大同礦區(qū)特厚煤層巷道支護技術(shù)的實踐

崔俊卿

（大同煤礦集團挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037007）

引言

大同煤礦集團虎龍溝煤業(yè)公司位于大同市西南約37 km，隸屬懷仁縣鵝毛口鎮(zhèn)。2010 年該煤礦兼并重組后，設計生產(chǎn)規(guī)模為120 萬t/a，批準開采4號—8 號煤層，礦區(qū)面積為12.207 9 km2，設計服務年限30 年。井田屬火成巖侵入?yún)^(qū)域，由于火成巖的侵入引起石炭系煤體發(fā)生復雜的變化。主采5 號煤層81505 工作面屬于特厚煤層，工作面走向近似東西向，傾向北，傾角在2°～5°，采區(qū)內(nèi)地層為寬緩背斜構(gòu)造，背斜軸位于盤區(qū)巷西部，走向為北東向。區(qū)內(nèi)有火成巖，呈巖床性順煤層侵入，巖性為煌斑巖，對煤層造成一定的破壞。81505 工作面采用綜放開采工藝，巷道沿煤層底板掘進，設計了高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度的“三高一低”的錨桿（索）聯(lián)合支護方案[1]。

1 工程概況

81505 工作面位一盤區(qū)的中部，東部鄰81507工作面，間隔6.5 m，南接盤區(qū)軌道巷、皮帶巷、回風巷，北鄰塔山井田。該工作面煤層為3 號—5 號合并煤層，煤層總厚度為11.93～16.13 m，平均煤層厚度為15.72 m，屬于特厚煤層。夾矸為5～11 層，巖性多為高嶺質(zhì)泥巖或炭質(zhì)泥巖，夾研厚度為0.2～0.5 m，平均厚度為0.3 m。煤層頂板為砂巖或泥巖，底板為粉砂巖或高嶺質(zhì)泥巖，煤層底板距離3 號—5 號煤層頂板2～5 m[2]。

2 錨桿支護設計分析

2.1 錨桿預應力的確定

錨桿預應力是支護系統(tǒng)方案的重要參數(shù)，當錨桿預應力過低時產(chǎn)生的附加應力值小，壓應力區(qū)范圍小，有效壓應力區(qū)呈現(xiàn)孤立分布狀態(tài)，無法有效連接成一個整體。反之，當錨桿預應力過高時，產(chǎn)生的附加應力值大，壓應力區(qū)范圍廣，有效壓應力呈現(xiàn)全面覆蓋狀態(tài)，將巷道頂板連接成一個整體，錨桿主動支護效果理想。因此針對錨固區(qū)和拉應力區(qū)，不產(chǎn)生明顯離層是確定預應力的原則，不同錨桿預應力形成的附加應力場分布圖如圖1 所示[3]，從數(shù)據(jù)分析可以確定錨桿頂緊力最小值為100 kN 較為合適。

圖1 不同錨桿預應力形成的附加的應力場分布

2.2 錨桿長度的確定

在錨桿支護設計中，錨桿長度的增加可使得錨桿有效壓應力區(qū)范圍與厚度增加，錨桿作用范圍進一步擴大。不同錨桿長度的附加應用場分布如下頁圖2 所示[4]，從圖2 的附加應用場分布數(shù)據(jù)可確定錨桿長度為2.4 m，此時保證最少600 mm 的錨桿錨固在穩(wěn)定圍巖中。

2.3 支護布置方案

針對81505 工作面巷道的實際情況，結(jié)合“三高一低”的支護技術(shù)及錨桿（索）聯(lián)合支護方案的要求，設計該巷道支護布置方案如下。

錨桿形式和規(guī)格：桿體為Φ22 mm 左旋無縱筋高強螺紋鋼筋，長度2 400 mm，鋼材為335 號錨桿專用鋼，桿尾螺紋為M24[5]。

圖2 不同錨桿長度的附加應用場分布

錨固方式：樹脂加長錨固，采用2 支低黏度樹脂藥卷，1 支規(guī)格為K2335，1 支規(guī)格為Z2360，鉆孔直徑為30 mm，錨固長度為1 400 mm。

W 鋼帶規(guī)格：采用W 鋼帶護頂，鋼帶規(guī)格：型號為BHW250-4，厚度為4 mm，寬度為250 mm，長度為5 300 mm。

錨桿配件：采用高強錨桿螺母M24×3，配合高強托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈，采用弧形高強度托盤170 mm×170 mm×12 mm，承載能力≥30 t。

錨桿角度：錨桿與巷道頂幫輪廓線垂直布置。

網(wǎng)片規(guī)格：采用雙抗網(wǎng)防靜電防阻燃塑料網(wǎng)片護頂，網(wǎng)片規(guī)格5 900 mm×900 mm。

錨桿布置：頂錨桿每排7 根，排距800 mm，間距800 mm。

錨桿預緊扭矩：要求錨桿預緊力矩應達到400 N·m 以上。

錨索形式和規(guī)格：錨索材料為Φ22 mm，1×19股高強度、低松弛預應力鋼絞線，長度為8 300 mm。樹脂加長錨固：采用1 支K2335 和2 支Z2360 低黏度樹脂藥卷錨固，錨固長度為1 500 mm，鉆孔直徑為30 mm。

錨索布置：錨索為每兩排三根布置，排距為1 600 mm，間距為2 000 mm，錨索角度全部垂直頂板打設。

錨索托盤：采用300 mm×300 mm×16 mm 高強度可調(diào)心托板及配套鎖具。

錨索組合構(gòu)件：采用W 鋼帶作為每排錨索的組合構(gòu)件，鋼帶規(guī)格型號為BHW250-4，厚度為4 mm，寬為250 mm，長度為4 300 mm。

錨索預緊力：錨索預緊力應達到200～250 kN，錨索外露長度在鎖具外50 mm。

3 支護效果分析

對虎龍溝煤業(yè)81505 工作面巷道進行支護綜合監(jiān)測，主要包括巷道表面位移、頂板離層、錨桿錨索受力狀況。每間隔50 m 的位置布置1 個測站，測站位置距81505 工作面的距離為1～1.5 m。選擇典型的10 號測站進行數(shù)據(jù)觀測、記錄，得到了8 號測站錨桿軸力變化曲線數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)可知，安裝初期檢測到的錨桿軸力是急劇變化的，當距離工作面約70 m 時達到最大值約43.6 kN，此時監(jiān)測到錨桿軸力不再變化，充分證明此時巷道進入到了穩(wěn)定階段。此時，監(jiān)測到巷道錨桿拉力為71.2 kN，錨索拉力為85.6 kN，頂?shù)装逡平繛?4 mm，這一數(shù)據(jù)充分說明頂板沒有發(fā)生明顯離層現(xiàn)象，該支護方案可以有效保障巷道圍巖的穩(wěn)定性，巷道圍巖變形量較小，支護效果理想。

4 結(jié)論

針對虎龍溝煤業(yè)公司5 號煤層81505 工作面采用強度、剛度、高可靠性與低支護密度的“三高一低”的錨桿（索）聯(lián)合支護方案，實踐應用效果理想，有效解決了大同礦區(qū)特厚煤層軟巖巷道支護難題。