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。煌班巖以巖床形式侵入煤層，高溫熾熱的巖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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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任公司煤峪口礦副礦長，從事生產(chǎn)管理工作。
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