白鍇

(山西源通煤礦工程設(shè)計(jì)有限公司，太原 030000)

大傾角松軟厚煤層開切眼支護(hù)技術(shù)與實(shí)踐

白鍇

(山西源通煤礦工程設(shè)計(jì)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(hù)技術(shù)問題，對5105切眼附近的煤層進(jìn)行煤巖體的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)，分析其結(jié)果，并結(jié)合數(shù)值模擬分析錨桿支護(hù)系統(tǒng)中的預(yù)緊力和托板對預(yù)應(yīng)力場的分布影響，提出了使用高預(yù)緊力錨桿搭配使用錨索維護(hù)巷道的技術(shù)體系。應(yīng)用于現(xiàn)場對礦壓產(chǎn)生的力學(xué)現(xiàn)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(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，驗(yàn)證此技術(shù)的安全性和可靠性。

大傾角；松軟；高預(yù)緊力；托板

1 工程背景

孟家窯煤礦是一個(gè)兼并重組礦井，主要開采石炭紀(jì)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(qū)域?qū)儆诩眱A斜煤層。目前所布置的5105工作面發(fā)現(xiàn)一向南東方向傾斜的單斜構(gòu)造，但5105切眼掘進(jìn)在過程中沒有遇到較大斷層等地質(zhì)構(gòu)造，在設(shè)計(jì)中因此不考慮斷層構(gòu)造對支護(hù)的影響。根據(jù)周圍巷道揭露，發(fā)現(xiàn)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(gè)5號煤煤體松軟破碎，以前主要采用連鎖木垛進(jìn)行支護(hù)，是一種落后的、支護(hù)效果不好的被動支護(hù)，不利于圍巖的變形控制。

5105切眼原設(shè)計(jì)沿5號煤底板掘進(jìn)，切眼斷面為矩形，原來切眼斷面的寬為3.7 m，為了滿足現(xiàn)代化礦井和設(shè)備的要求，擴(kuò)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(jìn)完畢，主要采用連鎖木垛進(jìn)行支護(hù)。

因此，迫切的需要根據(jù)國內(nèi)外大傾角松軟厚煤層支護(hù)的成功案例，結(jié)合孟家窯礦井特殊的地質(zhì)構(gòu)造，設(shè)計(jì)一套有效地支護(hù)體系。

2 5105切眼地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測定

5105切眼支護(hù)的對象為煤體，在測定其參數(shù)主要為地應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度和圍巖結(jié)構(gòu)[1]。

2.1 地應(yīng)力

采用水壓致裂地應(yīng)力測量方法和SYY-56型水壓致裂地應(yīng)力測量儀在5105回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷中進(jìn)行了地應(yīng)力測量。結(jié)果顯示：距材料運(yùn)輸巷20 m處，最大水平主應(yīng)力為6.31 MPa，方向?yàn)镹79.02°E；最小水平主應(yīng)力為3.20 MPa，垂直主應(yīng)力為4.18 MPa。

2.2 圍巖強(qiáng)度

對5105切眼圍巖強(qiáng)度測定采用裝置為WQCZ-56型。根據(jù)巷道頂板上方0～9.7 m內(nèi)煤體平均抗壓強(qiáng)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(nèi)的煤體強(qiáng)度進(jìn)行測試，結(jié)果為2～8.5 MPa，綜合而言，5105切眼煤體強(qiáng)度平均約4.45 MPa。

頂?shù)装宓膹?qiáng)度測試也使用同樣的儀器和手段。頂板為砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度12.8 MPa，屬軟巖；粉砂巖抗壓強(qiáng)度為9.1～12.2 MPa，屬軟巖；細(xì)粒砂巖抗壓強(qiáng)度為25.5 MPa，屬半堅(jiān)硬-堅(jiān)硬巖石。適合采用放頂煤，冒放性較好。底板為砂質(zhì)泥巖與頂板相同。

對5105切眼圍巖強(qiáng)度的整體評價(jià)為煤體、直接頂、直接底都為較軟巖性，需要在支護(hù)設(shè)計(jì)中整體考慮其圍巖強(qiáng)度。

2.3 圍巖結(jié)構(gòu)

通過巖石力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)得出了巖石的力學(xué)參數(shù)，主要是抗壓強(qiáng)度的研究。但未對內(nèi)部細(xì)微的節(jié)理裂隙進(jìn)行分析，根據(jù)錨桿的懸吊理論，這將影響支護(hù)形式的選擇。在開切眼采用全景鉆孔窺視儀，窺視范圍內(nèi)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(nèi)部結(jié)果發(fā)現(xiàn)，節(jié)理及內(nèi)生裂隙發(fā)育，呈現(xiàn)條帶狀和條理狀結(jié)構(gòu)，有明顯的縱向、環(huán)向裂隙。5105切眼部分圍巖結(jié)構(gòu)，見圖1。

綜上所述，5號煤的厚度較大，地應(yīng)力場屬于中等偏低，強(qiáng)度較低，屬于松軟巖層，煤體內(nèi)的裂隙比較發(fā)育，完整性差。

3 數(shù)值模擬分析影響錨桿支護(hù)參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)情況和圍巖強(qiáng)度等參數(shù)，本次設(shè)計(jì)采用高預(yù)應(yīng)力錨桿，需要考慮預(yù)緊力的大小，匹配煤層的強(qiáng)度，并且使用尺寸合適的托板，保證預(yù)緊力的均勻有效擴(kuò)散。

3.1 預(yù)緊力對錨桿支護(hù)的支護(hù)效果

預(yù)緊力的大小和其煤巖體中的影響范圍是高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)的核心[2]。

圖2-a、圖2-b、圖2-c為當(dāng)煤體強(qiáng)度4.5 MPa時(shí)，施加不同錨桿預(yù)緊力分別為20 kN、40 kN、60 kN，預(yù)應(yīng)力場在煤體中的分布范圍的研究。從圖可以得出：

1）當(dāng)施加預(yù)緊力為20 kN時(shí)，錨桿托板處及錨固端存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，但應(yīng)力集中范圍很小，錨固段內(nèi)沒有形成應(yīng)力疊加區(qū)域，說明此時(shí)沒有起到真正預(yù)緊力的作用。

2）當(dāng)施加預(yù)緊力增加到40 kN時(shí)，預(yù)緊力的增加明顯改善巷道頂板煤體的壓應(yīng)力分布范圍和區(qū)域，錨桿預(yù)應(yīng)力已經(jīng)擴(kuò)散到錨桿整個(gè)錨固范圍，但仍略低，沒有使預(yù)應(yīng)力兩個(gè)錨點(diǎn)之間形成疊合區(qū)域。

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

通過分析說明高預(yù)緊力有利于錨桿的錨固，同時(shí)太大的預(yù)緊力使得破壞松軟的煤體，需要設(shè)計(jì)合適的托板。

3.2 托板對錨桿支護(hù)的支護(hù)效果

圖3-a、圖3-b、圖3-d為在煤體強(qiáng)度4.5 MPa、錨桿預(yù)緊力60 kN的情況下，不同規(guī)格的托板，80 mmx80 mmx10 mm、100 mmx100 mmx10 mm、120 mmx120 mmx10 mm、150 mmx150 mmx10 mm，預(yù)應(yīng)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(yù)緊力為60 kN，托板規(guī)格為80 mmx80 mmx10 mm情況時(shí)，托板附近煤體最大壓應(yīng)力值達(dá)到了18.86 MPa；當(dāng)托板規(guī)格為100 mmx 100 mmx10 mm情況時(shí)，托板附近煤體最大壓應(yīng)力值為13.24 MPa；當(dāng)托板規(guī)格為120 mmx120 mmx 10 mm情況時(shí)，托板附近煤體最大壓應(yīng)力值為10.18 MPa；當(dāng)托板規(guī)格為150 mmx150 mmx10 mm情況時(shí)，托板附近煤體最大壓應(yīng)力值為7.47 MPa；

2）在相同錨桿預(yù)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(yīng)力值越大，托板應(yīng)力最大的部位主要集中在四個(gè)角處，可能出現(xiàn)切穿鋼帶或壓壞煤體的情況；托板尺寸較大時(shí)，相同錨桿預(yù)緊力條件下，托板受力更為均勻，所受的總體壓應(yīng)力值減小，托板四邊同時(shí)受力，當(dāng)預(yù)應(yīng)力進(jìn)一步增加時(shí)，托板與鋼帶、鋼筋托梁或煤體表面整個(gè)接觸面均受力，從而可以減少切穿鋼帶或壓壞煤體的現(xiàn)象[3-4]。

3）隨著錨桿預(yù)緊力的增加，煤體中的壓應(yīng)力值和壓應(yīng)力區(qū)域增大，有利于在巷道頂板形成良好的壓應(yīng)力拱。因此，在巷道支護(hù)中，考慮經(jīng)濟(jì)情況下，應(yīng)盡量采用尺寸較大的托板，同時(shí)施加較大的錨桿預(yù)緊力。

4 5105切眼支護(hù)效果分析

設(shè)計(jì)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(jì)、巷道表面位移和頂板離層儀進(jìn)行觀測。

4.1 表面位移

從5105切眼擴(kuò)巷表面位移變化整體趨勢（見圖4）可以看出，巷道經(jīng)歷的動壓較小且歷時(shí)約7 d時(shí)間，巷道趨于穩(wěn)定。5105切眼擴(kuò)巷處外側(cè)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(nèi)，5號煤回風(fēng)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(gè)月的時(shí)間內(nèi)巷道變形穩(wěn)定，5105切眼擴(kuò)巷外側(cè)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(jìn)，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(wǎng)兜，可能會導(dǎo)致局部巷道頂板的破碎下沉，曲線的波動。

4.2 頂板離層

設(shè)計(jì)每隔30 m在5105切眼擴(kuò)巷安排一個(gè)頂板離層儀，每天觀察記錄數(shù)據(jù)。通過分析5105切眼擴(kuò)巷頂板離層記錄可以得出，巷道頂板離層儀變化主要表現(xiàn)在剛開始開挖巷道，之后隨著逐漸遠(yuǎn)離掘進(jìn)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(hù)巷錨索、錨桿受力變化情況如圖5、圖6所示。

為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的支護(hù)參數(shù)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(gè)支護(hù)系統(tǒng)的錨索、錨桿在其服務(wù)的時(shí)間內(nèi)都保持了趨于穩(wěn)定的特性；設(shè)計(jì)錨索錨固力達(dá)到250 kN，錨桿錨固力為127 kN，實(shí)際頂板錨索受力為最小最大值為235.89 kN和227.67 kN，外側(cè)幫錨桿所受的最大拉應(yīng)力為64.02 kN，頂部錨桿所受最小拉應(yīng)力為70.28 kN，最大為78.17 kN，平均為73.60 kN，選擇的參數(shù)既沒有超過其抗拉極限也無較大的浪費(fèi)；在剛開始時(shí)錨桿（索）的應(yīng)力都出現(xiàn)了不同數(shù)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(shí)際使用時(shí)需考慮二次加固的問題。

5 結(jié)束語

1）對孟家窯礦的5105切眼的地應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度、圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，獲得了本次支護(hù)設(shè)計(jì)的基本地質(zhì)參數(shù)。

2）通過數(shù)值模擬，得出預(yù)緊力與托板對軟巖的支護(hù)效果，為確定支護(hù)的基本參數(shù)提供依據(jù)。

3）采用高強(qiáng)度錨桿、錨索支護(hù)大傾角松軟厚煤層巷道，滿足支護(hù)的要求，巷道施工初期錨桿、錨索打設(shè)及時(shí)，在頂板未垮落之前形成結(jié)構(gòu)，發(fā)揮了支護(hù)系統(tǒng)的主動作用，真正起到了錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)的作用，支護(hù)方案合理。

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

[2]康紅普，王金華.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)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(yōu)化設(shè)計(jì)及數(shù)值分析[J].中國礦業(yè)，2010，19（9）：73-77.

[4]張宏慶.破碎巖體巷道加固技術(shù)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(xué)本科，助理工程師，從事煤礦設(shè)計(jì)及巷道支護(hù)工作。