大同矿区特厚煤层巷道支护技术的实践

崔俊卿

（大同煤矿集团挖金湾虎龙沟煤业有限公司， 山西 大同 037007）

引言

大同煤矿集团虎龙沟煤业公司位于大同市西南约37 km，隶属怀仁县鹅毛口镇。2010 年该煤矿兼并重组后，设计生产规模为120 万t/a，批准开采4号—8 号煤层，矿区面积为12.207 9 km2，设计服务年限30 年。井田属火成岩侵入区域，由于火成岩的侵入引起石炭系煤体发生复杂的变化。主采5 号煤层81505 工作面属于特厚煤层，工作面走向近似东西向，倾向北，倾角在2°～5°，采区内地层为宽缓背斜构造，背斜轴位于盘区巷西部，走向为北东向。区内有火成岩，呈岩床性顺煤层侵入，岩性为煌斑岩，对煤层造成一定的破坏。81505 工作面采用综放开采工艺，巷道沿煤层底板掘进，设计了高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度的“三高一低”的锚杆（索）联合支护方案[1]。

1 工程概况

81505 工作面位一盘区的中部，东部邻81507工作面，间隔6.5 m，南接盘区轨道巷、皮带巷、回风巷，北邻塔山井田。该工作面煤层为3 号—5 号合并煤层，煤层总厚度为11.93～16.13 m，平均煤层厚度为15.72 m，属于特厚煤层。夹矸为5～11 层，岩性多为高岭质泥岩或炭质泥岩，夹研厚度为0.2～0.5 m，平均厚度为0.3 m。煤层顶板为砂岩或泥岩，底板为粉砂岩或高岭质泥岩，煤层底板距离3 号—5 号煤层顶板2～5 m[2]。

2 锚杆支护设计分析

2.1 锚杆预应力的确定

锚杆预应力是支护系统方案的重要参数，当锚杆预应力过低时产生的附加应力值小，压应力区范围小，有效压应力区呈现孤立分布状态，无法有效连接成一个整体。反之，当锚杆预应力过高时，产生的附加应力值大，压应力区范围广，有效压应力呈现全面覆盖状态，将巷道顶板连接成一个整体，锚杆主动支护效果理想。因此针对锚固区和拉应力区，不产生明显离层是确定预应力的原则，不同锚杆预应力形成的附加应力场分布图如图1 所示[3]，从数据分析可以确定锚杆顶紧力最小值为100 kN 较为合适。

图1 不同锚杆预应力形成的附加的应力场分布

2.2 锚杆长度的确定

在锚杆支护设计中，锚杆长度的增加可使得锚杆有效压应力区范围与厚度增加，锚杆作用范围进一步扩大。不同锚杆长度的附加应用场分布如下页图2 所示[4]，从图2 的附加应用场分布数据可确定锚杆长度为2.4 m，此时保证最少600 mm 的锚杆锚固在稳定围岩中。

2.3 支护布置方案

针对81505 工作面巷道的实际情况，结合“三高一低”的支护技术及锚杆（索）联合支护方案的要求，设计该巷道支护布置方案如下。

锚杆形式和规格：杆体为Φ22 mm 左旋无纵筋高强螺纹钢筋，长度2 400 mm，钢材为335 号锚杆专用钢，杆尾螺纹为M24[5]。

图2 不同锚杆长度的附加应用场分布

锚固方式：树脂加长锚固，采用2 支低黏度树脂药卷，1 支规格为K2335，1 支规格为Z2360，钻孔直径为30 mm，锚固长度为1 400 mm。

W 钢带规格：采用W 钢带护顶，钢带规格：型号为BHW250-4，厚度为4 mm，宽度为250 mm，长度为5 300 mm。

锚杆配件：采用高强锚杆螺母M24×3，配合高强托板调心球垫和尼龙垫圈，采用弧形高强度托盘170 mm×170 mm×12 mm，承载能力≥30 t。

锚杆角度：锚杆与巷道顶帮轮廓线垂直布置。

网片规格：采用双抗网防静电防阻燃塑料网片护顶，网片规格5 900 mm×900 mm。

锚杆布置：顶锚杆每排7 根，排距800 mm，间距800 mm。

锚杆预紧扭矩：要求锚杆预紧力矩应达到400 N·m 以上。

锚索形式和规格：锚索材料为Φ22 mm，1×19股高强度、低松弛预应力钢绞线，长度为8 300 mm。树脂加长锚固：采用1 支K2335 和2 支Z2360 低黏度树脂药卷锚固，锚固长度为1 500 mm，钻孔直径为30 mm。

锚索布置：锚索为每两排三根布置，排距为1 600 mm，间距为2 000 mm，锚索角度全部垂直顶板打设。

锚索托盘：采用300 mm×300 mm×16 mm 高强度可调心托板及配套锁具。

锚索组合构件：采用W 钢带作为每排锚索的组合构件，钢带规格型号为BHW250-4，厚度为4 mm，宽为250 mm，长度为4 300 mm。

锚索预紧力：锚索预紧力应达到200～250 kN，锚索外露长度在锁具外50 mm。

3 支护效果分析

对虎龙沟煤业81505 工作面巷道进行支护综合监测，主要包括巷道表面位移、顶板离层、锚杆锚索受力状况。每间隔50 m 的位置布置1 个测站，测站位置距81505 工作面的距离为1～1.5 m。选择典型的10 号测站进行数据观测、记录，得到了8 号测站锚杆轴力变化曲线数据，从数据可知，安装初期检测到的锚杆轴力是急剧变化的，当距离工作面约70 m 时达到最大值约43.6 kN，此时监测到锚杆轴力不再变化，充分证明此时巷道进入到了稳定阶段。此时，监测到巷道锚杆拉力为71.2 kN，锚索拉力为85.6 kN，顶底板移近量为34 mm，这一数据充分说明顶板没有发生明显离层现象，该支护方案可以有效保障巷道围岩的稳定性，巷道围岩变形量较小，支护效果理想。

4 结论

针对虎龙沟煤业公司5 号煤层81505 工作面采用强度、刚度、高可靠性与低支护密度的“三高一低”的锚杆（索）联合支护方案，实践应用效果理想，有效解决了大同矿区特厚煤层软岩巷道支护难题。