特厚煤層超高煤幫大斷面巷道支護技術(shù)
李燕飛
（大同煤礦集團宏泰礦山工程建設(shè)有限責(zé)任公司 山西大同 037001）
摘 要： 為了解決大同塔山煤礦8105綜放工作面特大斷面順槽的支護。應(yīng)用理論分析和現(xiàn)場試驗等手段，并結(jié)合大同礦區(qū)石炭系煤層支護經(jīng)驗，研究了針對特厚煤層超高煤幫大斷面巷道支護技術(shù)，以“三高一低”原則，即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。注意錨桿與錨索的參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配，以最大限度地發(fā)揮錨桿支護的整體支護作用，保證了巷道的穩(wěn)定性。經(jīng)過現(xiàn)場工程施工的驗證，該支護可以有效地控制巷道的變形，避免了特厚煤層超高煤幫大斷面巷道在服務(wù)期間的多次維修。
關(guān)鍵詞：塔山煤礦 支護設(shè)計 巷道圍巖結(jié)構(gòu) 位移矢量
1 前言
安全、有效、快速的巷道支護技術(shù)是保證礦井實現(xiàn)高產(chǎn)高效的必要條件。隨著我國煤礦開采強度與規(guī)模顯著增加，以及綜采放頂煤開采技術(shù)作為一種主要的高產(chǎn)高效開采方法得到大面積推廣應(yīng)用，煤巷出現(xiàn)了以下特征：
(1) 綜采放頂煤工作面要求回采巷道沿煤層底板掘進，巷道頂板是煤層，顯著增加了巷道的支護難度。
(2) 隨著回采工作面設(shè)備的大型化，開采強度與產(chǎn)量的大幅度提高，為了保證正常的運輸、通風(fēng)及行人，要求的巷道斷面越來越大。巷道斷面的增大顯著增加了支護難度。
目前，我國煤礦巷道的主要支護形式是錨桿支護。對于大采高綜放開采涉及的超高煤幫、特大斷面巷道，對支護技術(shù)提出更高、更苛刻的要求。錨桿支護在這類困難巷道中支護效果差，圍巖變形大，支護構(gòu)件破壞嚴重，巷道安全得不到保證。主要存在以下幾方面的問題：
(1) 錨桿支護剛度低。支護剛度主要與錨桿施加的預(yù)緊力及錨固方式有關(guān)，由于錨桿加工精度低、錨桿鉆機輸出扭矩小，以及對預(yù)緊力的作用認識不足等多方面的原因，導(dǎo)致現(xiàn)用錨桿的預(yù)緊力矩一般為100N.m左右，預(yù)緊力大多為15-20kN。
(2) 錨桿、錨索強度低。錨桿屈服強度僅為335-400MPa，拉斷強度為500-600MPa，錨索直徑為15.2-17.8mm，拉斷力為260-350kN。在同樣支護強度下，由于錨桿、錨索強度低，顯然需要較大的支護密度。
(3) 錨桿螺紋加工精度低。一方面增加了螺母與螺紋的摩擦力，顯著降低了螺母預(yù)緊力矩與錨桿預(yù)緊力的轉(zhuǎn)換系數(shù)，對提高預(yù)緊力十分不利；另一方面，使錨桿尾部受力狀態(tài)惡化，容易受剪、受彎，出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。
其中特厚煤層超高煤幫、特大斷面巷道錨桿支護的新理論、新材料、新工藝、新機具綜合應(yīng)用的研究，以驗證理論的正確性、新材料、新工藝、新機具的先進性和實用性，以及在特厚煤層超高煤幫、特大斷面煤巷中的支護效果，確保為大采高綜放工作面的快速推進創(chuàng)造良好條件。
大同煤礦集團有限責(zé)任公司大唐塔山煤礦，位于山西省大同煤田東翼中東部邊緣地帶，口泉河兩側(cè)，鵝毛口以北，七峰山西側(cè)，距大同市約30公里。井田東西走向長24.3km，南北傾斜寬11.7km，面積約170.91km2。井田上部的侏羅系已基本采完，全井田內(nèi)石炭系可采儲量30.7億t，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力1500萬t/a，設(shè)計服務(wù)年限132年。
塔山煤礦煤層厚度很大，巷道一般沿煤層底板掘進（除頂回風(fēng)巷外），煤層巷道圍巖松軟破碎，煤層和巖層的不連續(xù)面容易發(fā)生離層，巷道圍巖破壞范圍較大。同時礦井采用綜放開采，考慮到設(shè)備運輸和通風(fēng)要求，巷道掘進斷面較大，給巷道支護帶來較大困難。
2 斷面設(shè)計
考慮到掘進過程中設(shè)備尺寸，通風(fēng)要求和巷道圍巖變形預(yù)留量，設(shè)計8105工作面5105巷掘進斷面尺寸如下：巷道斷面呈矩形，寬5.5m，高3.9m，掘進斷面積為21.45m2。
3 支護參數(shù)選擇原則
針對塔山煤礦具體地質(zhì)生產(chǎn)條件，為了充分發(fā)揮錨桿支護的作用，提出以下設(shè)計原則：
3.1 一次支護原則。錨桿支護應(yīng)盡量一次支護就能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護。
3.2高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴散原則。預(yù)應(yīng)力是錨桿支護中的關(guān)鍵因素，只有高預(yù)應(yīng)力的錨桿支護才是真正的主動支護，才能充分發(fā)揮錨桿支護的作用。
3.3“三高一低”原則。即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。保證支護系統(tǒng)可靠性的條件下，降低支護密度，減少單位面積上錨桿數(shù)量，提高掘進速度。
3.4相互匹配原則。錨桿各構(gòu)件，包括托板、螺母、鋼帶等的參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配，錨桿與錨索的參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配，以最大限度地發(fā)揮錨桿支護的整體支護作用。
5 應(yīng)用
8105工作面位于一盤區(qū)的中部，東南鄰8104工作面，間隔38米，南接1070回風(fēng)巷，連通1070皮帶巷、輔運巷，西北鄰8106工作面未開掘。工作面傾向長度207m，走向長度2800m，頂回風(fēng)巷與回風(fēng)順槽間距20m，高差20m。順槽巷道沿3～5號煤層底板掘進。煤層總厚11．93～16．13m，平均厚15.72m。
5.1頂板支護
5.1.1錨桿
錨桿形式和規(guī)格：桿體為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號為HRB400，長度2.4m，桿尾螺紋為M24。
錨固方式：樹脂加長錨固，采用兩支低粘度樹脂藥卷，一支規(guī)格為K2335，一支規(guī)格為Z2360。鉆孔直徑為30mm。
W鋼帶規(guī)格：采用W鋼帶護頂，鋼帶規(guī)格：厚度4mm，寬250mm，長度5100mm。
錨桿配件：采用高強錨桿螺母M24×3，配合高強托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈，托盤采用拱型高強度托盤，規(guī)格為120×120×10mm，承載能力不低于30t。
錨桿角度：垂直頂板布置。
網(wǎng)片規(guī)格：采用高強塑料網(wǎng)護頂。
錨桿布置：錨桿排距800mm，每排7根錨桿，間距800mm。
錨桿預(yù)緊扭矩：≥400Nm。
5.1.2錨索
錨索形式和規(guī)格：錨索材料為f22mm，1′19股高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度8300mm，采用一支K2335和兩支Z2360低粘度樹脂藥卷錨固，錨固長度1500mm。
錨索布置：每兩排錨桿打3根錨索，排距1600mm，間距2000mm，全部垂直頂板巖層。
錨索托盤：采用300mm×300mm×16mm高強度可調(diào)心托板及配套鎖具。
錨索組合構(gòu)件：采用W鋼帶作為每排錨索的組合構(gòu)件，鋼帶規(guī)格：厚度4mm，寬250mm，長度4300mm。
錨索預(yù)緊力：200—250kN。
5.2巷幫支護
錨桿形式和規(guī)格：桿體為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號為HRB400，長度2.4m，桿尾螺紋為M24。
錨固方式：樹脂加長錨固，采用兩支低粘度樹脂藥卷，一支規(guī)格為K2335，一支規(guī)格為Z2360。
W鋼帶規(guī)格：采用W鋼護板護幫，鋼護板厚度5mm，寬280mm，長度450mm。
錨桿配件：采用高強錨桿螺母M24×3，配合高強托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈，托盤采用拱型高強度托盤，規(guī)格為120×120×10mm，承載能力不低于30t。
網(wǎng)片規(guī)格：采用高強塑料網(wǎng)護幫。
錨桿布置：錨桿排距800mm，每排每幫4根錨桿，間距1000mm。
錨桿角度：垂直煤幫安設(shè)。
錨桿預(yù)緊扭矩：≥400Nm。
6 礦壓監(jiān)測
在8105工作面5105巷中每個試驗段安設(shè)三個測站。其中掘進200m左右安設(shè)一個測站，掘進1000m左右安裝第二個測站，掘進2000m左右安設(shè)第三個測站。每個測站包括兩個巷道表面位移監(jiān)測斷面，一個頂板離層監(jiān)測斷面，一個錨桿受力監(jiān)測斷面，一個錨索受力測站。
7 結(jié)語
大同礦區(qū)石炭系煤層巷道支護曾經(jīng)一段時期是困擾煤礦安全生產(chǎn)的一大難題，出現(xiàn)多次冒頂事故。塔山礦8105工作面5105順槽的支護實踐證明，通過合理選擇支護參數(shù)及支護材料，能夠有效的控制特厚煤層超高煤幫大斷面巷道的變形，維護巷道穩(wěn)定。
參考文獻
[1] 何滿潮等.中國煤礦錨桿支護理論與實踐.北京：科學(xué)出版社，2004年.（365頁～366頁）
[2] 倪興華.地應(yīng)力研究與應(yīng)用. 北京：煤炭工業(yè)出版社， 2006年.（42頁～51頁）
[3] 鄭書兵.煤巷頂板錨桿支護若干問題的探討.煤炭科學(xué)技術(shù)，2008（7）.（25頁～26頁）
[4] 東兆星.井巷工程. 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社， 2004年.（54頁～72頁）
[5] 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.（112頁～113頁）
[6] 岳峰.大直徑錨索及機具的研究與應(yīng)用.煤炭科學(xué)技術(shù)，2007（9）.（47頁～51頁）
[7] 薛順勛等.煤巷錨桿支護施工指南. 北京：煤炭工業(yè)出版社，1999年.（80頁～94頁）
作者簡介：作者簡介：李燕飛（1956－），男，山西大同人，高級工程師，現(xiàn)在大同煤礦集團宏泰公司從事生產(chǎn)技術(shù)管理工作。Tel:0352-4051111,E-mail:gmy1969@163.com。
