火成巖侵入影響的特厚煤層巷道高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)與應(yīng)用

張小榮 姜鵬飛 孟國勝 楊建威 劉躍東

(1. 大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西省大同市，037003；2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013；3.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013)

?

火成巖侵入影響的特厚煤層巷道高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)與應(yīng)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(tuán)有限責(zé)任公司，山西省大同市，037003；2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013；3.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013)

以塔山煤礦3#～5#煤層8105工作面鄰空巷道5105回風(fēng)平巷特厚頂煤大斷面全煤巷道錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)為工程背景，井下實(shí)測(cè)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(yàn)方法對(duì)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(yù)應(yīng)力對(duì)改善巷道圍巖受力狀態(tài)十分明顯，大幅提高了巷道頂部和巷幫煤體的自承能力。數(shù)值模擬研究了不同托盤規(guī)格、無鋼帶及不同鋼帶尺寸對(duì)圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布特征。提出了火成巖侵入影響的特厚煤層巷道高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)，并進(jìn)行井下試驗(yàn)。結(jié)果表明，高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)應(yīng)用后，工作面回采期間5105回風(fēng)平巷頂?shù)装逡平?0 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(yù)應(yīng)力 巷道支護(hù) 錨桿支護(hù)

煤系地層以沉積巖為主，巷道頂板結(jié)構(gòu)通常由不同厚度的層狀巖層構(gòu)成。在地殼活動(dòng)作用下，我國部分礦區(qū)煤系地層受到了火成巖侵入的影響，煤巖層條件發(fā)生很大變化，巖體的非連續(xù)性、非均質(zhì)性及各向異性表現(xiàn)得更為顯著，由此導(dǎo)致的頂板垮落事故頻繁發(fā)生。

以大同礦區(qū)為例，目前主采石炭系3#～5#煤層，受火成巖侵入作用，煤層結(jié)構(gòu)十分復(fù)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(xiàn)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(dá)到80.79 m?；鸪蓭r侵入使煤層在垂直方向形成了煌斑巖、變質(zhì)硅化煤、混煤及正常煤等多種復(fù)雜煤巖層結(jié)構(gòu)。上部的火成巖變成了堅(jiān)硬的煌斑巖，而中部的混煤結(jié)構(gòu)卻較疏松且易碎，下部煤體堅(jiān)硬，使3#～5#煤層形成了上硬、中軟、下硬的結(jié)構(gòu)。由于3#～5#煤層厚度達(dá)到20 m，錨桿、錨索無法錨固到頂板穩(wěn)定巖層，傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)技術(shù)很難控制受火成巖侵入影響的特厚煤層巷道的嚴(yán)重變形。本文針對(duì)塔山煤礦3#～5#煤層8105工作面5105回風(fēng)平巷火成巖侵入影響的特厚煤層巷道，開展高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)與應(yīng)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(fēng)平巷巷道為矩形斷面，規(guī)格為5.5 m×3.8 m，設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度為2980 m。巷道沿煤層底板掘進(jìn)，頂煤最厚處超過16 m。

5105回風(fēng)平巷直接頂平均厚度為4.49 m，巖漿巖、炭質(zhì)泥巖、泥巖、變質(zhì)硅化煤交替賦存，普氏系數(shù)在6.0～6.5之間。巖漿巖為半晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚度變化不均；變質(zhì)硅化煤結(jié)構(gòu)疏松；炭質(zhì)泥巖易碎。直接頂上方為2#煤層，因巖漿巖侵入，大部分變質(zhì)硅化。老頂平均厚度為22.93 m，以粉砂巖、細(xì)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(zhì)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(zhì)泥巖，普氏系數(shù)5.0～6.0。老底平均厚度為5.12 m，包括灰白、淺灰色細(xì)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(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力為12.9 MPa，垂直應(yīng)力為11.44 MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹19E。5105回風(fēng)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(qiáng)度測(cè)定裝置對(duì)巷道圍巖強(qiáng)度進(jìn)行了井下原位測(cè)試，得出巷道頂煤強(qiáng)度最大為17.85 MPa，最小為7.65 MPa，平均強(qiáng)度為12.43 MPa；巷幫煤體幫孔煤體強(qiáng)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(dá)到16 m，如果將錨索錨固在頂板穩(wěn)定巖層中，那么錨索長(zhǎng)度將超過18 m，在煤礦井下狹窄的作業(yè)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(yù)緊力，提高煤層的承載能力，進(jìn)而保持巷道圍巖穩(wěn)定。

但對(duì)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(hù)，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(jié)構(gòu)觀測(cè)圖像如圖1所示。由圖1可知，塔山煤礦頂煤和直接頂節(jié)理裂隙發(fā)育。頂板淺部巖層出現(xiàn)了不同程度離層，且向深部有發(fā)展的趨勢(shì)。

圖1 塔山煤礦巷道頂板結(jié)構(gòu)觀測(cè)圖

塔山煤礦煤巖層結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可知，受火成巖侵入影響，煤體強(qiáng)度變化較大，火成巖侵入位置煤層破碎，穩(wěn)定性差。井下現(xiàn)場(chǎng)對(duì)錨桿、錨索進(jìn)行了錨固力試驗(yàn)，得出塔山煤礦巷道頂煤錨桿支護(hù)采用2支樹脂錨固劑(1支2335型、1支2360型)錨固后，錨固力達(dá)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(dá)250 kN。

圖2 塔山煤礦煤巖層結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)錨固力測(cè)試結(jié)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(qiáng)度相對(duì)較低、穩(wěn)定性較差，在強(qiáng)烈動(dòng)壓影響下相比巖石更易發(fā)生裂隙開啟、擴(kuò)展，從而誘發(fā)不連續(xù)的擴(kuò)容變形，進(jìn)而影響其錨固性能。因此，對(duì)于火成巖侵入特厚煤層全煤巷道支護(hù)，應(yīng)根據(jù)不同位置煤層強(qiáng)度實(shí)測(cè)結(jié)果，確定合理錨固位置，通過加長(zhǎng)或全長(zhǎng)錨固提高錨桿與錨索錨固性能，施工時(shí)重視錨桿錨索拉拔力檢測(cè)，保證錨桿與錨索高預(yù)應(yīng)力支護(hù)效果的發(fā)揮。

3 預(yù)應(yīng)力對(duì)煤體支護(hù)作用研究

預(yù)應(yīng)力作為巷道支護(hù)的關(guān)鍵參數(shù)，其主要作用是抑制巷道掘進(jìn)后裂隙、離層的產(chǎn)生，減少巷道圍巖的擴(kuò)容變形。

巷道掘進(jìn)后，頂板水平應(yīng)力增加，垂直應(yīng)力釋放；巷幫垂直應(yīng)力增加，水平應(yīng)力釋放。在巷道頂部煤體中取一個(gè)微元體，其增加的水平應(yīng)力相當(dāng)于施加的軸向壓力，在巷幫取一個(gè)微元體，其增加的垂直應(yīng)力相當(dāng)于施加軸向壓力。而錨桿錨索的預(yù)緊力則相當(dāng)于施加的圍壓。因此，錨桿錨索預(yù)應(yīng)力對(duì)巷道的支護(hù)作用可轉(zhuǎn)化為煤體試件軸壓與圍壓關(guān)系問題。通過分析煤體試件軸壓與圍壓的關(guān)系研究了錨桿錨索預(yù)應(yīng)力對(duì)煤體的支護(hù)作用，對(duì)塔山煤礦5105回風(fēng)平巷頂煤進(jìn)行取樣，并對(duì)其進(jìn)行單軸和不同圍壓下的三軸加載試驗(yàn)。

采用MTS815 Flex Test GT巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)開展試驗(yàn)，該系統(tǒng)最大軸向加載載荷為4600 kN，可施加最高圍壓為140 MPa。試驗(yàn)加載達(dá)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(shí)采用橫向變形控制方法。

首先進(jìn)行煤體試件的單軸加載試驗(yàn)，測(cè)試得出試件平均單軸抗壓強(qiáng)度為19.8MPa。然后進(jìn)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(yàn)，圍壓加載速率為3 MPa/min。不同圍壓加載試驗(yàn)時(shí)，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(duì)應(yīng)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(xiàn)出較為明顯的脆性特征，隨著圍壓的增加，對(duì)應(yīng)的脆性破壞特征逐漸減弱。

圖4 不同圍壓下煤體試件全應(yīng)力-應(yīng)變曲線

不同圍壓下煤體試件全應(yīng)力-應(yīng)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(qiáng)度增加；隨著圍壓的增加，煤體試件存在的原生裂隙和內(nèi)部層理對(duì)其強(qiáng)度影響程度降低，其破壞形態(tài)主要由施加的圍壓大小決定。結(jié)合單軸加載試驗(yàn)結(jié)果，表明特厚頂煤巷道掘進(jìn)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(jìn)后方圍巖的破壞主要為錨桿錨索支護(hù)后預(yù)應(yīng)力、支護(hù)阻力及采動(dòng)后圍巖內(nèi)部三維應(yīng)力狀態(tài)變化影響。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和摩爾-庫倫強(qiáng)度理論，得出煤體試件在不同圍壓下的強(qiáng)度參數(shù)見表1。

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

表1 不同圍壓下煤體試件強(qiáng)度參數(shù)

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可知，圍壓對(duì)于提高煤體的軸向抗壓強(qiáng)度效應(yīng)十分明顯。當(dāng)煤體試件處于三向受力狀態(tài)時(shí)，隨著圍壓的增加，特厚煤層巷道周圍煤體受力狀態(tài)明顯改善。煤體抗壓強(qiáng)度隨圍壓增大顯著增加。因此，對(duì)于特厚頂煤全煤巷道，錨桿、錨索的高預(yù)應(yīng)力可顯著改善圍巖受力狀態(tài)，大幅提高了煤體承載能力。

4 不同護(hù)表構(gòu)件對(duì)火成巖侵入頂煤作用分析

對(duì)于火成巖侵入特厚煤層而言，由于強(qiáng)度和完整性較低，護(hù)表構(gòu)件的選擇尤為重要，采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件，在不考慮原巖應(yīng)力場(chǎng)情況下，模擬分析了不同支護(hù)構(gòu)件對(duì)火成巖侵入影響下特厚煤層巷道圍巖預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律。

4.1 模擬方案

數(shù)值計(jì)算中采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，參考煤層物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果，確定數(shù)值模擬煤層計(jì)算參數(shù)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(qiáng)度為0.6 MPa。具體模擬方案分以下2種：

(1)錨桿預(yù)緊力矩為400 N·m，對(duì)應(yīng)的錨桿預(yù)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(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布特征。

(2)鋼帶尺寸為對(duì)支護(hù)效果的影響。模擬中錨桿預(yù)緊力矩為400 N·m，錨桿托盤規(guī)格為150 ×150×10 mm；錨索張拉力150 kN，錨索托板規(guī)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(yù)緊力在巷道頂煤中預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布特征。

4.2 模擬結(jié)果分析

錨桿預(yù)緊力矩為400 N·m時(shí)托盤在煤體中的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布如圖5所示。

圖5 不同規(guī)格托盤在煤體中產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)分布

當(dāng)錨桿托盤規(guī)格為80 mm×80 mm×8 mm時(shí)，按照理論計(jì)算可得托盤最大壓應(yīng)力為16.72 MPa，由于托盤較小，托盤邊界效應(yīng)明顯，托盤四個(gè)角上出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大壓應(yīng)力達(dá)到22 MPa。當(dāng)錨桿托盤規(guī)格為120 mm×120 mm×10 mm 時(shí)，理論計(jì)算得出托盤最大壓應(yīng)力為7.43 MPa，隨著托盤與煤體接觸面積的增大，托盤應(yīng)力集中區(qū)由四個(gè)角擴(kuò)展到托盤四條邊，最大壓應(yīng)力為9.6 MPa。當(dāng)錨桿托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm 時(shí)，理論計(jì)算得出托盤最大壓應(yīng)力為4.76 MPa，雖然托盤四邊仍出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，但整體受力變得更為均勻，托盤最大壓應(yīng)力為5.5 MPa。從托盤壓應(yīng)力在煤體中的擴(kuò)散范圍來看，托盤越大，預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散范圍越廣，但托盤尺寸增大將引起托盤表面壓應(yīng)力值降低。因此，在支護(hù)中應(yīng)選擇尺寸較大的托盤，同時(shí)提高錨桿的預(yù)緊力。

圖6 無鋼帶及不同尺寸鋼帶條件下頂煤表面應(yīng)力場(chǎng)分布

由圖6可以看出，無鋼帶時(shí)各錨桿形成的預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散范圍未有效擴(kuò)展到整個(gè)頂煤范圍，兩根錨桿之間預(yù)應(yīng)力所形成的壓應(yīng)力區(qū)相互分離。雖然錨索施加的預(yù)應(yīng)力在頂煤中與周圍錨桿形成了一定范圍的應(yīng)力疊加區(qū)，但未擴(kuò)散到全部頂煤范圍。鋼帶寬度為200 mm時(shí)，由于鋼帶的作用，錨桿預(yù)應(yīng)力所形成的壓應(yīng)力區(qū)沿著鋼帶長(zhǎng)度方向有所擴(kuò)大，并與錨索預(yù)應(yīng)力形成的壓應(yīng)力區(qū)相互疊加，但整個(gè)頂部煤體范圍仍存在一定的拉應(yīng)力區(qū)。鋼帶寬度增大至250 mm時(shí)，錨桿與錨桿間形成的壓應(yīng)力區(qū)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(yīng)力區(qū)疊加效果顯著增加，僅存在少量拉應(yīng)力區(qū)?？傮w來看，鋼帶提高了錨桿預(yù)應(yīng)力在巷道頂煤的擴(kuò)散范圍，提高了錨桿與錨桿之間頂煤的支護(hù)作用效果。

5 火成巖侵入影響的特厚煤層巷道高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)

根據(jù)上述研究結(jié)果，提出火成巖侵入影響的特厚煤層全煤巷道錨桿支護(hù)技術(shù)的具體實(shí)施流程：

(1)地質(zhì)力學(xué)測(cè)試，分析火成巖侵入影響后巷道圍巖地應(yīng)力、煤巖體強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)分布。

(2)根據(jù)頂煤頂板巖層條件，確定錨桿錨索合理長(zhǎng)度及錨固點(diǎn)位置，如頂煤完整性較差，可采用錨桿、不同長(zhǎng)度錨索聯(lián)合錨固、錯(cuò)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(yàn)，看能否滿足預(yù)應(yīng)力施加需求，如錨固性能差，可采用加長(zhǎng)或全長(zhǎng)錨固。

(4)通過數(shù)值模擬，得出采動(dòng)影響后圍巖應(yīng)力分布情況。

(5)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、地質(zhì)力學(xué)測(cè)試、可錨性能測(cè)試及數(shù)值計(jì)算結(jié)果，確定巷道支護(hù)參數(shù)。

(6)根據(jù)錨固性能和預(yù)應(yīng)力需求選擇合理強(qiáng)度、較高抗沖擊性能的錨桿材料及構(gòu)件。

(7)進(jìn)行錨桿錨索及配套構(gòu)件力學(xué)性能和匹配性能試驗(yàn)，確保支護(hù)材料的可靠性和性能匹配性。

(8)及時(shí)支護(hù)，減少火成巖侵入特厚煤層巷道掘進(jìn)后應(yīng)力降低速度，并保證施工質(zhì)量。

6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究

塔山煤礦8105工作面5105回風(fēng)平巷支護(hù)是國家“十一五”科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目“特厚煤層大采高綜放開采關(guān)鍵技術(shù)及裝備”的主要試驗(yàn)巷道。采用上述支護(hù)技術(shù)對(duì)火成巖侵入影響特厚煤層巷道開展支護(hù)試驗(yàn)與效果分析。

6.1 支護(hù)方案

考慮5105回風(fēng)平巷與相鄰8104綜放工作面采空區(qū)區(qū)段煤柱寬度為38 m，結(jié)合塔山煤礦地質(zhì)力學(xué)條件，在錨固性能測(cè)試、錨桿錨索預(yù)應(yīng)力作用機(jī)理分析、數(shù)值模擬分析基礎(chǔ)上，提出巷道支護(hù)方案。

頂板支護(hù)：錨桿為600 MPa級(jí)?22 mm×2400 mm左旋無縱筋螺紋鋼，錨桿間排距為800 mm，樹脂加長(zhǎng)錨固，設(shè)計(jì)錨桿預(yù)緊扭矩400N·m。W鋼帶寬度250 mm，厚度4 mm。頂錨索為1×19結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，規(guī)格為?22 mm×8300 mm，錨索托盤規(guī)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(hù)：采用600 MPa級(jí)高強(qiáng)度錨桿支護(hù)，錨桿材料性能參數(shù)與頂板相同，間排距1000 mm×800 mm，采用長(zhǎng)450 mm、寬280 mm、厚度5 mm的鋼護(hù)板配合高強(qiáng)度塑料網(wǎng)護(hù)幫。巷幫錨桿也采用樹脂加長(zhǎng)錨固，設(shè)計(jì)預(yù)緊扭矩400 N·m。5105回風(fēng)平巷錨桿錨索及測(cè)力及布置如圖7所示。

圖7 5105回風(fēng)平巷錨桿錨索及測(cè)力計(jì)支護(hù)布置圖

對(duì)于巷道部分位置，由于火成巖侵入導(dǎo)致煤層錨固性能低于100 kN，采用不同長(zhǎng)度的錨索組合錯(cuò)層布置方式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，組合錨索如圖8所示，錨索長(zhǎng)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(zhǎng)600 mm，厚度16 mm。

6.2 支護(hù)效果分析

巷道掘進(jìn)與工作面回采期間，對(duì)錨桿受力及巷道圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

巷道掘進(jìn)階段，錨桿初始預(yù)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(qū)的1#、2#錨桿隨掘進(jìn)工作面推進(jìn)受力增加較明顯；3#～8#錨桿受力變化不大。各監(jiān)測(cè)錨桿受力穩(wěn)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(zhǎng)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(xiàn)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(nèi)。

由巷道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，5105回風(fēng)平巷掘進(jìn)階段頂?shù)装逡平?2 mm，兩幫移近20 mm。8105工作面回采階段，巷道頂?shù)装逡平?0 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(fēng)平巷支護(hù)情況如圖10所示，巷道支護(hù)效果良好。

圖9 工作面回采期間錨桿受力變化曲線

7 結(jié)論

(1)大同塔山煤礦火成巖侵入后煤巖層條件發(fā)生很大變化，上部的火成巖變成了堅(jiān)硬的煌斑巖，而中部的混煤結(jié)構(gòu)卻較疏松并且性脆易碎，下部煤體堅(jiān)硬，使3#～5#煤層形成了上硬、中軟、下硬的結(jié)構(gòu)；同時(shí)由于煤層厚度達(dá)到20 m，為滿足通風(fēng)及大型設(shè)備運(yùn)輸要求，巷道斷面大，且受到大采高綜放開采強(qiáng)烈動(dòng)壓影響，這些特點(diǎn)為高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)機(jī)理及技術(shù)提出了新的要求。

(2) 特厚煤層巷道支護(hù)時(shí)，錨桿與錨索將全部錨固于煤層中，火成巖侵入煤層在強(qiáng)烈采動(dòng)影響下更易發(fā)生開裂等不連續(xù)擴(kuò)容變形，從而導(dǎo)致錨桿錨索在煤層中的錨固性能下降。因此，應(yīng)根據(jù)煤層強(qiáng)度和完整性確定合理的錨固位置，通過全長(zhǎng)或加長(zhǎng)錨固提高錨桿錨索的錨固性能，并加強(qiáng)錨桿錨索拉拔力的檢測(cè)。

圖10 塔山煤礦5105回風(fēng)平巷井下支護(hù)狀況

(3) 對(duì)于火成巖侵入特厚煤層巷道，頂煤強(qiáng)度較低、裂隙發(fā)育，錨桿、錨索的高預(yù)應(yīng)力對(duì)于抑制頂煤裂隙的開啟、擴(kuò)展及離層的效果十分明顯，同時(shí)改善了巷道圍巖受力狀態(tài)，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(hù)構(gòu)件全煤巷道預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散起著重要作用。托盤尺寸越大，預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散范圍越廣，但托盤尺寸的增大會(huì)引起托盤表面壓應(yīng)力降低，支護(hù)中應(yīng)選擇尺寸較大的托盤，同時(shí)提高錨桿的預(yù)緊力；鋼帶使各錨桿所形成的壓應(yīng)力區(qū)沿鋼帶長(zhǎng)度方向上顯著擴(kuò)大，并彼此連接，提高了錨桿之間圍巖的支護(hù)作用。

(5) 提出了針對(duì)火成巖侵入影響的特厚煤層巷道支護(hù)技術(shù)，并在塔山煤礦5105回風(fēng)平巷成功試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jí)地下廠房洞室群穩(wěn)定性與調(diào)控 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011(11)

[3] 張農(nóng)，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(hù) [J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，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(hù)技術(shù) [J].煤礦安全，2010(3)

[5] 王金華. 全煤巷道錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)機(jī)理與效果分析 [J]. 煤炭學(xué)報(bào)，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(xué)報(bào), 2006(3)

[7] 康紅普，姜鐵明，高富強(qiáng). 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì) [J]. 煤炭學(xué)報(bào)，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(yù)應(yīng)力錨桿(索)支護(hù)機(jī)理及應(yīng)用研究 [J]. 中國煤炭，2015(6)

[9] 康紅普，林健，吳擁政等. 錨桿構(gòu)件力學(xué)性能及匹配性[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2015(1)

(責(zé)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(xué)基金煤炭聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目(U1261211)，中國科協(xié)青年人才托舉工程項(xiàng)目(2015QNRC001)，中國煤炭科工集團(tuán)青年創(chuàng)新基金項(xiàng)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(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)與應(yīng)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?yàn)榈V山壓力與巖層控制，現(xiàn)任大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司總調(diào)度室主任工程師，從事煤礦技術(shù)與調(diào)度管理工作。