同忻礦石炭系8#層頂板錨桿損壞原因分析及防治

劉偉，馬占新，馬亞杰

（1.晉能控股煤業(yè)集團有限責任公司 山西 大同 037003；2.山西大學電力與建筑學院 山西 太原 030006）

0 引言

關于在掘巷道某段區(qū)域出現(xiàn)頂板金屬錨桿蠕變斷裂的現(xiàn)象，但是頂、幫卻無明顯變化，此類礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象原因分析是困擾煤礦的一大難題，在大同礦區(qū)石炭系首采煤層8#層的首采面8105面也出現(xiàn)了這一難題，經(jīng)過認真研究分析，得出了“先大后小+實時支護法”解決了上述難題。

1 同忻礦C8#層北一盤區(qū)8105工作面概況

同忻北一盤區(qū)為C8#層首采盤區(qū)，8105工作面為首采工作面，C8#層8105切巷地面相對位置位于地面位于后溝與小海溝之間的山坡與溝谷地段，地面標高1 162 m～1 173 m，平均1 167.5 m，工作面標高為759 m～767 m，平均763 m，平均埋深404.5 m，區(qū)域內(nèi)無水體及建筑物；井下位于同忻井田東部，西部為8#煤層北一盤區(qū)8105工作面兩順槽，同層其余為實煤區(qū)，上覆為同忻礦C3-5#層8104和8105工作面采空區(qū)，層間距平均23 m左右。3-5#層采用綜放開采工藝，平均采高18 m，其中8104面于2014年5月采完，8105面于2013年7月回采完畢。老頂：（粗、中、細）砂巖、砂質(zhì)泥巖、含礫粗砂巖；厚度：17.32 m~19.59 m；巖性特征為碳質(zhì)砂巖：深灰色，塊狀，局部含化石，局部碳質(zhì)泥巖與砂質(zhì)泥巖互層。含礫粗砂巖：灰白色，石英長石為主，礫石多為燧石，基底膠結。砂巖：灰色，膠結致密，堅硬。抗壓強度51.5 MPa。直接頂：粗、細、粉砂巖、細礫巖、砂質(zhì)泥巖；厚度：7.8 m~10.08 m；巖性特征為粗砂巖：灰白色，膠結緊密，堅硬。粉砂巖淺灰色，半堅硬，膠結致密。細礫巖灰白色，堅硬，孔隙式膠結。砂質(zhì)泥巖：灰黑色塊狀。抗壓強度40.8 MPa。直接底：高嶺質(zhì)泥巖；厚度：0.80 m~2.33 m；巖性特征：淺灰色、灰褐色，參差狀斷口，平行層理，含植物化石，局部碳質(zhì)、砂質(zhì)泥巖且節(jié)理發(fā)育。抗壓強度42.1MPa。C8#層8105工作面綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 C8#層8105工作面綜合柱狀圖

2 同忻礦C8#層北一盤區(qū)8105工作面頂板錨桿損壞的研究

2.1 受上覆綜放工作面8102開采的影響

8102工作面傾斜長度為251 m，工作面煤層厚度12.90 m～22.68 m，平均厚度為18.08 m，2020年6月1日試生產(chǎn)，2021年7月10日停采不放煤，7月23日開采完畢。該面是北一盤區(qū)的C3-5#層開采的最后一個工作面，屬于孤島工作面，周期來壓時波及范圍廣、應力顯現(xiàn)大，根據(jù)錢鳴高院士提出的礦山壓力理論及在具體生產(chǎn)實踐中得出該面應力集中顯現(xiàn)的影響范圍：周邊500 m的立體空間。8102工作面影響區(qū)域圖如圖2所示。

圖2 8102工作面影響區(qū)域圖

2.2 受本層內(nèi)部地質(zhì)構造的影響

北一盤區(qū)東南部為中等構造類型，基本構造形態(tài)為：走向N10°～50°E，傾向北西，東高西低的單斜構造，并伴有寬緩背向斜構造。其中有刁窩嘴向斜：位于井田東南部（一盤區(qū)南部），其軸部為一“勺”，幅度約160 m,為一寬緩的褶曲。北東轉(zhuǎn)北西向延伸，其軸部為一弧形，背斜幅度約80 m。另外，還有伴生的次一級緩波狀起伏。盤區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)地層傾角一般為2°～10°。北一盤區(qū)地質(zhì)構造圖如圖3所示。

圖3 北一盤區(qū)地質(zhì)構造圖

2.3 頂板的應力分析

根據(jù)錢鳴高院士提出的礦山壓力理論[1-2]及在生產(chǎn)實踐中我們得出應力集中顯現(xiàn)的“薄板理論[3-4]”即：在礦山近距離開采中，上覆應力集中顯現(xiàn)與層間距離成反比例關系。根據(jù)“薄板理論”C8#層已掘巷道，與上覆C3-5#層層間距平均23 m左右，屬于“薄板”，受上覆C3-5#層8102工作面開采動壓影響尤其是周期來壓，在下伏巷道的頂板薄弱地點產(chǎn)生了頂板“疲勞”，導致下伏圍巖的支護金屬材料出現(xiàn)了金屬疲勞現(xiàn)象，隨著時間的推移，在左旋無縱筋螺紋鋼錨桿的薄弱地點（如安裝時角度過大處、淋水腐蝕處等）出現(xiàn)斷裂，發(fā)生頂板某些地點無礦壓顯現(xiàn)卻出現(xiàn)斷桿的現(xiàn)象。

3 同忻礦C8#層北一盤區(qū)8105工作面實踐驗證

3.1 C8#層北一盤區(qū)8105工作面現(xiàn)場分析

在C8#層北一盤區(qū)5104、2105、5105巷出現(xiàn)的頂板斷桿情況見表1~表3。

表1 同忻C8#層8105工作面5104巷斷桿情況表

表3 同忻C8#層8105工作面5105巷斷桿情況表

表2 同忻C8#層8105工作面2105巷斷桿情況表

C8#層北一盤區(qū)頂板斷桿情況圖如圖4所示。

圖4 頂板斷桿情況圖

經(jīng)過現(xiàn)場對照得出：斷桿茬口出現(xiàn)了脆性斷裂、缺陷敏感、材料“蠕動”屬于金屬疲勞[5-6]，得出如下結論：

（1）2105巷649 m~830 m斷桿原因為：受上覆C3-5#層8102工作面動壓影響在頂板薄弱區(qū)：煤層賦存變化區(qū)和上覆火成巖區(qū)影響區(qū)域頂板礦壓顯現(xiàn)。

（2）2105巷276 m斷桿原因為：受上覆C3-5#層8102工作面動壓影響在頂板薄弱區(qū)：刁窩嘴向斜伴生的次一級緩波狀起伏變化節(jié)點。

（3）5105巷40 m斷桿原因為：受上覆C3-5#層8102工作面動壓影響在頂板薄弱區(qū)：刁窩嘴向斜伴生的次一級緩波狀起伏變化節(jié)點。

（4）5104巷708 m~908 m斷桿原因為：受上覆C3-5#層8102工作面動壓影響在頂板薄弱區(qū)：上覆火成巖區(qū)影響區(qū)域中部。

3.2 應對措施

采用“先大后小+實時支護法”即先從大的方面分析原因，再在現(xiàn)場小的細節(jié)上，進行采取打信號柱和及時補強支護等的方式實現(xiàn)。例如：針對2105巷斷桿區(qū)域采取先打信號柱再在斷桿就近部位補打單錨桿或單錨索最后在該區(qū)域補強支護，2105局部區(qū)域補強支護圖如圖5所示。

圖5 2105局部區(qū)域補強支護圖

4 結論

通過采用““先大后小+實時支護法”，實現(xiàn)了大同礦區(qū)石炭系8#層頂板錨桿金屬蠕變的防治，實現(xiàn)了節(jié)約、綠色、安全生產(chǎn)。按2105巷276 m、649 m~830 m、5105巷40 m~50 m、5104巷708 m~908 m計 算：共400 m，25根錨桿斷裂，補打需要約2581.1元，若按錨桿索桁架結構補強支護方式計算，則需補錨索600套，錨桿25根，需資金64 527.5元，經(jīng)過計算得出可節(jié)約材料資金：61 946.4元。人工費可節(jié)約10萬元，共可節(jié)約16.194 64萬元。備注：左旋縱筋螺紋鋼錨桿:65.9元/套，4.3 m長鋼絞線錨索：104.8元/套。