大倾角松软厚煤层开切眼支护技术与实践

白锴

(山西源通煤矿工程设计有限公司，太原 030000)

大倾角松软厚煤层开切眼支护技术与实践

白锴

(山西源通煤矿工程设计有限公司，太原 030000)

为了解决孟家窑矿5105切眼中遇到的大倾角松软厚煤层巷道支护技术问题，对5105切眼附近的煤层进行煤岩体的地质力学参数试验，分析其结果，并结合数值模拟分析锚杆支护系统中的预紧力和托板对预应力场的分布影响，提出了使用高预紧力锚杆搭配使用锚索维护巷道的技术体系。应用于现场对矿压产生的力学现象，巷道整体的表面位移、顶板离层值和锚杆锚索使用效果进行实时监测，验证此技术的安全性和可靠性。

大倾角；松软；高预紧力；托板

1 工程背景

孟家窑煤矿是一个兼并重组矿井，主要开采石炭纪5号煤层，煤层的厚度平均13 m，煤层的倾角为18°～43°左右，部分区域属于急倾斜煤层。目前所布置的5105工作面发现一向南东方向倾斜的单斜构造，但5105切眼掘进在过程中没有遇到较大断层等地质构造，在设计中因此不考虑断层构造对支护的影响。根据周围巷道揭露，发现在工作面西北部（上部）有一条落差为0.7 m的正断层，不影响工作面布置。整个5号煤煤体松软破碎，以前主要采用连锁木垛进行支护，是一种落后的、支护效果不好的被动支护，不利于围岩的变形控制。

5105切眼原设计沿5号煤底板掘进，切眼断面为矩形，原来切眼断面的宽为3.7 m，为了满足现代化矿井和设备的要求，扩巷后切眼净宽度为7.0 m，净高为2.8 m，切眼长约70 m，目前原切眼掘进完毕，主要采用连锁木垛进行支护。

因此，迫切的需要根据国内外大倾角松软厚煤层支护的成功案例，结合孟家窑矿井特殊的地质构造，设计一套有效地支护体系。

2 5105切眼地质力学参数测定

5105切眼支护的对象为煤体，在测定其参数主要为地应力、围岩强度和围岩结构[1]。

2.1 地应力

采用水压致裂地应力测量方法和SYY-56型水压致裂地应力测量仪在5105回风联络巷中进行了地应力测量。结果显示：距材料运输巷20 m处，最大水平主应力为6.31 MPa，方向为N79.02°E；最小水平主应力为3.20 MPa，垂直主应力为4.18 MPa。

2.2 围岩强度

对5105切眼围岩强度测定采用装置为WQCZ-56型。根据巷道顶板上方0～9.7 m内煤体平均抗压强度为5 MPa，由于为倾斜煤层，为避免倾角对上下两帮的影响，对两帮0～5 m内的煤体强度进行测试，结果为2～8.5 MPa，综合而言，5105切眼煤体强度平均约4.45 MPa。

顶底板的强度测试也使用同样的仪器和手段。顶板为砂质泥岩抗压强度12.8 MPa，属软岩；粉砂岩抗压强度为9.1～12.2 MPa，属软岩；细粒砂岩抗压强度为25.5 MPa，属半坚硬-坚硬岩石。适合采用放顶煤，冒放性较好。底板为砂质泥岩与顶板相同。

对5105切眼围岩强度的整体评价为煤体、直接顶、直接底都为较软岩性，需要在支护设计中整体考虑其围岩强度。

2.3 围岩结构

通过岩石力学参数实验得出了岩石的力学参数，主要是抗压强度的研究。但未对内部细微的节理裂隙进行分析，根据锚杆的悬吊理论，这将影响支护形式的选择。在开切眼采用全景钻孔窥视仪，窥视范围内为5号煤层，该煤层为黑色-深黑色，沥青光泽-玻璃光泽，剖面呈参差不齐，该层主要成分为亮煤，次要成分为暗煤。通过观测5号煤顶板内部结果发现，节理及内生裂隙发育，呈现条带状和条理状结构，有明显的纵向、环向裂隙。5105切眼部分围岩结构，见图1。

综上所述，5号煤的厚度较大，地应力场属于中等偏低，强度较低，属于松软岩层，煤体内的裂隙比较发育，完整性差。

3 数值模拟分析影响锚杆支护参数

根据地质情况和围岩强度等参数，本次设计采用高预应力锚杆，需要考虑预紧力的大小，匹配煤层的强度，并且使用尺寸合适的托板，保证预紧力的均匀有效扩散。

3.1 预紧力对锚杆支护的支护效果

预紧力的大小和其煤岩体中的影响范围是高预应力强力锚杆支护系统的核心[2]。

图2-a、图2-b、图2-c为当煤体强度4.5 MPa时，施加不同锚杆预紧力分别为20 kN、40 kN、60 kN，预应力场在煤体中的分布范围的研究。从图可以得出：

1）当施加预紧力为20 kN时，锚杆托板处及锚固端存在应力集中现象，但应力集中范围很小，锚固段内没有形成应力叠加区域，说明此时没有起到真正预紧力的作用。

2）当施加预紧力增加到40 kN时，预紧力的增加明显改善巷道顶板煤体的压应力分布范围和区域，锚杆预应力已经扩散到锚杆整个锚固范围，但仍略低，没有使预应力两个锚点之间形成叠合区域。

3）当施加预紧力增加到60 kN时，预紧力的进一步增加使得巷道顶板煤体的压应力分布范围进一步增加，锚杆杆体附近处压应力值进一步增大。当煤体强度为4 MPa时，由于煤体强度较低，同时锚杆预应力值增加，锚杆托板处少量煤体被压坏，从而使得最大压应力区向锚杆中部靠近。同时，巷道顶板煤体两根锚杆之间位置处的煤体压应力叠加效果明显。

通过分析说明高预紧力有利于锚杆的锚固，同时太大的预紧力使得破坏松软的煤体，需要设计合适的托板。

3.2 托板对锚杆支护的支护效果

图3-a、图3-b、图3-d为在煤体强度4.5 MPa、锚杆预紧力60 kN的情况下，不同规格的托板，80 mmx80 mmx10 mm、100 mmx100 mmx10 mm、120 mmx120 mmx10 mm、150 mmx150 mmx10 mm，预应力场在煤体中的分布范围的研究。从图3可以得出：

1）在施加锚杆预紧力为60 kN，托板规格为80 mmx80 mmx10 mm情况时，托板附近煤体最大压应力值达到了18.86 MPa；当托板规格为100 mmx 100 mmx10 mm情况时，托板附近煤体最大压应力值为13.24 MPa；当托板规格为120 mmx120 mmx 10 mm情况时，托板附近煤体最大压应力值为10.18 MPa；当托板规格为150 mmx150 mmx10 mm情况时，托板附近煤体最大压应力值为7.47 MPa；

2）在相同锚杆预紧力条件下，托板越小，托板与钢带或钢筋托梁接触的面积就小，托板与钢带、钢筋托梁或煤体接触的部分所受的压应力值越大，托板应力最大的部位主要集中在四个角处，可能出现切穿钢带或压坏煤体的情况；托板尺寸较大时，相同锚杆预紧力条件下，托板受力更为均匀，所受的总体压应力值减小，托板四边同时受力，当预应力进一步增加时，托板与钢带、钢筋托梁或煤体表面整个接触面均受力，从而可以减少切穿钢带或压坏煤体的现象[3-4]。

3）随着锚杆预紧力的增加，煤体中的压应力值和压应力区域增大，有利于在巷道顶板形成良好的压应力拱。因此，在巷道支护中，考虑经济情况下，应尽量采用尺寸较大的托板，同时施加较大的锚杆预紧力。

4 5105切眼支护效果分析

设计在5105切眼20 m和50 m处布置矿压观测站，分别对锚杆（索）测力计、巷道表面位移和顶板离层仪进行观测。

4.1 表面位移

从5105切眼扩巷表面位移变化整体趋势（见图4）可以看出，巷道经历的动压较小且历时约7 d时间，巷道趋于稳定。5105切眼扩巷处外侧帮和顶板变形量分别为12 mm和35 mm，巷道两帮变形主要集中在巷道开挖初期，开挖的后7d内，5号煤回风下山两帮的下沉量约为2 mm/d，顶板下沉量约2 mm/d，之后一个月的时间内巷道变形稳定，5105切眼扩巷外侧帮变形量增幅也非常小，顶板变形量较大，主要是由于工作面采用放炮掘进，顶煤松软破碎，受放炮震动影响，顶煤破碎，在测站附近形成网兜，可能会导致局部巷道顶板的破碎下沉，曲线的波动。

4.2 顶板离层

设计每隔30 m在5105切眼扩巷安排一个顶板离层仪，每天观察记录数据。通过分析5105切眼扩巷顶板离层记录可以得出，巷道顶板离层仪变化主要表现在刚开始开挖巷道，之后随着逐渐远离掘进工作面变化不太明显。造成5105切眼浅部离层值主要为放炮震动剥落顶煤造成的。

4.3 锚杆（索）受力

5105 切眼护巷锚索、锚杆受力变化情况如图5、图6所示。

为检验设计的支护参数是否合理，通过5105切眼锚索和锚杆受力观测曲线表示。从图中可以看出，整个支护系统的锚索、锚杆在其服务的时间内都保持了趋于稳定的特性；设计锚索锚固力达到250 kN，锚杆锚固力为127 kN，实际顶板锚索受力为最小最大值为235.89 kN和227.67 kN，外侧帮锚杆所受的最大拉应力为64.02 kN，顶部锚杆所受最小拉应力为70.28 kN，最大为78.17 kN，平均为73.60 kN，选择的参数既没有超过其抗拉极限也无较大的浪费；在刚开始时锚杆（索）的应力都出现了不同数值的下降，主要由于5105切眼采用炮掘，5号煤为倾斜特厚松软煤层，顶煤受震动影响，造成锚杆（索）托板松动，在实际使用时需考虑二次加固的问题。

5 结束语

1）对孟家窑矿的5105切眼的地应力、围岩强度、围岩结构进行测试，获得了本次支护设计的基本地质参数。

2）通过数值模拟，得出预紧力与托板对软岩的支护效果，为确定支护的基本参数提供依据。

3）采用高强度锚杆、锚索支护大倾角松软厚煤层巷道，满足支护的要求，巷道施工初期锚杆、锚索打设及时，在顶板未垮落之前形成结构，发挥了支护系统的主动作用，真正起到了锚杆锚索支护系统的作用，支护方案合理。

[1]申志平.潞宁矿区松软特厚煤巷锚杆支护技术研究与实践[J].煤矿开采，2013，18（4）：58-61.

[2]康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京：煤炭工业出版社，2007.

[3]杨仁树，朱衍利，吴宝杨，等.大倾角松软厚煤层巷道优化设计及数值分析[J].中国矿业，2010，19（9）：73-77.

[4]张宏庆.破碎岩体巷道加固技术研究[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

（编辑：刘新光）

2015-01-21

白锴（1986-），男，山西吕梁人，大学本科，助理工程师，从事煤矿设计及巷道支护工作。