大傾角松軟厚煤層開切眼支護技術與實踐

白鍇

(山西源通煤礦工程設計有限公司，太原 030000)

大傾角松軟厚煤層開切眼支護技術與實踐

白鍇

(山西源通煤礦工程設計有限公司，太原 030000)

為了解決孟家窯礦5105切眼中遇到的大傾角松軟厚煤層巷道支護技術問題，對5105切眼附近的煤層進行煤巖體的地質力學參數試驗，分析其結果，并結合數值模擬分析錨桿支護系統中的預緊力和托板對預應力場的分布影響，提出了使用高預緊力錨桿搭配使用錨索維護巷道的技術體系。應用于現場對礦壓產生的力學現象，巷道整體的表面位移、頂板離層值和錨桿錨索使用效果進行實時監測，驗證此技術的安全性和可靠性。

大傾角；松軟；高預緊力；托板

1 工程背景

孟家窯煤礦是一個兼并重組礦井，主要開采石炭紀5號煤層，煤層的厚度平均13 m，煤層的傾角為18°～43°左右，部分區域屬于急傾斜煤層。目前所布置的5105工作面發現一向南東方向傾斜的單斜構造，但5105切眼掘進在過程中沒有遇到較大斷層等地質構造，在設計中因此不考慮斷層構造對支護的影響。根據周圍巷道揭露，發現在工作面西北部（上部）有一條落差為0.7 m的正斷層，不影響工作面布置。整個5號煤煤體松軟破碎，以前主要采用連鎖木垛進行支護，是一種落后的、支護效果不好的被動支護，不利于圍巖的變形控制。

5105切眼原設計沿5號煤底板掘進，切眼斷面為矩形，原來切眼斷面的寬為3.7 m，為了滿足現代化礦井和設備的要求，擴巷后切眼凈寬度為7.0 m，凈高為2.8 m，切眼長約70 m，目前原切眼掘進完畢，主要采用連鎖木垛進行支護。

因此，迫切的需要根據國內外大傾角松軟厚煤層支護的成功案例，結合孟家窯礦井特殊的地質構造，設計一套有效地支護體系。

2 5105切眼地質力學參數測定

5105切眼支護的對象為煤體，在測定其參數主要為地應力、圍巖強度和圍巖結構[1]。

2.1 地應力

采用水壓致裂地應力測量方法和SYY-56型水壓致裂地應力測量儀在5105回風聯絡巷中進行了地應力測量。結果顯示：距材料運輸巷20 m處，最大水平主應力為6.31 MPa，方向為N79.02°E；最小水平主應力為3.20 MPa，垂直主應力為4.18 MPa。

2.2 圍巖強度

對5105切眼圍巖強度測定采用裝置為WQCZ-56型。根據巷道頂板上方0～9.7 m內煤體平均抗壓強度為5 MPa，由于為傾斜煤層，為避免傾角對上下兩幫的影響，對兩幫0～5 m內的煤體強度進行測試，結果為2～8.5 MPa，綜合而言，5105切眼煤體強度平均約4.45 MPa。

頂底板的強度測試也使用同樣的儀器和手段。頂板為砂質泥巖抗壓強度12.8 MPa，屬軟巖；粉砂巖抗壓強度為9.1～12.2 MPa，屬軟巖；細粒砂巖抗壓強度為25.5 MPa，屬半堅硬-堅硬巖石。適合采用放頂煤，冒放性較好。底板為砂質泥巖與頂板相同。

對5105切眼圍巖強度的整體評價為煤體、直接頂、直接底都為較軟巖性，需要在支護設計中整體考慮其圍巖強度。

2.3 圍巖結構

通過巖石力學參數實驗得出了巖石的力學參數，主要是抗壓強度的研究。但未對內部細微的節理裂隙進行分析，根據錨桿的懸吊理論，這將影響支護形式的選擇。在開切眼采用全景鉆孔窺視儀，窺視范圍內為5號煤層，該煤層為黑色-深黑色，瀝青光澤-玻璃光澤，剖面呈參差不齊，該層主要成分為亮煤，次要成分為暗煤。通過觀測5號煤頂板內部結果發現，節理及內生裂隙發育，呈現條帶狀和條理狀結構，有明顯的縱向、環向裂隙。5105切眼部分圍巖結構，見圖1。

綜上所述，5號煤的厚度較大，地應力場屬于中等偏低，強度較低，屬于松軟巖層，煤體內的裂隙比較發育，完整性差。

3 數值模擬分析影響錨桿支護參數

根據地質情況和圍巖強度等參數，本次設計采用高預應力錨桿，需要考慮預緊力的大小，匹配煤層的強度，并且使用尺寸合適的托板，保證預緊力的均勻有效擴散。

3.1 預緊力對錨桿支護的支護效果

預緊力的大小和其煤巖體中的影響范圍是高預應力強力錨桿支護系統的核心[2]。

圖2-a、圖2-b、圖2-c為當煤體強度4.5 MPa時，施加不同錨桿預緊力分別為20 kN、40 kN、60 kN，預應力場在煤體中的分布范圍的研究。從圖可以得出：

1）當施加預緊力為20 kN時，錨桿托板處及錨固端存在應力集中現象，但應力集中范圍很小，錨固段內沒有形成應力疊加區域，說明此時沒有起到真正預緊力的作用。

2）當施加預緊力增加到40 kN時，預緊力的增加明顯改善巷道頂板煤體的壓應力分布范圍和區域，錨桿預應力已經擴散到錨桿整個錨固范圍，但仍略低，沒有使預應力兩個錨點之間形成疊合區域。

3）當施加預緊力增加到60 kN時，預緊力的進一步增加使得巷道頂板煤體的壓應力分布范圍進一步增加，錨桿桿體附近處壓應力值進一步增大。當煤體強度為4 MPa時，由于煤體強度較低，同時錨桿預應力值增加，錨桿托板處少量煤體被壓壞，從而使得最大壓應力區向錨桿中部靠近。同時，巷道頂板煤體兩根錨桿之間位置處的煤體壓應力疊加效果明顯。

通過分析說明高預緊力有利于錨桿的錨固，同時太大的預緊力使得破壞松軟的煤體，需要設計合適的托板。

3.2 托板對錨桿支護的支護效果

圖3-a、圖3-b、圖3-d為在煤體強度4.5 MPa、錨桿預緊力60 kN的情況下，不同規格的托板，80 mmx80 mmx10 mm、100 mmx100 mmx10 mm、120 mmx120 mmx10 mm、150 mmx150 mmx10 mm，預應力場在煤體中的分布范圍的研究。從圖3可以得出：

1）在施加錨桿預緊力為60 kN，托板規格為80 mmx80 mmx10 mm情況時，托板附近煤體最大壓應力值達到了18.86 MPa；當托板規格為100 mmx 100 mmx10 mm情況時，托板附近煤體最大壓應力值為13.24 MPa；當托板規格為120 mmx120 mmx 10 mm情況時，托板附近煤體最大壓應力值為10.18 MPa；當托板規格為150 mmx150 mmx10 mm情況時，托板附近煤體最大壓應力值為7.47 MPa；

2）在相同錨桿預緊力條件下，托板越小，托板與鋼帶或鋼筋托梁接觸的面積就小，托板與鋼帶、鋼筋托梁或煤體接觸的部分所受的壓應力值越大，托板應力最大的部位主要集中在四個角處，可能出現切穿鋼帶或壓壞煤體的情況；托板尺寸較大時，相同錨桿預緊力條件下，托板受力更為均勻，所受的總體壓應力值減小，托板四邊同時受力，當預應力進一步增加時，托板與鋼帶、鋼筋托梁或煤體表面整個接觸面均受力，從而可以減少切穿鋼帶或壓壞煤體的現象[3-4]。

3）隨著錨桿預緊力的增加，煤體中的壓應力值和壓應力區域增大，有利于在巷道頂板形成良好的壓應力拱。因此，在巷道支護中，考慮經濟情況下，應盡量采用尺寸較大的托板，同時施加較大的錨桿預緊力。

4 5105切眼支護效果分析

設計在5105切眼20 m和50 m處布置礦壓觀測站，分別對錨桿（索）測力計、巷道表面位移和頂板離層儀進行觀測。

4.1 表面位移

從5105切眼擴巷表面位移變化整體趨勢（見圖4）可以看出，巷道經歷的動壓較小且歷時約7 d時間，巷道趨于穩定。5105切眼擴巷處外側幫和頂板變形量分別為12 mm和35 mm，巷道兩幫變形主要集中在巷道開挖初期，開挖的后7d內，5號煤回風下山兩幫的下沉量約為2 mm/d，頂板下沉量約2 mm/d，之后一個月的時間內巷道變形穩定，5105切眼擴巷外側幫變形量增幅也非常小，頂板變形量較大，主要是由于工作面采用放炮掘進，頂煤松軟破碎，受放炮震動影響，頂煤破碎，在測站附近形成網兜，可能會導致局部巷道頂板的破碎下沉，曲線的波動。

4.2 頂板離層

設計每隔30 m在5105切眼擴巷安排一個頂板離層儀，每天觀察記錄數據。通過分析5105切眼擴巷頂板離層記錄可以得出，巷道頂板離層儀變化主要表現在剛開始開挖巷道，之后隨著逐漸遠離掘進工作面變化不太明顯。造成5105切眼淺部離層值主要為放炮震動剝落頂煤造成的。

4.3 錨桿（索）受力

5105 切眼護巷錨索、錨桿受力變化情況如圖5、圖6所示。

為檢驗設計的支護參數是否合理，通過5105切眼錨索和錨桿受力觀測曲線表示。從圖中可以看出，整個支護系統的錨索、錨桿在其服務的時間內都保持了趨于穩定的特性；設計錨索錨固力達到250 kN，錨桿錨固力為127 kN，實際頂板錨索受力為最小最大值為235.89 kN和227.67 kN，外側幫錨桿所受的最大拉應力為64.02 kN，頂部錨桿所受最小拉應力為70.28 kN，最大為78.17 kN，平均為73.60 kN，選擇的參數既沒有超過其抗拉極限也無較大的浪費；在剛開始時錨桿（索）的應力都出現了不同數值的下降，主要由于5105切眼采用炮掘，5號煤為傾斜特厚松軟煤層，頂煤受震動影響，造成錨桿（索）托板松動，在實際使用時需考慮二次加固的問題。

5 結束語

1）對孟家窯礦的5105切眼的地應力、圍巖強度、圍巖結構進行測試，獲得了本次支護設計的基本地質參數。

2）通過數值模擬，得出預緊力與托板對軟巖的支護效果，為確定支護的基本參數提供依據。

3）采用高強度錨桿、錨索支護大傾角松軟厚煤層巷道，滿足支護的要求，巷道施工初期錨桿、錨索打設及時，在頂板未垮落之前形成結構，發揮了支護系統的主動作用，真正起到了錨桿錨索支護系統的作用，支護方案合理。

[1]申志平.潞寧礦區松軟特厚煤巷錨桿支護技術研究與實踐[J].煤礦開采，2013，18（4）：58-61.

[2]康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術[M].北京：煤炭工業出版社，2007.

[3]楊仁樹，朱衍利，吳寶楊，等.大傾角松軟厚煤層巷道優化設計及數值分析[J].中國礦業，2010，19（9）：73-77.

[4]張宏慶.破碎巖體巷道加固技術研究[J].山西煤炭，2013，33（1）：57-78.

Support Technology with Open-off Cut in Soft and Thick Seam with Large-dip-angle

BAI Kai
(Shanxi Yuantong Coal Construction Design Co.,Ltd.,Taiyuan 030000,China)

To solve the technical problems of No.5105 cut encountered in the roadway support for soft and thick seam with large-dig-angle in Mengjiayao Mine,geo-mechanics parametric test of coal-rock was conducted.Numerical simulation was used to study the pre-tension stress in bolt support system and the distribution influence on pre-stressed field by pallet.Then,the study proposed a system of high pre-tension bolt with anchor cable to finish the roadway maintenance.Real-time monitoring on the mechanics phenomena in the field(including surface displacement and roof separation)and on the bolt-anchor-cable effect proved the safety and reliability of the technology.

large dip angle;soft;high pre-tension;pallet

TD355

A

1672-5050（2015）02-0057-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.02.018

（編輯：劉新光）

2015-01-21

白鍇（1986-），男，山西呂梁人，大學本科，助理工程師，從事煤礦設計及巷道支護工作。