特厚軟煤層底板軟巖開拓巷道合理支護參數研究

康福鈞 孫占成

（山西大同煤礦集團挖金灣煤業公司，山西省大同市，037042）

特厚軟煤層底板軟巖開拓巷道合理支護參數研究

康福鈞 孫占成

（山西大同煤礦集團挖金灣煤業公司，山西省大同市，037042）

針對虎龍溝煤礦5＃特厚軟煤層底板軟巖開拓巷道圍巖的特征，基于錨桿、錨索耦合支護機理，建立有限元數值分析模型，確定了軟巖開拓巷道合理的支護參數。結果表明：安全系數SF大于1.2時為安全穩定圈，為保證錨桿錨固到松散破碎帶以外的穩定巖層中，頂錨桿長度應大于2.0m；當錨桿安裝應力達到6t時，頂板離層裂隙全部產生閉合；采用快裝高預應力“鳥窩”錨索增大了桿體的拉拔強度，起到較好的支護效果；合理的表面控制措施對加強支護效果起到重要作用。

松軟巖層 開拓巷道 錨索支護 預應力錨索 耦合支護

在原巖應力和掘進引起的附加應力的共同作用下，軟巖巷道圍巖呈現出變形較大、破壞嚴重等特點。當巷道圍巖變形超過錨桿、錨索的可延伸長度時，將導致整個支護體系的失穩，同時，由于巷道圍巖本身較軟，支護時容易發生漏頂和局部冒落現象，因此，軟巖巷道支護一直是許多采礦工作者研究的對象。

1 開拓巷道概況

同煤集團挖金灣煤業公司虎龍溝煤礦5＃煤層厚度在30.23～32.56m之間，平均為31.40m，煤層結構復雜，下部煤層較硬，上部煤層較軟，火成巖的侵入使煤層破壞較為嚴重。虎龍溝煤礦開拓巷道（軌道大巷和運輸大巷）斷面形狀為矩形，尺寸4400mm×3500mm，均沿5＃煤層底板掘進。最初開拓巷道設計采用錨桿支護，錨桿規格?18mm×2200mm，屈服強度8.7t，應用后巷道圍巖破壞嚴重，支護效果較差。后設計采用強度較大的全錨索支護，錨索規格?15.24mm×5000mm和?15.24mm×12000mm，間排距為1000mm×1000mm。然而，現場施工發現，由于頂煤較為破碎，開拓巷道沿底板掘進時極易出現頂煤破碎漏頂現象，錨索的錨固力很難達到最大抗拉噸位，同時，巷道成形差，掘進速度慢，導致支護成本明顯增大。

因此，根據5＃煤層底板軟巖開拓巷道的特點，現場采用了大巷起底留薄層煤作為巷道頂板的掘進方式，并針對開拓巷道圍巖較軟的特點，根據錨桿錨索耦合支護機理，結合有限元數值計算，設計了合理的軟巖開拓巷道支護形式和支護參數，確保了底板軟巖開拓巷道的順利掘進。

2 軟巖開拓巷道合理支護參數

2.1 錨桿支護參數設計

2.1.1 錨桿長度

錨桿的合理長度應至少保證錨桿錨固到松散破碎范圍外一定深度。采用摩爾—庫侖準則作為圍巖破壞的準則，定義巖石破壞準則的摩爾—庫侖安全系數SF（Safety Factor）為：

式中：σ1——最大主應力，Pa；

σ0——巖石單軸抗壓強度，Pa；

σ3——最小主應力，Pa；

φ——內摩擦角，（°）。

根據虎龍溝煤礦5＃煤層的地質賦存條件和底板軟巖開拓巷道的圍巖特征，建立有限元數值計算模型，求出底板軟巖開拓巷道圍巖內的最大主應力和最小主應力的分布特征，代入式（1）內可以計算出摩爾庫侖安全系數，其分布特征如圖1所示。

圖1 摩爾—庫侖安全系數分布

從圖1中可知，5＃煤層底板軟巖開拓巷道圍巖松散破碎范圍分為3個部分。

①破碎區（SF≤1）：最大深度在1.2m左右。

②穩定區（1＜SF＜1.2）：考慮開拓巷道的長期穩定性，此區域仍不屬于安全區，其最大深度達到1.6m左右。

③安全穩定區（SF≥1.2）：為了錨固到松散破碎帶以外的穩定巖層中，頂板錨桿的長度應至少為2.0m，巷道兩幫的錨桿長度至少為1.8m。

因此，根據圍巖松散破碎圈的分布特征，頂板錨桿的長度應至少為2.0m，以確保錨桿至少有400mm的長度能錨固在穩定的圍巖中。

2.1.2 錨桿安裝應力

錨桿安裝時施加載荷既可以壓實浮煤浮矸，保證錨桿系統早期及時支護，控制巷道圍巖早期變形，同時，也可以消除拉應力和減少頂板離層，從而保證頂板的穩定。建立錨桿安裝載荷有限元模型，設計錨桿長度2.0m，頂板錨桿每排5根，錨桿排距為1.0m，施加不同安裝載荷時，底板軟巖開拓巷道圍巖的應力分布和變形情況，如圖2所示。

圖2 不同安裝載荷時巷道圍巖應力分布和變形圖

圖2（a）為安裝載荷1.0t時的應力分布和變形圖。從圖中可知，巷道頂板有較大的拉應力分布區，即頂板不穩定區。同時，通過放大模型，可以發現在頂板1.2m的范圍內有多處位置發生離層。

圖2（b）為安裝載荷3.0t時的應力分布和變形圖。從圖中可知，盡管拉應力區有所降低，但巷道頂板仍有較大的拉應力分布區。對模型放大可知，當安裝載荷增大到3.0t時，在300mm和600mm深處的頂板離層發生閉合，但900mm、1200mm深處頂板的離層仍然存在。

圖2（c）為安裝載荷6.0t時的應力分布和變形圖。從圖中可知，頂板拉應力區全部消除，對模型放大可知，當安裝載荷增加到6t時，所有頂板離層都發生閉合。

因此，根據有限元數值模型分析，提高安裝載荷可以減小或消除軟巖開拓巷道頂板中的拉應力區，控制頂板巖層中的離層，從而取得最佳的支護效果。同時，確定挖金灣煤業公司虎龍溝煤礦5＃煤層底板軟巖開拓巷道最小錨桿安裝載荷為6t。

2.2 錨索支護參數設計

為了解決軟巖條件下錨索錨固力較小的問題，現場確定選用快裝高預應力“鳥窩”錨索，其結構如圖3所示。

圖3 快裝高預應力“鳥窩”錨索

快裝高預應力“鳥窩”錨索主要在錨索桿體中設計有數個“鳥窩”，其大小一般比鉆孔直徑小2 mm，不僅可以保證錨索在孔內對中，使樹脂在錨索周圍均勻分布，同時，“鳥窩”可以均勻攪拌樹脂，使樹脂充滿中空的“鳥窩”，并和錨索成為一整體，從而增加錨索的拉拔強度。

為了保證錨索能錨固到頂板穩定的圍巖中，確定快裝高預應力“鳥窩”錨索長度為8m，直徑為15.24mm，屈服強度大于1860MPa，安裝載荷不低于8t，抗拉載荷大于36t，采用“五花”布置，錨索排距為1m，每套錨索采用3支K2350的快速樹脂藥卷。

2.3 表面支護設計

由于開拓巷道沿5＃煤層底板掘進，頂煤較為破碎，因此軟巖巷道表面控制對于充分發揮錨桿、錨索支護系統的作用非常重要。表面控制主要包括鋼帶、金屬網和托盤等。

鋼帶將錨桿聯結成一整體，并具有較好的表面控制效果。現場采用W型高強材料鋼帶，寬度為270mm，厚度為2.5mm。對于高強?22mm的錨桿桿體，托盤規格尺寸不小于150mm×150mm×8mm，托盤承載強度不小于15t，錨索托盤尺寸不小于300mm×300mm×10mm，承載強度不小于32t。

此外，為提高巷道幫部的支護效果，同時考慮巷道支護成本，5＃煤層東軌道大巷兩幫采用普強型號為?16mm×1800mm的扭矩應力錨桿，錨桿的屈服強度大于8t，抗拉強度大于11t，幫錨桿的安裝載荷大于2t，安裝扭矩大于100N·m。錨桿托盤采用規格尺寸為100mm×100mm×5.5 mm與270mm×300mm×2.5mm的鋼帶托盤配合使用，既可以適應錨桿的強度要求，又增加了錨桿的護幫效果。軌道大巷支護系統平面圖和剖面圖見圖4。

圖4 5＃煤層軌道巷道支護系統圖

3 現場支護效果

與原錨桿、全錨索支護設計相比，錨桿配合高預應力錨索使用，支護效果有了明顯改進。

（1）提高了巷道掘進速度，單進由原來的每天3m提高到每天7m。

（2）降低了巷道綜合支護成本，綜合成本由原來的每米5000元降低到每米3000元。

（3）縮短了臨時支護時間，提高了臨時支護效果，實現了錨桿主動支護、及時支護的核心理念，為實現巷道沿底板安全掘進提供了保障。

（4）通過對錨桿的安裝載荷、扭矩應力、錨桿錨固力、錨固劑性能、錨索安裝性能等實際技術參數進行井下工業測試，取得了較好的效果，不僅提高了支護質量，也改善了工人作業環境。

4 結束語

針對特厚軟煤層沿底掘進開拓巷道難于支護的特點，采用錨桿主動支護，設計了合理的錨桿支護長度和錨桿安裝載荷，配合預應力“鳥窩”錨索，同時，選擇了合理的巷道表面支護方式，不僅保證了開拓巷道的順利掘進，同時，加快了開拓大巷的掘進速度，降低了軟巖巷道的支護成本，減輕了工作人員的勞動強度，現場應用取得了較好的效果。

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Research on reasonable support parameters for softrock drift in ultra－thick soft seam floor

Kang Fujun，Sun Zhancheng
（Wajinwan Coal Mining Company Ltd.，Datong Coal Mine Group，Datong，Shanxi 037042，China）

Aimed at the characteristics of surrounding rock of soft rock drift in No.5ultra thick soft seam floor in Hulonggou coal mine，the finite element analysis model was established on the basis of anchor bolt and cable coupling support mechanism to determine the reasonable support parameters for soft rock drift.The results showed that the roof surrounding rock was in the safe zone when the safety coefficient SF was greater than 1.2.The length of roof bolt should be greater than 2min order to ensure the anchor bolt fixed in the stable layer outside the loose broken zone.When the installation stress reached 6t for the anchor bolt，the roof abscission layer would be closed completely.The cable like bird nest quickly installed with high pre－stress could increase the tensile strength and receive a better supporting effect.Therefore，the reasonable surface control measures could play an important role in the enhancement of supporting effect.

soft stratum，development roadway，anchor cable support，pre－stressed anchor cable，coupling support

TD322

B

康福鈞（1965－），男，山西省陽高縣人，高級工程師，現任大同煤礦集團有限責任公司挖金灣煤業有限責任公司黨委書記、副董事長，從事生產管理工作20多年。

（責任編輯 張毅玲）