火成巖侵入影響的特厚煤層巷道高預應力錨桿支護技術與應用

張小榮 姜鵬飛 孟國勝 楊建威 劉躍東

(1. 大同煤礦集團有限責任公司，山西省大同市，037003；2.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京市朝陽區，100013；3.煤炭科學研究總院開采設計研究分院，北京市朝陽區，100013)

?

火成巖侵入影響的特厚煤層巷道高預應力錨桿支護技術與應用

張小榮1姜鵬飛2,3孟國勝1楊建威2,3劉躍東2,3

(1. 大同煤礦集團有限責任公司，山西省大同市，037003；2.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京市朝陽區，100013；3.煤炭科學研究總院開采設計研究分院，北京市朝陽區，100013)

以塔山煤礦3#～5#煤層8105工作面鄰空巷道5105回風平巷特厚頂煤大斷面全煤巷道錨桿錨索聯合支護為工程背景，井下實測分析了錨桿、錨索在煤層中的錨固性能。采用單軸、三軸壓縮試驗方法對比研究了煤體試件在不同圍壓下的承載能力，得出了錨桿與錨索高預應力對改善巷道圍巖受力狀態十分明顯，大幅提高了巷道頂部和巷幫煤體的自承能力。數值模擬研究了不同托盤規格、無鋼帶及不同鋼帶尺寸對圍巖應力場分布特征。提出了火成巖侵入影響的特厚煤層巷道高預應力錨桿支護技術，并進行井下試驗。結果表明，高預應力錨桿支護技術應用后，工作面回采期間5105回風平巷頂底板移近90 mm，兩幫移近179 mm，巷道斷面收縮率僅為3.9%。

特厚煤層 火成巖侵入 高預應力 巷道支護 錨桿支護

煤系地層以沉積巖為主，巷道頂板結構通常由不同厚度的層狀巖層構成。在地殼活動作用下，我國部分礦區煤系地層受到了火成巖侵入的影響，煤巖層條件發生很大變化，巖體的非連續性、非均質性及各向異性表現得更為顯著，由此導致的頂板垮落事故頻繁發生。

以大同礦區為例，目前主采石炭系3#～5#煤層，受火成巖侵入作用，煤層結構十分復雜。大同塔山煤礦全井田范圍3#～5#煤層均不同程度地受到火成巖侵入影響，侵入范圍在水平方向表現為南部寬而薄、北部窄而厚的特征，垂直方向侵入范圍最大達到80.79 m。火成巖侵入使煤層在垂直方向形成了煌斑巖、變質硅化煤、混煤及正常煤等多種復雜煤巖層結構。上部的火成巖變成了堅硬的煌斑巖，而中部的混煤結構卻較疏松且易碎，下部煤體堅硬，使3#～5#煤層形成了上硬、中軟、下硬的結構。由于3#～5#煤層厚度達到20 m，錨桿、錨索無法錨固到頂板穩定巖層，傳統的錨桿支護技術很難控制受火成巖侵入影響的特厚煤層巷道的嚴重變形。本文針對塔山煤礦3#～5#煤層8105工作面5105回風平巷火成巖侵入影響的特厚煤層巷道，開展高預應力錨桿支護技術與應用研究。

1 工程背景

塔山煤礦8105工作面煤層埋深540 m，采用大采高綜放開采，5105回風平巷巷道為矩形斷面，規格為5.5 m×3.8 m，設計總長度為2980 m。巷道沿煤層底板掘進，頂煤最厚處超過16 m。

5105回風平巷直接頂平均厚度為4.49 m，巖漿巖、炭質泥巖、泥巖、變質硅化煤交替賦存，普氏系數在6.0～6.5之間。巖漿巖為半晶質結構，厚度變化不均；變質硅化煤結構疏松；炭質泥巖易碎。直接頂上方為2#煤層，因巖漿巖侵入，大部分變質硅化。老頂平均厚度為22.93 m，以粉砂巖、細砂巖與含礫粗砂巖為主；其上方為4#煤層，厚度約為2.37 m，局部變質硅化。直接底平均厚度為4.87 m，主要為灰褐色、淺灰色高嶺質泥巖，普氏系數5.0～6.0。老底平均厚度為5.12 m，包括灰白、淺灰色細砂巖、中粒砂巖、粗砂巖、含礫粗砂巖，局部賦存灰白色砂礫巖。

井下實測最大水平主應力為12.9 MPa，垂直應力為11.44 MPa，最大水平主應力方向為N19E。5105回風平巷與8104綜放工作面相鄰，煤柱寬度為38 m。采用WQCZ-56型圍巖強度測定裝置對巷道圍巖強度進行了井下原位測試，得出巷道頂煤強度最大為17.85 MPa，最小為7.65 MPa，平均強度為12.43 MPa；巷幫煤體幫孔煤體強度均值為13.43 MPa。

2 火成巖侵入特厚煤層錨固性能研究

由于塔山煤礦頂煤厚度達到16 m，如果將錨索錨固在頂板穩定巖層中，那么錨索長度將超過18 m，在煤礦井下狹窄的作業空間里，施工難度大、速度慢、成本高。為此提出將錨桿錨索錨固在煤層中，并施加較高的預緊力，提高煤層的承載能力，進而保持巷道圍巖穩定。

但對于受火成巖侵入影響的煤層條件，在這種條件下能否采用錨桿錨索支護，首先需要研究錨桿錨索在煤層中錨固性能情況。

塔山煤礦巷道頂板結構觀測圖像如圖1所示。由圖1可知，塔山煤礦頂煤和直接頂節理裂隙發育。頂板淺部巖層出現了不同程度離層，且向深部有發展的趨勢。

圖1 塔山煤礦巷道頂板結構觀測圖

塔山煤礦煤巖層結構如圖2所示。由圖2可知，受火成巖侵入影響，煤體強度變化較大，火成巖侵入位置煤層破碎，穩定性差。井下現場對錨桿、錨索進行了錨固力試驗，得出塔山煤礦巷道頂煤錨桿支護采用2支樹脂錨固劑(1支2335型、1支2360型)錨固后，錨固力達到了150 kN；錨索采用3支樹脂錨固劑(1支2335型、2支2360型)錨固后，火成巖侵入破碎煤層中錨固力較低，小于100 kN，中下部較完整煤層中錨索錨固力可達250 kN。

圖2 塔山煤礦煤巖層結構圖

根據錨固力測試結果可知，錨桿、錨索可以錨固在煤層中，但由于火成巖侵入煤體強度相對較低、穩定性較差，在強烈動壓影響下相比巖石更易發生裂隙開啟、擴展，從而誘發不連續的擴容變形，進而影響其錨固性能。因此，對于火成巖侵入特厚煤層全煤巷道支護，應根據不同位置煤層強度實測結果，確定合理錨固位置，通過加長或全長錨固提高錨桿與錨索錨固性能，施工時重視錨桿錨索拉拔力檢測，保證錨桿與錨索高預應力支護效果的發揮。

3 預應力對煤體支護作用研究

預應力作為巷道支護的關鍵參數，其主要作用是抑制巷道掘進后裂隙、離層的產生，減少巷道圍巖的擴容變形。

巷道掘進后，頂板水平應力增加，垂直應力釋放；巷幫垂直應力增加，水平應力釋放。在巷道頂部煤體中取一個微元體，其增加的水平應力相當于施加的軸向壓力，在巷幫取一個微元體，其增加的垂直應力相當于施加軸向壓力。而錨桿錨索的預緊力則相當于施加的圍壓。因此，錨桿錨索預應力對巷道的支護作用可轉化為煤體試件軸壓與圍壓關系問題。通過分析煤體試件軸壓與圍壓的關系研究了錨桿錨索預應力對煤體的支護作用，對塔山煤礦5105回風平巷頂煤進行取樣，并對其進行單軸和不同圍壓下的三軸加載試驗。

采用MTS815 Flex Test GT巖石力學試驗系統開展試驗，該系統最大軸向加載載荷為4600 kN，可施加最高圍壓為140 MPa。試驗加載達到峰值前采用軸向載荷控制方法，加載速率為30 kN/min；接近峰值時采用橫向變形控制方法。

首先進行煤體試件的單軸加載試驗，測試得出試件平均單軸抗壓強度為19.8MPa。然后進行3.2 MPa、16 MPa和22.4 MPa共3種不同圍壓下煤體試件的加載試驗，圍壓加載速率為3 MPa/min。不同圍壓加載試驗時，煤體試件受壓破壞層理、裂紋分布如圖3所示，圖中兩試件對應圍壓分別為3.2 MPa和22.4 MPa。

由圖3可以看出，煤體試件三軸壓縮加載破壞表現出較為明顯的脆性特征，隨著圍壓的增加，對應的脆性破壞特征逐漸減弱。

圖4 不同圍壓下煤體試件全應力-應變曲線

不同圍壓下煤體試件全應力-應變曲線如圖4所示。由圖4可以看出，隨圍壓增加，煤體試件抗壓強度增加；隨著圍壓的增加，煤體試件存在的原生裂隙和內部層理對其強度影響程度降低，其破壞形態主要由施加的圍壓大小決定。結合單軸加載試驗結果，表明特厚頂煤巷道掘進迎頭位置圍巖的破壞主要受煤層中的裂隙和層理控制，距巷道掘進后方圍巖的破壞主要為錨桿錨索支護后預應力、支護阻力及采動后圍巖內部三維應力狀態變化影響。根據試驗結果和摩爾-庫倫強度理論，得出煤體試件在不同圍壓下的強度參數見表1。

由表1可以看出，煤體試件未施加圍壓時，M26#、M2#試件試驗后的平均單軸抗壓強度為19.8 MPa；M5#試件施加的圍壓為3.2 MPa，軸向抗壓強度增大到38.26 MPa，接近煤體平均單軸抗壓強度的2倍；M1#、M60#試件施加的圍壓為16 MPa，其軸向抗壓強度分別為80.41 MPa、76.78 MPa，軸向平均抗壓強度為78.6 MPa，接近平均單軸抗壓強度的4倍；M21試件施加的圍壓為22.4 MPa，試件軸向抗壓強度達到125.47 MPa，接近其平均單軸抗壓強度的6倍。

表1 不同圍壓下煤體試件強度參數

根據上述試驗結果可知，圍壓對于提高煤體的軸向抗壓強度效應十分明顯。當煤體試件處于三向受力狀態時，隨著圍壓的增加，特厚煤層巷道周圍煤體受力狀態明顯改善。煤體抗壓強度隨圍壓增大顯著增加。因此，對于特厚頂煤全煤巷道，錨桿、錨索的高預應力可顯著改善圍巖受力狀態，大幅提高了煤體承載能力。

4 不同護表構件對火成巖侵入頂煤作用分析

對于火成巖侵入特厚煤層而言，由于強度和完整性較低，護表構件的選擇尤為重要，采用FLAC3D數值計算軟件，在不考慮原巖應力場情況下，模擬分析了不同支護構件對火成巖侵入影響下特厚煤層巷道圍巖預應力場分布規律。

4.1 模擬方案

數值計算中采用Mohr-Coulomb本構模型，參考煤層物理力學性質實驗室測試結果，確定數值模擬煤層計算參數如下：密度為1500 kg/m-3，剪切模量為3.9 GPa，體積模量為6.5 GPa，摩擦角等于36°，粘聚力為7.92 MPa，抗拉強度為0.6 MPa。具體模擬方案分以下2種：

(1)錨桿預緊力矩為400 N·m，對應的錨桿預緊力約為80 kN，托盤尺寸分別為80 mm×80 mm×8 mm、120 mm×120 mm×10 mm、150 mm×150 mm×10 mm條件下托盤在巷道頂煤中形成的預應力場分布特征。

(2)鋼帶尺寸為對支護效果的影響。模擬中錨桿預緊力矩為400 N·m，錨桿托盤規格為150 ×150×10 mm；錨索張拉力150 kN，錨索托板規格300 mm×300 mm×16 mm。分別模擬無鋼帶、鋼帶厚度為4 mm，寬度分別為200 mm和250 mm共3種條件下的錨桿錨索預緊力在巷道頂煤中預應力場分布特征。

4.2 模擬結果分析

錨桿預緊力矩為400 N·m時托盤在煤體中的預應力場分布如圖5所示。

圖5 不同規格托盤在煤體中產生的應力場分布

當錨桿托盤規格為80 mm×80 mm×8 mm時，按照理論計算可得托盤最大壓應力為16.72 MPa，由于托盤較小，托盤邊界效應明顯，托盤四個角上出現明顯的應力集中現象，最大壓應力達到22 MPa。當錨桿托盤規格為120 mm×120 mm×10 mm 時，理論計算得出托盤最大壓應力為7.43 MPa，隨著托盤與煤體接觸面積的增大，托盤應力集中區由四個角擴展到托盤四條邊，最大壓應力為9.6 MPa。當錨桿托盤規格為150 mm×150 mm×10 mm 時，理論計算得出托盤最大壓應力為4.76 MPa，雖然托盤四邊仍出現應力集中現象，但整體受力變得更為均勻，托盤最大壓應力為5.5 MPa。從托盤壓應力在煤體中的擴散范圍來看，托盤越大，預應力擴散范圍越廣，但托盤尺寸增大將引起托盤表面壓應力值降低。因此，在支護中應選擇尺寸較大的托盤，同時提高錨桿的預緊力。

圖6 無鋼帶及不同尺寸鋼帶條件下頂煤表面應力場分布

由圖6可以看出，無鋼帶時各錨桿形成的預應力擴散范圍未有效擴展到整個頂煤范圍，兩根錨桿之間預應力所形成的壓應力區相互分離。雖然錨索施加的預應力在頂煤中與周圍錨桿形成了一定范圍的應力疊加區，但未擴散到全部頂煤范圍。鋼帶寬度為200 mm時，由于鋼帶的作用，錨桿預應力所形成的壓應力區沿著鋼帶長度方向有所擴大，并與錨索預應力形成的壓應力區相互疊加，但整個頂部煤體范圍仍存在一定的拉應力區。鋼帶寬度增大至250 mm時，錨桿與錨桿間形成的壓應力區沿著鋼帶寬度方向明顯增大，錨桿、錨索在頂煤種形成的壓應力區疊加效果顯著增加，僅存在少量拉應力區。總體來看，鋼帶提高了錨桿預應力在巷道頂煤的擴散范圍，提高了錨桿與錨桿之間頂煤的支護作用效果。

5 火成巖侵入影響的特厚煤層巷道高預應力錨桿支護技術

根據上述研究結果，提出火成巖侵入影響的特厚煤層全煤巷道錨桿支護技術的具體實施流程：

(1)地質力學測試，分析火成巖侵入影響后巷道圍巖地應力、煤巖體強度及結構分布。

(2)根據頂煤頂板巖層條件，確定錨桿錨索合理長度及錨固點位置，如頂煤完整性較差，可采用錨桿、不同長度錨索聯合錨固、錯層布置方式，提高頂煤的整體完整性。

(3)火成巖侵入特厚煤層不同層位可錨性試驗，看能否滿足預應力施加需求，如錨固性能差，可采用加長或全長錨固。

(4)通過數值模擬，得出采動影響后圍巖應力分布情況。

(5)根據現場調研、地質力學測試、可錨性能測試及數值計算結果，確定巷道支護參數。

(6)根據錨固性能和預應力需求選擇合理強度、較高抗沖擊性能的錨桿材料及構件。

(7)進行錨桿錨索及配套構件力學性能和匹配性能試驗，確保支護材料的可靠性和性能匹配性。

(8)及時支護，減少火成巖侵入特厚煤層巷道掘進后應力降低速度，并保證施工質量。

6 現場應用研究

塔山煤礦8105工作面5105回風平巷支護是國家“十一五”科技支撐計劃重大項目“特厚煤層大采高綜放開采關鍵技術及裝備”的主要試驗巷道。采用上述支護技術對火成巖侵入影響特厚煤層巷道開展支護試驗與效果分析。

6.1 支護方案

考慮5105回風平巷與相鄰8104綜放工作面采空區區段煤柱寬度為38 m，結合塔山煤礦地質力學條件，在錨固性能測試、錨桿錨索預應力作用機理分析、數值模擬分析基礎上，提出巷道支護方案。

頂板支護：錨桿為600 MPa級?22 mm×2400 mm左旋無縱筋螺紋鋼，錨桿間排距為800 mm，樹脂加長錨固，設計錨桿預緊扭矩400N·m。W鋼帶寬度250 mm，厚度4 mm。頂錨索為1×19結構預應力鋼絞線，規格為?22 mm×8300 mm，錨索托盤規格為300 mm×300 mm×16 mm。錨索間距2000 mm，每排布置3根，排距1600 mm，錨索張拉力150 kN。

巷幫支護：采用600 MPa級高強度錨桿支護，錨桿材料性能參數與頂板相同，間排距1000 mm×800 mm，采用長450 mm、寬280 mm、厚度5 mm的鋼護板配合高強度塑料網護幫。巷幫錨桿也采用樹脂加長錨固，設計預緊扭矩400 N·m。5105回風平巷錨桿錨索及測力及布置如圖7所示。

圖7 5105回風平巷錨桿錨索及測力計支護布置圖

對于巷道部分位置，由于火成巖侵入導致煤層錨固性能低于100 kN，采用不同長度的錨索組合錯層布置方式進行補強支護，組合錨索如圖8所示，錨索長度包括6 m、8 m、10 m三種類型，錨索直徑為22 mm，組合錨索所用托板為正方形，邊長600 mm，厚度16 mm。

6.2 支護效果分析

巷道掘進與工作面回采期間，對錨桿受力及巷道圍巖變形情況進行監測。

巷道掘進階段，錨桿初始預緊力約為60 kN。

受相鄰8104工作面回采影響，靠近8104工作面采空區的1#、2#錨桿隨掘進工作面推進受力增加較明顯；3#～8#錨桿受力變化不大。各監測錨桿受力穩定后，1#錨桿受力105.3 kN，2#錨桿受力77.4 kN，3#～8#錨桿受力基本保持在60 kN左右。

圖8 不同長度錨索組合示意圖

8105工作面回采階段錨桿受力變化如圖9所示。由圖9可知，回采期間，工作面超前110 m以外，錨桿受力變化非常小；工作面超前70～110 m，錨桿受力緩慢增加；工作面超前0～70 m，錨桿受力變化劇烈，表現為突然增加或下降，但錨桿受力小于250 kN，均在錨桿抗拉載荷范圍內。

由巷道變形監測結果可知，5105回風平巷掘進階段頂底板移近22 mm，兩幫移近20 mm。8105工作面回采階段，巷道頂底板移近90 mm，兩幫移近179 mm，巷道斷面收縮率僅為3.9%。8105工作面回采階段5105回風平巷支護情況如圖10所示，巷道支護效果良好。

圖9 工作面回采期間錨桿受力變化曲線

7 結論

(1)大同塔山煤礦火成巖侵入后煤巖層條件發生很大變化，上部的火成巖變成了堅硬的煌斑巖，而中部的混煤結構卻較疏松并且性脆易碎，下部煤體堅硬，使3#～5#煤層形成了上硬、中軟、下硬的結構；同時由于煤層厚度達到20 m，為滿足通風及大型設備運輸要求，巷道斷面大，且受到大采高綜放開采強烈動壓影響，這些特點為高預應力錨桿支護機理及技術提出了新的要求。

(2) 特厚煤層巷道支護時，錨桿與錨索將全部錨固于煤層中，火成巖侵入煤層在強烈采動影響下更易發生開裂等不連續擴容變形，從而導致錨桿錨索在煤層中的錨固性能下降。因此，應根據煤層強度和完整性確定合理的錨固位置，通過全長或加長錨固提高錨桿錨索的錨固性能，并加強錨桿錨索拉拔力的檢測。

圖10 塔山煤礦5105回風平巷井下支護狀況

(3) 對于火成巖侵入特厚煤層巷道，頂煤強度較低、裂隙發育，錨桿、錨索的高預應力對于抑制頂煤裂隙的開啟、擴展及離層的效果十分明顯，同時改善了巷道圍巖受力狀態，顯著提高了頂煤和巷幫煤體的自承能力。

(4)托盤、鋼帶等支護構件全煤巷道預應力擴散起著重要作用。托盤尺寸越大，預應力擴散范圍越廣，但托盤尺寸的增大會引起托盤表面壓應力降低，支護中應選擇尺寸較大的托盤，同時提高錨桿的預緊力；鋼帶使各錨桿所形成的壓應力區沿鋼帶長度方向上顯著擴大，并彼此連接，提高了錨桿之間圍巖的支護作用。

(5) 提出了針對火成巖侵入影響的特厚煤層巷道支護技術，并在塔山煤礦5105回風平巷成功試驗，實現了對火成巖侵入特厚煤層巷道圍巖變形的有效控制。

[1] Yang Shengqi, Jing Hongwen. Evaluation on strength and deformation failure behavior of red sandstone under simple and complex loading paths [J].Engineering Geology,2013(9)

[2] 黃書嶺，王繼敏，丁秀麗等.基于層狀巖體卸荷演化的錦屏級地下廠房洞室群穩定性與調控 [J].巖石力學與工程學報，2011(11)

[3] 張農，李寶玉，李桂臣等.薄層狀煤巖體中巷道的不均勻破壞及封閉支護 [J].采礦與安全工程學報，2013(1)

[4] 鄭書兵. 火成巖侵入影響的特厚破碎煤層全煤巷道支護技術 [J].煤礦安全，2010(3)

[5] 王金華. 全煤巷道錨桿錨索聯合支護機理與效果分析 [J]. 煤炭學報，2012(1)

[6] 張百勝, 康立勛, 楊雙鎖. 大斷面全煤巷道層狀頂板離層變形模擬研究 [J]. 采礦與安全工程學報, 2006(3)

[7] 康紅普，姜鐵明，高富強. 預應力錨桿支護參數的設計 [J]. 煤炭學報，2008(7)

[8] 劉錦榮，姜鵬飛，張成宇等. 特厚頂煤大斷面全煤巷道高預應力錨桿(索)支護機理及應用研究 [J]. 中國煤炭，2015(6)

[9] 康紅普，林健，吳擁政等. 錨桿構件力學性能及匹配性[J]. 煤炭學報，2015(1)

(責任編輯 陶 賽)

Study and application of high pre-stressed bolt support technology for ultra-thick coal roadway with the invasion of igneous rock

Zhang Xiaorong1, Jiang Pengfei2,3, Meng Guosheng1, Yang Jianwei2,3, Liu Yuedong2,3

(1. Datong Coal Mine Group Co., Ltd., Datong, Shanxi 037003, China;2. Mining and Design Department, Tiandi Science and Technology Co., Ltd., Chaoyang, Beijing 100013, China;3.Coal Mining Branch, China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China)

This paper took rock bolt cable support in large-section full coal seam roadway with ultra-thick top coal in the 5105 return roadway beside the gob at 8105 work face in 3#～5#coal seam at Tashan Mine as project background, the anchoring performance of rock bolt and cable in coal seam were measured and analyzed. The uniaxial and triaxial compressing strength under different confining stress tests were figured out to study the bearing capacity of coal mass samples. The test results showed that the stress state of surrounding rock was greatly improved by the pretension stress of rock bolt and cable, which substantially improved the bearing capacity of coal mass at roof and ribs. Numerical simulation method was used to study the stress field of surrounding rock distribution characteristics under the influence of different plate sizes and different steel strips size. High pretension stress rock bolt support technology for coal roadway with ultra-thick coal which under the invasion of igneous rock was proposed and tested. The results showed that the convergence between roof and floor of 5105 return roadway was 90 mm, and the convergence of two ribs was about 179 mm, the shrinkage of roadway section was only 3.9% after the application of high pre-stress rock bolt support technology.

ultra-thick coal seam, invasion of igneous rock, high pretension stress, roadway support, rock bolt support

國家自然科學基金煤炭聯合基金重點項目(U1261211)，中國科協青年人才托舉工程項目(2015QNRC001)，中國煤炭科工集團青年創新基金項目(2016QN008)

張小榮，姜鵬飛等. 火成巖侵入影響的特厚煤層巷道高預應力錨桿支護技術與應用 [J]. 中國煤炭，2017，43(7)：66-72. Zhang Xiaorong, Jiang Pengfei et al. Study and application of high pre-stressed bolt support technology for ultra-thick coal roadway with the invasion of igneous rock [J]. China Coal，2017,43(7)：66-72.

TD353

A

張小榮(1983-)，男，山西興縣人，工程師，主要研究方向為礦山壓力與巖層控制，現任大同煤礦集團有限責任公司總調度室主任工程師，從事煤礦技術與調度管理工作。