1886 1810 1886 1810 1963 1886 1810 1963 1810 1886 1886 1810

3 5 8 10 12 5 10 15 20 25 3 5 8 10 12

1.7 2.8 4.2 5.3 6.6 2.7 5.5 7.6 10.6 13.8 1.5 2.8 4.2 5.3 6.6

5.21 7.84 9.03 12.38 14.59 11.24 14.11 16.63 20.28 34.38 6.11 8.26 10.95 13.07 15.21

2.9 4.3 4.8 6.6 8.1 6.0 7.8 8.5 10.8 19.0 3.1 4.6 5.8 6.9 8.4

0.84

40.03

2.2

0.32

17.74

6.0

0.31

17.22

3.5

内摩擦角

φ/°

凝聚力

/MPa

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

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细砂岩

20～30.4

粉砂岩

15.2～20

49 48 49 48 48 48 49 49 50 48

51 51 50 50 51 51 50 50 50 51

1886 1810 1886 1810 1810 1810 1886 1886 1963 1810

3 5 8 10 12 5 10 15 20 25

1.6 2.8 4.2 5.5 6.6 2.8 5.3 8.0 10.2 13.8

8.61 10.36 11.97 14.29 17.84 11.76 14.66 15.47 18.11 20.13

4.6 5.7 6.3 7.9 9.9 6.5 7.8 8.2 9.2 11.1

0.33

18.26

5.6

0.42

22.78

4.6

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 3.2 3#煤层巷道围岩稳定性分类 3.2.1 巷道围岩稳定性分类基础

1988年原煤炭工业部颁发了试用《我国缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类方案》，包括缓倾斜、倾斜、急倾斜和各种煤层厚度回采巷道，煤层上下山，其他煤巷以及岩石巷道等全部在内的采准巷道围岩稳定性分类方案。根据这一分类方案，巷道围岩的稳定性划分为非常稳定(Ⅰ类)、稳定(Ⅱ类)、中等稳定(Ⅲ类)、不稳定(Ⅳ类)和极不稳定(Ⅴ类)5个类别。

我国煤炭系统的专家、学者和工程技术人员在煤巷锚杆支护研究、设计与施工方面做了大量的工作，积累了丰富的经验，原煤炭工业部锚杆支护专家组将他们的经验集中起来，在采准巷道围岩稳定性分类的基础上，制定了煤巷锚杆支护技术规范。该规范的要点为：

(1) 顶板必须采用金属杆体锚杆。全长锚固或加长锚固锚杆应选用螺纹钢体杆。采用端部锚固锚杆时，设计锚固力不应低于64KN，采用全长锚固锚杆时，杆体破断力不应小于130KN；

(2) 一般情况下，巷帮应支护。巷帮锚杆的设计锚固力不应低于40KN。根据巷道断面、煤层厚度与强度、节理裂隙发育程度、埋藏深度、护巷煤柱宽度、锚杆是否经受截割等因素确定巷帮锚杆的形式与参数；

(3) 锚杆孔径与锚杆杆体锚固段直径之差宜保持在6～10mm范围之内；

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 (4) 顶板靠巷道两帮的锚杆，一般应向两帮倾斜15°～30°(与铅垂线夹角)；

(5) 推荐的金属杆体锚杆支护参数系列见表3-4所示； (6) 推荐的巷道锚杆基本支护形式与主要参数见表3-5所示。

表3-4 金属杆体锚杆系列参数

项目

锚杆长度/m 锚杆杆体直径/mm 锚杆孔径/mm 锚杆排距/m 锚杆间距/m

系列

1.4，1.6，1.8，2.0，2.2，2.4，2.6 16，18，20，22，24 26，28，31，33

0.6，0.7，0.8，0.9，1.0，1.1，1.2，1.4 0.6，0.7，0.8，0.9，1.0，1.1，1.2，1.4

注：帮锚杆杆体直径可选用14mm，锚杆孔径优先选用28mm。

表3-5 巷道顶板锚杆基本支护形式与主要参数选择

巷道类别 Ⅰ

巷道围岩稳定状况

非常稳定

基本支护形式

整体砂岩、石灰岩：不支护 其它岩层：单体锚杆

主要支护参数 不支护 端锚：

杆体直径：>16mm 杆体长度：1.6～1.8m 间排距：0.8～1.2m 设计锚固力：64～80KN 端锚：

杆体直径：16～18mm 杆体长度：1.6～2.0m 间排距：0.8～1.0m 设计锚固力：64～80KN 端锚：

杆体直径：16～18mm 杆体长度：1.6～2.2m 间排距：0.6～1.0m 设计锚固力：64～80KN

全长锚固：

杆体直径：18～22mm 杆体长度：1.8～2.4m 间排距：0.6～1.0m

全长锚固：

Ⅱ 稳定

顶板较完整：单体锚杆

顶板较破碎：锚杆+网 顶板较完整：锚杆+钢筋梁，

或桁架

Ⅲ 中等稳定

顶板较破碎： 锚杆+W钢带（或钢筋梁）+

网，或增加锚索。 桁架+网，或增加锚索

Ⅳ 不稳定 锚杆+W钢带+网，或增加锚

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 索

桁架+网，或增加锚索 1、顶板较完整： 锚杆+金属可缩支架，或增

加锚索

2、顶板较破碎： 锚杆+网+金属可缩支架，或

增加锚索 3、底鼓严重： 锚杆+环型可缩支架

杆体直径：18～22mm 杆体长度：1.8～2.4m 间排距：0.6～1.0m

Ⅴ 极不稳定

全长锚固：

杆体直径：18～24mm 杆体长度：2.0～2.6m 间排距：0.6～1.0m

注：1、巷帮锚杆支护形式与主要参数视地应力大小、巷帮煤（岩）强度、节理状况、护巷煤柱尺寸、巷道断面与是否切割等，参照顶锚杆确定；

2、对于复合顶板，破碎围岩，易风化、潮解、遇水膨胀围岩，可考虑在基本支护形式基础上增加锚索加固或注浆加固、封闭围岩等措施；

3、锚杆各构件强度应与相应锚固力匹配；

4、顶板较完整指节理、层理分级为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级，顶板较破碎指Ⅳ、Ⅴ级，见表3-6。

表3-6 节理、层理发育程度分级

节理、层理分级

Ⅰ

Ⅱ 不发育 1～3 1～2

Ⅲ 中等发育 0.4～1 0.3～1

Ⅳ 发育 0.1～0.4 0.1～0.3

Ⅴ 很发育 <0.1 <0.1

节理、层理发育程度 极不发育 节理间距D1/m 层理间距D2/m

>3 >2

3.2.2 分类指标

与围岩稳定性分类相关的指标主要为：顶板岩石单轴抗压强度、巷道煤层单轴抗压强度、底板岩石单轴抗压强度、巷道埋深、采动影响系数、护巷煤柱宽度和围岩完整性指数，其中，采动影响系数是指因工作面回采引起的超前支撑压力的影响，其值等于直接顶厚度除以煤层采高；围岩完整性指数是指围岩节理、裂隙和层理的影响程度，一般可利用直接顶初次跨落步距代替。

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 3101工作面平均埋深约237m，煤层厚度平均为4.25m，直接顶厚度5.6m，强度小于60~80MPa，为随采随落岩层。工作面回风顺槽侧为实体煤，护巷煤柱宽度取100m；进风顺槽侧护巷煤柱宽度20m。3102工作面平均埋深约240m，煤层厚度平均为4.7m，工作面进风顺槽侧为实体煤，护巷煤柱宽度取100m，回风顺槽侧护巷煤柱宽度20m。 3.2.3 分类结果

井田构造总体属简单类型，矿井水文地质类型为中等，地层倾角2°~7°。在一采区3101工作面掘巷过程中，观测到顶板较为完整，岩层倾角小，煤层顶底板分布较为稳定。本课题在3101工作面开切眼顶板钻孔30.4m，试验结果表明，开切眼直接顶为泥岩，厚1.6m，单轴抗压强度为37.27 MPa，抗拉强度为6.61MPa，抗剪强度为5.34MPa，摩擦系数为0.31，内摩擦角为17.22°，凝聚力为3.5 MPa；其次为细砂岩，厚4.0m，单轴抗压强度为76.66 MPa，抗拉强度为5.16MPa，抗剪强度为10.42MPa，摩擦系数为0.32，内摩擦角为17.74°，凝聚力为6.0 MPa。老顶为砂质泥岩，厚9.6m，单轴抗压强度为32.49 MPa，抗拉强度为8.36MPa，抗剪强度为5.76MPa，摩擦系数为0.84，内摩擦角为40.03°，凝聚力为2.2 MPa；其次为粉砂岩，厚4.8m，单轴抗压强度为41.47MPa，抗拉强度为6.20MPa，抗剪强度为6.88MPa，摩擦系数为0.42，内摩擦角为22.78°，凝聚力为4.6MPa；最后为细砂岩，厚10.4m，单轴抗压强度为51.8MPa，抗拉强度为5.69MPa，抗

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 剪强度为8.56MPa，摩擦系数为0.33，内摩擦角为18.26°，凝聚力为5.6MPa。

根据上述分类指标对矿井的3#煤层一采区3101、3102工作面巷道围岩进行了分类，分类结果均为Ⅲ级，为中等稳定围岩。根据煤巷锚杆支护技术规范推荐的Ⅲ类巷道锚杆支护基本形式为：顶板较完整时基本支护形式为锚杆+钢筋梁，或桁架，端锚，杆体直径16～18mm，杆体长度1.6～2.0m，间排距0.8～1.0m，设计锚固力64～80KN；顶板较破碎时基本支护形式为锚杆+W钢带(或钢筋梁)+网，或增加锚索，桁架+网，或增加锚索，端锚，杆体直径16~18mm，杆体长度1.6~2.2m，间排距0.6~1.0m，设计锚固力64~80KN；全长锚固，杆体直径18~22mm，杆体长度1.8~2.4m，间排距0.6~1.0m。

上述结论将作为本次支护的基本依据，并通过工程类比的方法对这些参数进行进一步的修正，以达到最优支护效果。

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 4 3102工作面巷道锚固支护方案

4.1 3102工作面回风顺槽护巷煤柱宽度分析

护巷煤柱宽度分析包括煤柱允许应力、煤柱承受的极限载荷、煤柱应力分布等方法。其基本观点均为煤柱宽度必须保证煤柱极限载荷不能超过其极限强度，该煤柱才是稳定的。 4.1.1煤柱载荷估算

护巷煤柱上的载荷，是由煤柱上覆岩层重量及煤柱一侧或两侧采空区悬露岩层转移到煤柱上的部分重量所引起的。如图4-1所示。

图4-1 计算煤柱载荷示意图

单位长度煤柱上的总载荷p为

?D2cot??p???B?D??H?? (4-1) ?4??式中：B为煤柱宽度，m；D为采空区宽度，m；H为巷道埋深，m；

?为采空区上覆岩层垮落角；?为上覆岩层平均容重，kN/m。

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 煤柱单位面积的平均载荷即平均应力为

2B?D?H?Dcot?/4???P????? (4-2) ???BB4.1.2 煤柱强度估算

煤柱强度主要由组成煤柱的煤体抗压强度、煤柱的宽度和高度及总的构造特征决定，主要为经验公式，Obert—Dwvall/Wang公式

B??R?Rc?0.778?0.222? (4-3)

h??式中：R为煤柱强度，MPa；Rc为煤柱原位临界立方体单轴抗压强度，MPa；B为煤柱宽度，m；h为煤柱高度，m。

众多实验结果表明，当煤柱的宽高比B/h大于5时，煤柱强度将随B/h的增加而显著增大；当B/h大于10时，一般情况下煤柱不易被破坏。

4.1.3煤柱宽度估算

由于煤柱的宽度必须保证煤柱的极限载荷?不能超过它的极限强度R，故煤柱宽度的计算公式为

2?B?D?H?Dcot?/4????????R?0.778?0.222B? (4-4)

c??1000Bh??取参数如下：采空区宽度D为150m，埋深H为240m，垮落角δ为65°(砂岩垮落角)，上覆岩层平均容重γ为25kN/m3，3#煤单轴抗压强度RC为20.67MPa，煤柱高度h为4.7m。经计算，煤柱宽度为27m，通过加强顺槽锚固强度，煤柱最小宽度不应小于20m。

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 4.2 3102回风顺槽锚固支护方案

根据上述分类指标对矿井的3#煤层一采区3101、3102工作面巷道围岩进行了分类，分类结果为Ⅲ级，为中等稳定围岩。借鉴3101顺槽现状，顶板较为破碎，锚杆间排距为800mm，回风顺槽180～260m处构造发育，采用的锚杆支护基本形式为：顶板较破碎时基本支护形式为锚杆+W钢带(或钢筋梁)+网，或增加锚索，桁架+网，或增加锚索，端锚，杆体直径16~18mm，杆体长度1.6~2.2m，间排距0.6~1.0m，设计锚固力64~80KN；全长锚固，杆体直径18~22mm，杆体长度1.8~2.4m，间排距0.6~1.0m。

3102回风顺槽沿3#煤层顶、底板布置，矩形断面，净宽4.5m，净高4.7m，其紧邻3101回采面，受3101面在回采过程中顶板垮落影响较大，应加强锚固强度，其锚固支护设计方案见图4-2。

基本支护方式：锚杆+网+ W钢带；

补强支护方式：快速承载预应力小直径锚索； (1) 顶板支护

锚杆材料：左旋螺纹钢(25MnSi)，顶板锚杆Ф22×2400mm，杆尾螺纹为M24；

锚杆布置方式：钻孔深度2300mm，外露100mm，排距1000mm，间距1000mm，每排5根锚杆，靠近两帮的锚杆距离巷帮250mm，且向两帮倾斜约20°，锚固剂：K2360和Z2360各一支；锚固力为150KN；

W钢带: BHW235-280-3.0/6-900钢带护顶，孔间距900mm，长度4200mm；

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 锚杆配件：高强锚杆螺母M24×3，配合高强托板调心球垫和尼龙垫圈，拱型高强度托盘，托盘为150×150×10mm，钢号不低于Q235；锚杆预紧扭矩：300N·m；

锚索材料：7股钢绞线，顶锚索Ф17.8×6300mm，钻孔深度6100mm，外露200mm；

锚索布置方式：锚索排距2000mm，每排2根，间距1500mm，距巷帮1500mm，与巷道表面垂直，锚固剂： K2360一支、Z2360两支；

锚索托盘：采用300×300×20mm高强度可调心托板及配套锁具；锚索张拉力：200kN。

(2) 巷帮支护

帮锚杆Ф20×2200mm，杆尾螺纹为M22；非回采帮一侧选用左旋螺纹钢(25MnSi)，回采帮侧选用可回收金属锚杆或玻璃钢锚杆；

帮锚杆钻孔深度2100mm，外露100mm，排距1000mm，间距1000mm，每排5根锚杆，上帮锚杆距离顶板300m，下帮锚杆距离底板400mm，且向顶底板倾斜约20°，锚固剂：K2360和Z2360各一支；

锚杆配件：采用高强锚杆螺母M22×3，配合高强托板调心球垫和尼龙垫圈，托盘采用拱型高强度托盘，托盘为150×150×10mm，钢号不低于Q235；锚杆预紧扭矩：300N·m；玻璃钢锚杆帮的锚杆预紧扭矩不低于70N-m；

W护板：采用BHW235-280-3.0/4-400钢护板护帮，长度4000mm，纵向布置；

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 帮锚索Ф17.8×5300mm，钻孔深度5000mm，外露300mm； 帮锚索布置方式：仅布置在非回采帮侧，锚索排距2000mm，每排2根，一根距顶板1400mm，另一根距底板1800mm，与巷道表面垂直，锚固剂：K2360一支、Z2360两支；

锚索托盘：采用300×300×20mm高强度可调心托板及配套锁具；锚索张拉力：200kN。

网：12#铁丝编制的网孔为60mm的菱形网，两帮也可采用高强度钢塑(夹筋)网。

特别注意：在遇断层或地质构造影响带，或围岩较破碎、受顶板淋水影响段，加强围岩稳定性监测，补强锚索，必要时采用棚式支护或喷射混凝土加固围岩，以确保安全。

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 顶锚杆帮锚索

图4-2 回风顺槽锚固支护示意图

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 4.3 3102进风顺槽锚固支护方案

3102进风顺槽沿3#煤层顶、底板布置，矩形断面，净宽4.5m，净高4.7m，其锚固支护设计方案见图4-3。

基本支护方式：锚杆+网+钢筋梯子梁； 补强支护方式：快速承载预应力小直径锚索；

锚杆材料：顶锚杆Ф20×2400mm，左旋螺纹钢(25MnSi)；帮锚杆Ф20×2200mm，非采煤帮一侧选用左旋螺纹钢(25MnSi)，回采帮侧选用可回收金属锚杆或玻璃钢锚杆；

锚杆布置方式：顶锚杆钻孔深度2300mm，外露100mm，排距1000mm，间距1000mm，每排5根锚杆，靠近两帮的锚杆距离巷帮250mm，且向两帮倾斜约20°，锚固剂：K2360和Z2360各一支，安装锚固剂时，K2360在前，Z2360在后；

帮锚杆钻孔深度2100mm，外露100mm，排距1000mm，间距1000mm，每排5根锚杆，上帮锚杆距离顶板300mm，下帮锚杆距离底板400mm，且向顶底板倾斜约20°，锚固剂：K2360和Z2360各一支；

锚杆托盘：厚度为10mm钢板穹形托盘，规格为150×150×10mm； 梯子梁：采用Ф14mm整根钢筋，焊点少，焊口搭接。在布设锚杆处焊接锚杆卡栏，锚杆需安装在卡栏内；

锚索材料：7股钢绞线，Ф17.8×6300mm，钻孔深度6100mm，外露200mm；

锚索布置方式：锚索排距3000mm，每排2根，间距1500mm，

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 距巷帮1500mm，与巷道表面垂直；锚固剂：K2360一支和Z2360两支；

锚索托盘：厚度为20mm钢板托盘，规格为300×300×20mm； 网：12#铁丝编制的网孔为40mm的菱形网，用16#铅丝联接，每隔200mm联网两道。两帮也可采用高强度钢塑(夹筋)网。

特别注意：在遇到顶板破碎或断层等地质构造段以及采空区时，补强锚索，且将铁丝网换为钢筋网。加强围岩稳定性监测，必要时采用注浆锚索、棚式支护或喷射混凝土加固围岩，以确保安全。

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 顶锚杆

图4-3 进风顺槽锚固支护示意图

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 4.4锚固材料的规格、性能及其选择 4.4.1 锚固剂的规格、性能及其选择

为了提高锚固性能，锚杆与锚索均采用树脂锚固剂。我国目前常用的树脂锚固卷规格尺寸见表4-1。各种型号树脂锚固剂的固化性能见表4-2。树脂锚固剂与煤系地层几种常见岩石间和常用材料间的粘结强度见表4-3。树脂锚固剂的主要物理力学性能见表4-4。

表4-1 常用树脂锚固卷的规格尺寸

药卷直径/mm 钻孔直径/mm 药卷长度/cm

40

35 42 35

30

40

35 28 32 30

25

60

55

23(24) 28(29) 40

35

30

25

表4-2 树脂锚固剂的固化性能

型号 CK（超快速） K（快速） Z（中速） M（慢速）

凝胶时间/min 0.5~1.0 1.5~2.55 3.0~6.0 15~30

固化时间/min

≤5 ≤7 ≤10 ≤30

胶泥稠度/mm

≥15 ≥15 ≥15 ≥15

搅拌时间/s 10~15

各项指标在

15~20

20oC~25oC

25~30

下测定

30

备注

表4-3 树脂锚固剂与几种材料的粘结强度

岩石 粘结强度/MPa

砂岩 5~8

页岩 3.5~5.5

煤 1~2

混凝土 ＞7

螺纹钢 ＞16

玻璃钢 ＞16

表4-4 树脂锚固剂的主要物理力学性能

性能 抗压强度 抗拉强度

单位 MPa MPa

指标 ≥55 11.5

备注

在20oC，24h的条件

下测定

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 剪切强度 弹性模量 泊松比 收缩率 容重

MPa MPa % g/cm3

30 1.6×104 ≥0.3 0.6 1~2.2

根据应用实践，考虑锚杆孔直径、锚杆直径和锚固剂直径的最佳匹配，以及所设计巷道的围岩力学条件，巷道的顶板与两帮均采用快速和中速树脂锚固剂。安装锚固剂时，将先将快速树脂锚固剂放入孔底，让后放入中速锚固剂。 4.4.2 锚索的规格、性能与选择

锚索的类型比较多，按锚固形式可分为机械式和粘结式；按注浆形式可分为一次注浆式和二次注浆式；按张拉方式可分为群锚张拉和单束张拉或分束张拉；按锚固长度可分为端部锚固式和全长锚固式；按孔径可分为大孔径和小孔径等。

根据煤矿巷道环境特点和力学特点，选用结构简单、小直径、长度约为5~10m的锚索。小直径预应力锚索的主要部件有：钢绞线、锚具和锚固剂等。对锚索用钢绞线的基本要求是强度高、韧性好、低松弛，既有一定的强度，又有一定的韧性，可盘成卷便于运输，可弯曲并实现自身搅拌树脂药卷快速安装。目前较为广泛采用的是7股钢绞线，按直径分主要有Φ15.24mm、Φ17.8mm、Φ19mm和Φ21mm。前些年，我国主要采用Φ15.24mm的7股钢绞线作为锚索材料。近几年由于锚杆锚索支护巷道围岩条件越来越复杂，巷道断面越来越大，

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 地应力越来越高，采动影响越来越严重，需要逐渐增大锚索直径。

在本次设计的巷道中，都采用Φ17.8mm的7股钢绞线作为锚索材料，其破断载荷为360kN。 4.4.3 锚杆的规格、性能与选择

我国煤矿常用锚杆杆体钢材的力学性能及承载能力见表4-5和4-6。为了改变我国长期使用低强度锚杆的状况，自1996年以来，大力发展了高强度螺纹锚杆。锚杆的系统强度取决于锚杆的材质、直径及其有关锚固构件。按照钢材屈服强度?s可将锚杆分为三类：

?s<340MPa为普通锚杆；340MPa≤?s<600MPa为高强度锚杆； ?s>600MPa为超高强度锚杆。

表4-5 锚杆常用钢材及其性能

钢筋类别 Ⅰ Ⅱ Ⅱ Ⅲ Ⅲ

材质 Q235 16Mn 20MnSi 25MnSi A5

直径/mm 屈服强度?s/MPa 6~10 6~25 8~25 6~40 6~40

240 320 340 400 280

极限强度?b/MPa

380 520 520 580 500

延伸率?s/%

25 16 16 14 19

表4-6 锚杆常用圆钢断面及杆体载荷

毛截面

杆体直

积

径/mm 16 18 20

/mm2 201.1 254.5 314.2

Q235 屈服载荷/kN 48.2 61.1 75.4

破断载荷/kN 76.4 96.7 119.4

A5 屈服载荷/kN 56.3 71.3 88.0

破断载荷/kN 100.5 127.3 157.1

16Mn 屈服载荷/kN 68.3 86.5 106.8

破断载荷/kN 104.5 132.3 163.4

25MnSi 屈服载荷/kN 74.6 96.7 119.4

破断载荷/kN 116.6 147.4 182.2

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 22 24 28

380.1 452.4 615.8

91.2 108.5 147.8

144.4 171.8 234.0

106.4 126.6 172.4

190.1 226.1 307.9

129.2 153.7 197.2

197.7 235.1 307.9

144.4 180.9 234.0

220.5 262.2 307.9

4.4.4 锚杆与锚索托盘的规格、性能与选择

1)锚杆托盘

一般来说，导致托盘失效的方式有三种：①锚杆与托盘脱离，锚杆陷入岩体中；②托盘破裂；③托盘将岩体表面岩石压碎，陷入岩体。托盘参数设计不当致，因此在选择托盘时要考虑：①托盘的承载能力要与锚杆的承载能力相匹配；②托盘的结构形式合理，要有良好的受力状态；③托盘的大小要适中，并具有可缩性。根据巷道围岩的地质力学条件，在材质上应选择金属托盘，在结构形式上应选择穹形托盘。考虑所设计的巷道，托盘面积不必过大，但托盘要有足够的承载能力。因此，顶板及两帮均选用150×150×10mm的钢板压制的穹形托盘。

2)锚索托盘

锚索的作用效果与作用范围与托盘的面积和厚度有关。在陷落柱、断层和其他地质构造影响区，考虑采用10#槽钢作为锚索梁，选用厚20mm钢板割制而成的锚索托盘，并考虑能放入10#槽钢内槽，故选用锚索托盘尺寸为长×宽×厚=80×80×20mm，在托盘中心钻22mm的锚索孔。在不用槽钢梁的条件下，锚索采用长×宽×厚=300×300×20mm的钢板托盘。 4.4.5网的规格、性能与选择

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 网的种类有多种。一般在锚喷巷道使用大网孔钢筋焊接网。在喷浆巷道使用的钢筋叫由受力筋和分布筋构成。钢筋网的横向筋为受力筋，直径6～10mm左右；纵向筋为分布筋，直径6mm左右，一般网孔为100×100mm～150×150mm左右。这种网的强度和刚度都比较大，不仅能够阻止松动岩块掉落，而且可以有效地增加锚杆支护的整体效果，适用于大变形、高地应力、喷射混凝土封闭表面的巷道。

在服务时间比较长的巷道中，考虑喷射混凝土和网长期作用，选用Φ=6.0mm的钢筋焊接而成的网格尺寸为100×100mm的矩形钢筋网。钢筋网的宽度要考虑与锚杆的排距相适应，长度分别与各条巷道的顶板宽度与两帮高度相适应。 4.5锚杆(索)预紧力的确定

锚杆(索)的预紧力对锚固效果起着十分重要的作用，特别是在深部高应力围岩，松软破碎围岩，层状围岩，特大断面巷道，受强烈采动影响等复杂条件下，预紧力对提高巷道围岩的稳定性更加重要。目前，锚杆支护中普遍存在着锚杆(索)预应力小，预应力扩散效果差，支护系统刚度低，致使锚杆主动支护作用不能充分发挥，不能有效控制围岩离层与破坏的问题。

锚杆(索)在安装后施以预紧力，使不同岩层间摩擦作用力增大，同时将锚固范围内的围岩挤紧，形成梁或拱的承载结构，达到提高巷道围岩稳定性的目的，而没有预紧力，或预紧力低的锚杆，只有在围岩变形后才开始起加固作用。在锚杆(索)安装后，立即施加足够的预

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 紧力，使围岩由双向应力转为三向应力状态，甚至可以使围岩中的拉应力区转变为压应力区；对于岩体受剪面，预应力产生的摩擦力大大提高了加固体的抗剪性能，避免过早出现张开裂隙，减少围岩的弱化过程，提高了围岩的稳定性。

在20世纪70年代末，美国首次将涨壳式锚头与树脂锚固剂联合使用，并采用减摩塑料垫圈实现了锚杆的高预应力。目前，美国矿山巷道的锚杆预紧力一般为100kN，可达到锚杆杆体屈服载荷的50％～75％。高预应力锚杆显著提高了顶板的稳定性，大大降低了冒顶事故，美国矿山之所以取得如此支护效果，源于3个方面的原因：①从机理上认识到锚杆预应力的重要作用；②锚杆加工精度高，螺纹预紧力矩与预紧力的转换系数高；③采用性能优越的锚杆施工机具，在锚杆安装过程中能够实现高预应力。

受美国巷道锚杆支护设计理念的影响，我国学者对锚杆预应力的作用也有一定的研究。郑雨天、朱浮声的研究结果表明，当锚杆预应力达60～70kN时，就可有效控制巷道项板下沉。陈庆敏等提出基于水平地应力的刚性梁结构，认为当锚杆预应力达到一定程度时，可使锚杆长度范围内和长度以上的顶板离层消除。张农等也对锚杆预应力的作用进行了研究。自1996年我国煤矿推广应用小孔径预应力树脂锚固锚索以来，取得了良好支护效果，不仅因为锚索锚固深度大，更主要的是锚索可以施加较大的预应力，抑制了围岩的离层、滑动等有害变形。

我国煤矿也逐渐认识到了锚杆预应力的重要性，不仅在理论上进

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山西煤炭运销集团阳城四侯煤业3102工作面巷道锚固支护方案项目研究报告 行了一定的研究，得出预应力大小对支护效果的影响，而且部分矿区如晋城、潞安、新汶、淮南等，采用高预应力锚杆支护技术，有效地控制了围岩变形，取得了良好的支护效果。但是，我国煤矿很多矿区对锚杆预应力的认识还很不够，往往通过增加锚杆密度提高支护效果，导致锚杆支护密度过大，支护系统的作用不能充分发挥，而且影响巷道施工速度。此外，国内现有锚杆螺纹加工精度低、施工机具扭矩小，不能实现高预应力也是一个重要原因。由此导致了锚杆预应力普遍偏低，一般预紧力矩为100～150N-m，预紧力为15～20kN，有的甚至为0，严重影响了锚杆支护效果。因此，有必要从理论上进一步深入研究高预应力支护体系的作用机理，为支护设计提供可靠依据。同时应开发研制高预应力施工机具与高加工精度的锚杆材料，使锚杆支护真正实现主动、及时支护，实现从低强度、高强度到高刚度、高预应力支护的跨越。

锚杆预应力是由在锚杆安装过程中的预紧力矩实现的。在锚杆安装过程中，对锚杆螺母施加的力矩，转换为对锚杆杆体施加的轴向拉力，即锚杆预紧力。锚杆预应力等于锚杆预紧力与杆体横截面积的比值。将锚杆预应力?0杆体屈服强度?s的比值，称为锚杆主动支护系数

ka??0。根据主动支护系数ka，对预应力锚杆支护系统进行初步划分，?s其结果见表4-7。可见，锚杆的主动支护特性是由锚杆的预紧力实现。

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