集團總工程師
正高級工程師
大同礦區(qū)石炭系巖漿巖侵入特厚煤層
康福鈞
（大同煤礦集團有限責(zé)任公司，山西 大同 037003）
摘 要 為了維護大同礦區(qū)石炭系巖漿巖侵入特厚煤層的巷道頂板穩(wěn)定，根據(jù)錨桿支護機理的分析，采用了高預(yù)緊力錨桿和鳥窩錨索支護技術(shù)。施工實踐證明：給錨桿施加較高的預(yù)緊力，不僅保證了錨桿系統(tǒng)的及時早期支護效果，控制早期變形。還可以減少和消除拉應(yīng)力和頂板離層，保證頂板穩(wěn)定；把錨索的錨固端加工成“鳥窩”形狀，提高了錨索在軟巖中的錨固力，使錨索的支護作用得到充分發(fā)揮。高預(yù)緊力錨桿和鳥窩錨索支護技術(shù)有效地解決了大同礦區(qū)石炭系受巖漿巖侵入特厚煤層巷道支護難題，使大同礦區(qū)的軟巖巷道支護技術(shù)水平上了一個新臺階。
關(guān)鍵詞：巖漿巖侵入；特厚煤層；支護技術(shù)
1 概況
大同礦區(qū)隨著侏羅系煤炭資源的不斷枯竭，逐漸進入石炭系煤層的開采。石炭系煤層受巖漿巖侵入比較嚴重，巖漿巖主要為煌斑巖?；桶鄮r以巖床形式侵入煤層，高溫?zé)霟岬膸r漿攜帶大量氣體由地殼深處沿斷裂通道上升到煤系地層中。遇到上部未斷裂的巖層迫使巖漿先由上部強度較小的煤層順層侵入，依次侵入2、3、5號煤層中。受巖漿直接侵入段的煤層被熔融，附近未被直接侵入的煤層則受其高溫烘烤，使煤層物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致煤層有益厚度變薄，灰分增加，利用價值相對降低。
主采煤層5號煤層厚度較大，受煌斑巖侵入后煤層結(jié)構(gòu)變復(fù)雜，煤層在垂直方向上由原來單一的正常煤自上而下形成了煌斑巖、硅化煤、混煤、正常煤等多種成份的非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。煤層中上部的煌斑巖變成了堅硬的巖石，而混煤結(jié)構(gòu)卻較疏松、性脆易碎，屬特殊的軟巖類型。5號煤層采用綜合機械化放頂煤采煤工藝，準(zhǔn)備巷道和回采巷道均沿煤層底板掘進，采用錨桿、錨索聯(lián)合支護方式，由于頂板煤層厚度大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以維護難度大。
2 支護理念
科學(xué)的錨桿支護設(shè)計，不是簡單的在頂板安裝錨桿，而應(yīng)該使每一根安裝的錨桿都發(fā)揮它的最大作用。在理論和科研界，有許多錨桿支護理論，不同的理論會有不同的支護機理。典型的支護理論有組合梁理論、松動圈理論、圍巖加固理論、組合拱理論、懸吊理論等。工程實踐中錨桿的支護機理往往是幾種支護機理的綜合作用。無論哪種理論，與其它支護相比，錨桿支護的最基本點是在一定范圍的圍巖中，通過錨桿支護系統(tǒng)對圍巖主動施加主動力，實現(xiàn)對圍巖實現(xiàn)主動早期支護，以增加圍巖的強度和自承載能力。錨桿支護和其他支護的最大區(qū)別就是錨桿是主動和早期支護，而主動早期支護的源泉就是預(yù)緊力。沒有預(yù)緊力力的錨桿的支護作用只能是簡單的懸吊，和一般棚子支護沒有什么太大的差別。錨桿支護系統(tǒng)在整個支護期間所受的力不僅僅包括預(yù)緊力，而且包括圍巖變形過程中所產(chǎn)生的變形附加應(yīng)力。所以錨桿的預(yù)緊力是支護設(shè)計最主要參數(shù)。
3 工程應(yīng)用
3.1 開采技術(shù)條件
大同煤礦集團公司虎龍溝煤礦5號煤層位于2號煤層下52.64～66.38m，平均57.8m，全井田穩(wěn)定賦存并可采。因受巖漿巖侵入影響，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，井田中至西部煤層均有變質(zhì)，夾矸大部分為高嶺質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、煌斑巖，夾矸層數(shù)3～33層，煤層較穩(wěn)定，但厚度變化較大，煤厚20.12～45.23m，平均32.50m，正常純煤厚度0.30～13.91m，平均5.80m。頂板巖性以砂質(zhì)泥巖為主，局部為高嶺巖、炭質(zhì)泥巖、煌斑巖，底板為砂質(zhì)泥巖，局部為砂巖、煌斑巖。
5號煤層采用綜合機械化放頂煤采煤工藝，東軌道大巷沿5號煤層底板布置，設(shè)計斷面為矩形，長度1500m，掘?qū)?400mm, 掘高3500mm，采用錨桿、錨索聯(lián)合支護，頂板煤層厚度大，破碎易冒落，既影響掘進速度，又給安全帶來隱患。東軌道大巷是輔助運輸?shù)闹饕ǖ?，所以，該巷道支護設(shè)計是礦井實現(xiàn)早日投產(chǎn)的關(guān)鍵。
3.2 巷道支護設(shè)計
3.2.1 錨桿的長度確定
采用Ansys數(shù)值模擬軟件，根據(jù)5號煤層頂?shù)装鍘r層綜合柱狀圖及各圍巖的力學(xué)參數(shù)，建立有限元模型，經(jīng)分析計算得出摩爾庫侖安全系數(shù)SF，如圖1
圖1 摩爾庫侖安全系數(shù)圖
1）破碎圈 （SF≤1）：在巷道周圍產(chǎn)生了一個SF小于1的破碎圈,破碎圈的最大深度在1.2m左右。
2）穩(wěn)定圈（1≤SF＜1.2）：此區(qū)域安全系數(shù)在1～1.2之間，屬于穩(wěn)定圈。但考慮到巷道的長期穩(wěn)定性，此區(qū)域不屬于安全圈，其最大深度達到1.6m左右。
3）安全穩(wěn)定圈(SF≥1.2)：在安全系數(shù)大于1.2的范圍內(nèi)是安全穩(wěn)定圈。為了錨固到松散破碎帶以外的穩(wěn)定巖層中，錨桿的長度應(yīng)在2000～2200mm之間。
根據(jù)圍巖松散破碎圈分析，錨桿的長度選為2200mm，以保證至少600mm的錨桿錨固在穩(wěn)定圍巖中。
錨桿的預(yù)緊力是主動支護的源泉。其首先可以壓實浮煤浮矸，保證錨桿系統(tǒng)的及時早期支護效果，控制早期變形；另一方面可以減少和消除拉應(yīng)力和頂板離層，保證頂板穩(wěn)定。
錨桿長度為2200mm，錨桿排距選取820mm，頂板錨桿每排6根，建立模型，通過改變模型中錨桿的預(yù)緊力，進行了一系列的模型運算，最終獲得合理的安裝載荷的大小，以達到無離層、頂板中的拉應(yīng)力最小的效果。
1）預(yù)緊力10kN
模型中錨桿施加10kN的預(yù)緊力。分析結(jié)果顯示巷道頂板有較大的拉應(yīng)力分布區(qū)，在1.2m的頂板范圍內(nèi)有數(shù)個離層發(fā)生。
2）預(yù)緊力20kN
模型中錨桿預(yù)緊力為20kN時，巷道頂板仍有較大的拉應(yīng)力分布區(qū)，在0.3m深處的頂板離層閉合，但在0.6m、0.9m、1.2m深的頂板離層仍然存在。
3）預(yù)緊力30kN
模型中錨桿預(yù)緊力為30kN時，在0.3m和0.6m深處的頂板離層閉合，但在0.9m、1.2m深的頂板離層仍然存在。
4）預(yù)緊力60kN
預(yù)緊力增加到60kN，所有頂板離層都閉合。
基于上述計算結(jié)果可知，錨桿預(yù)緊力最小應(yīng)為60kN。
3.2.3 支護布置
頂板錨桿采用直徑18mm、長2200mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，桿尾螺紋直徑20mm，每排布置6根，間距×排距=820mm×900mm，靠近巷幫的頂板錨桿安設(shè)角度為與鉛垂線成20°。采用1支K2360樹脂藥錨固，配套拱型高強度托板，托板規(guī)格為100×100×10mm。W型鋼帶與頂板錨桿配套使用，長度為4300 mm，厚度為3mm，展寬為150mm。采用金屬網(wǎng)片護頂，網(wǎng)片規(guī)格為2200mm×1000mm，網(wǎng)格規(guī)格為100mm×100mm。
巷幫錨桿采用直徑16mm、長1700mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，桿尾螺紋為M18mm，每排布置3根，間距×排距=1000mm×900mm，靠近頂板巷幫錨桿安設(shè)角度為與水平線成10°。采用1支K2360樹脂藥錨固，配套拱型高強度托板，托板規(guī)格為100×100×10mm。W型鋼帶與巷幫錨桿配套使用，長度為2300 mm，厚度為3mm，展寬為150mm。
錨索采用鳥窩錨索，直徑為15.24mm，長度為6m，加長錨固，采用3支樹脂藥卷錨固，1支規(guī)格為K2335，另2支規(guī)格為Z2360。每隔2排錨桿對應(yīng)布置1排錨索，間距×排距=1000mm×1800mm 2m，每排3根錨索，配套金屬托板規(guī)格為300mm×300mm×16mm。
支護布置如圖2。
圖2 支護布置如
3.2.4 鳥窩錨索
為了解決軟巖條件下錨索錨固力不足的問題，選用快速安裝高預(yù)應(yīng)力“鳥窩”錨索，其結(jié)構(gòu)如圖3。
圖3 快速安裝高預(yù)應(yīng)力“鳥窩”錨索
“鳥窩”錨索與普通錨索相比有以下特點：
1）索頭保護套用于防止錨索索頭在運輸及安裝過程中散股。一旦散股，會給錨索安裝帶來很大不便。
2）“鳥窩”的作用。①“鳥窩”的大小一般設(shè)計制造的比鉆孔直徑小2mm，這樣可以保證錨索在孔中對中，使得樹脂在錨索周圍均勻分布，從而用較少的樹脂量取得最大的錨固力。②“鳥窩”可以起到均勻攪拌樹脂的作用，從而增加錨索的拉拔力。③“鳥窩”是中空的，在樹脂攪拌過程中，樹脂充滿鳥窩，可以使樹脂和錨索成為一整體，從而進一步增加錨索的拉拔強度，減少樹脂用量。
3）加強管是為了安裝方便，在錨索接觸樹脂后，錨索更容易送入孔中。
4）不象目前國內(nèi)常用錨索是在井下安裝索具，高預(yù)應(yīng)力“鳥窩”錨索的索具是預(yù)先安裝好在鋼絞線上的。這一方面減少了井下工人的安裝量，另一方面也是最重要的，錨索是根據(jù)設(shè)計定長的，安裝工人無法隨意剪斷錨索。
4 支護效果
該巷道進行了支護綜合監(jiān)測，監(jiān)測主要內(nèi)容有：錨桿受力監(jiān)測、錨索受力監(jiān)測、表面位移監(jiān)測、頂板離層監(jiān)測。每隔50m布置1個測站，為了捕捉錨桿、錨索受力及圍巖位移變化的全過程，測站設(shè)置時的位置距工作面不大于1.5m。其中8號測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)具有代表性。
8號測站安裝初期監(jiān)測數(shù)據(jù)急劇變化，當(dāng)距工作面達到78米時，監(jiān)測數(shù)據(jù)不再增加，說明巷道已進入穩(wěn)定階段。進入穩(wěn)定階段后，頂板錨桿拉力為70.6.3kN，錨索拉力為86.7kN，頂?shù)装逡平繛?/span>35mm，頂板沒有明顯離層現(xiàn)象，使巷道圍巖保持了穩(wěn)定狀態(tài)，支護效果良好。
5 結(jié)語
煤礦軟巖問題一直是困擾煤礦安全生產(chǎn)的重大難題之一，經(jīng)過幾代廣大科研工作者和工程技術(shù)人員的研究和實踐，取得了許多軟巖巷道支護的成果，已形成了一套完整的技術(shù)。但是，大同礦區(qū)的軟巖巷道支護技術(shù)經(jīng)驗還很少，在遇到軟巖問題時，先用一般支護技術(shù)來對付，主動支護性低，巷道變形破壞的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，然后反復(fù)維修，無限制的增加支護的強度和剛度，每年都造成了巨大的經(jīng)濟浪費。虎龍溝礦5號煤層?xùn)|軌道大巷采用高預(yù)緊力錨桿和鳥窩錨索支護技術(shù)，有效地解決了大同礦區(qū)石炭系受巖漿巖侵入特厚煤層巷道支護難題，使大同礦區(qū)的軟巖巷道支護技術(shù)水平上了一個新臺階。
參考文獻
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[2] 康紅普等.煤巷錨桿支護理論與成套技術(shù). 北京：煤炭工業(yè)出版社，2007年.
[3] 牛福龍.塔山礦松軟煤層中特大硐室掘進與支護技術(shù).煤炭科學(xué)技術(shù)，2008（11）.
作者簡介：康福鈞（1965－），男，山西省陽高縣人，高級工程師，現(xiàn)任在大同煤礦集團有限責(zé)任公司煤峪口礦副礦長，從事生產(chǎn)管理工作。
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