大同矿区石炭系岩浆岩侵入特厚煤层
康福钧
（大同煤矿集团有限责任公司，山西 大同 037003）
摘 要 为了维护大同矿区石炭系岩浆岩侵入特厚煤层的巷道顶板稳定，根据锚杆支护机理的分析，采用了高预紧力锚杆和鸟窝锚索支护技术。施工实践证明：给锚杆施加较高的预紧力，不仅保证了锚杆系统的及时早期支护效果，控制早期变形。还可以减少和消除拉应力和顶板离层，保证顶板稳定；把锚索的锚固端加工成“鸟窝”形状，提高了锚索在软岩中的锚固力，使锚索的支护作用得到充分发挥。高预紧力锚杆和鸟窝锚索支护技术有效地解决了大同矿区石炭系受岩浆岩侵入特厚煤层巷道支护难题，使大同矿区的软岩巷道支护技术水平上了一个新台阶。
关键词：岩浆岩侵入；特厚煤层；支护技术
1 概况
大同矿区随着侏罗系煤炭资源的不断枯竭，逐渐进入石炭系煤层的开采。石炭系煤层受岩浆岩侵入比较严重，岩浆岩主要为煌斑岩。煌班岩以岩床形式侵入煤层，高温炽热的岩浆携带大量气体由地壳深处沿断裂通道上升到煤系地层中。遇到上部未断裂的岩层迫使岩浆先由上部强度较小的煤层顺层侵入，依次侵入2、3、5号煤层中。受岩浆直接侵入段的煤层被熔融，附近未被直接侵入的煤层则受其高温烘烤，使煤层物理、化学性质发生变化，导致煤层有益厚度变薄，灰分增加，利用价值相对降低。
主采煤层5号煤层厚度较大，受煌斑岩侵入后煤层结构变复杂，煤层在垂直方向上由原来单一的正常煤自上而下形成了煌斑岩、硅化煤、混煤、正常煤等多种成份的非常复杂的结构。煤层中上部的煌斑岩变成了坚硬的岩石，而混煤结构却较疏松、性脆易碎，属特殊的软岩类型。5号煤层采用综合机械化放顶煤采煤工艺，准备巷道和回采巷道均沿煤层底板掘进，采用锚杆、锚索联合支护方式，由于顶板煤层厚度大且结构复杂，所以维护难度大。
2 支护理念
科学的锚杆支护设计，不是简单的在顶板安装锚杆，而应该使每一根安装的锚杆都发挥它的最大作用。在理论和科研界，有许多锚杆支护理论，不同的理论会有不同的支护机理。典型的支护理论有组合梁理论、松动圈理论、围岩加固理论、组合拱理论、悬吊理论等。工程实践中锚杆的支护机理往往是几种支护机理的综合作用。无论哪种理论，与其它支护相比，锚杆支护的最基本点是在一定范围的围岩中，通过锚杆支护系统对围岩主动施加主动力，实现对围岩实现主动早期支护，以增加围岩的强度和自承载能力。锚杆支护和其他支护的最大区别就是锚杆是主动和早期支护，而主动早期支护的源泉就是预紧力。没有预紧力力的锚杆的支护作用只能是简单的悬吊，和一般棚子支护没有什么太大的差别。锚杆支护系统在整个支护期间所受的力不仅仅包括预紧力，而且包括围岩变形过程中所产生的变形附加应力。所以锚杆的预紧力是支护设计最主要参数。
3 工程应用
3.1 开采技术条件
大同煤矿集团公司虎龙沟煤矿5号煤层位于2号煤层下52.64～66.38m，平均57.8m，全井田稳定赋存并可采。因受岩浆岩侵入影响，结构复杂，井田中至西部煤层均有变质，夹矸大部分为高岭质泥岩、砂质泥岩、煌斑岩，夹矸层数3～33层，煤层较稳定，但厚度变化较大，煤厚20.12～45.23m，平均32.50m，正常纯煤厚度0.30～13.91m，平均5.80m。顶板岩性以砂质泥岩为主，局部为高岭岩、炭质泥岩、煌斑岩，底板为砂质泥岩，局部为砂岩、煌斑岩。
5号煤层采用综合机械化放顶煤采煤工艺，东轨道大巷沿5号煤层底板布置，设计断面为矩形，长度1500m，掘宽4400mm, 掘高3500mm，采用锚杆、锚索联合支护，顶板煤层厚度大，破碎易冒落，既影响掘进速度，又给安全带来隐患。东轨道大巷是辅助运输的主要通道，所以，该巷道支护设计是矿井实现早日投产的关键。
3.2 巷道支护设计
3.2.1 锚杆的长度确定
采用Ansys数值模拟软件，根据5号煤层顶底板岩层综合柱状图及各围岩的力学参数，建立有限元模型，经分析计算得出摩尔库仑安全系数SF，如图1
图1 摩尔库仑安全系数图
1）破碎圈 （SF≤1）：在巷道周围产生了一个SF小于1的破碎圈,破碎圈的最大深度在1.2m左右。
2）稳定圈（1≤SF＜1.2）：此区域安全系数在1～1.2之间，属于稳定圈。但考虑到巷道的长期稳定性，此区域不属于安全圈，其最大深度达到1.6m左右。
3）安全稳定圈(SF≥1.2)：在安全系数大于1.2的范围内是安全稳定圈。为了锚固到松散破碎带以外的稳定岩层中，锚杆的长度应在2000～2200mm之间。
根据围岩松散破碎圈分析，锚杆的长度选为2200mm，以保证至少600mm的锚杆锚固在稳定围岩中。
锚杆的预紧力是主动支护的源泉。其首先可以压实浮煤浮矸，保证锚杆系统的及时早期支护效果，控制早期变形；另一方面可以减少和消除拉应力和顶板离层，保证顶板稳定。
锚杆长度为2200mm，锚杆排距选取820mm，顶板锚杆每排6根，建立模型，通过改变模型中锚杆的预紧力，进行了一系列的模型运算，最终获得合理的安装载荷的大小，以达到无离层、顶板中的拉应力最小的效果。
1）预紧力10kN
模型中锚杆施加10kN的预紧力。分析结果显示巷道顶板有较大的拉应力分布区，在1.2m的顶板范围内有数个离层发生。
2）预紧力20kN
模型中锚杆预紧力为20kN时，巷道顶板仍有较大的拉应力分布区，在0.3m深处的顶板离层闭合，但在0.6m、0.9m、1.2m深的顶板离层仍然存在。
3）预紧力30kN
模型中锚杆预紧力为30kN时，在0.3m和0.6m深处的顶板离层闭合，但在0.9m、1.2m深的顶板离层仍然存在。
4）预紧力60kN
预紧力增加到60kN，所有顶板离层都闭合。
基于上述计算结果可知，锚杆预紧力最小应为60kN。
3.2.3 支护布置
顶板锚杆采用直径18mm、长2200mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，杆尾螺纹直径20mm，每排布置6根，间距×排距=820mm×900mm，靠近巷帮的顶板锚杆安设角度为与铅垂线成20°。采用1支K2360树脂药锚固，配套拱型高强度托板，托板规格为100×100×10mm。W型钢带与顶板锚杆配套使用，长度为4300 mm，厚度为3mm，展宽为150mm。采用金属网片护顶，网片规格为2200mm×1000mm，网格规格为100mm×100mm。
巷帮锚杆采用直径16mm、长1700mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，杆尾螺纹为M18mm，每排布置3根，间距×排距=1000mm×900mm，靠近顶板巷帮锚杆安设角度为与水平线成10°。采用1支K2360树脂药锚固，配套拱型高强度托板，托板规格为100×100×10mm。W型钢带与巷帮锚杆配套使用，长度为2300 mm，厚度为3mm，展宽为150mm。
锚索采用鸟窝锚索，直径为15.24mm，长度为6m，加长锚固，采用3支树脂药卷锚固，1支规格为K2335，另2支规格为Z2360。每隔2排锚杆对应布置1排锚索，间距×排距=1000mm×1800mm 2m，每排3根锚索，配套金属托板规格为300mm×300mm×16mm。
支护布置如图2。
图2 支护布置如
3.2.4 鸟窝锚索
为了解决软岩条件下锚索锚固力不足的问题，选用快速安装高预应力“鸟窝”锚索，其结构如图3。
图3 快速安装高预应力“鸟窝”锚索
“鸟窝”锚索与普通锚索相比有以下特点：
1）索头保护套用于防止锚索索头在运输及安装过程中散股。一旦散股，会给锚索安装带来很大不便。
2）“鸟窝”的作用。①“鸟窝”的大小一般设计制造的比钻孔直径小2mm，这样可以保证锚索在孔中对中，使得树脂在锚索周围均匀分布，从而用较少的树脂量取得最大的锚固力。②“鸟窝”可以起到均匀搅拌树脂的作用，从而增加锚索的拉拔力。③“鸟窝”是中空的，在树脂搅拌过程中，树脂充满鸟窝，可以使树脂和锚索成为一整体，从而进一步增加锚索的拉拔强度，减少树脂用量。
3）加强管是为了安装方便，在锚索接触树脂后，锚索更容易送入孔中。
4）不象目前国内常用锚索是在井下安装索具，高预应力“鸟窝”锚索的索具是预先安装好在钢绞线上的。这一方面减少了井下工人的安装量，另一方面也是最重要的，锚索是根据设计定长的，安装工人无法随意剪断锚索。
4 支护效果
该巷道进行了支护综合监测，监测主要内容有：锚杆受力监测、锚索受力监测、表面位移监测、顶板离层监测。每隔50m布置1个测站，为了捕捉锚杆、锚索受力及围岩位移变化的全过程，测站设置时的位置距工作面不大于1.5m。其中8号测站的监测数据具有代表性。
8号测站安装初期监测数据急剧变化，当距工作面达到78米时，监测数据不再增加，说明巷道已进入稳定阶段。进入稳定阶段后，顶板锚杆拉力为70.6.3kN，锚索拉力为86.7kN，顶底板移近量为35mm，顶板没有明显离层现象，使巷道围岩保持了稳定状态，支护效果良好。
5 结语
煤矿软岩问题一直是困扰煤矿安全生产的重大难题之一，经过几代广大科研工作者和工程技术人员的研究和实践，取得了许多软岩巷道支护的成果，已形成了一套完整的技术。但是，大同矿区的软岩巷道支护技术经验还很少，在遇到软岩问题时，先用一般支护技术来对付，主动支护性低，巷道变形破坏的现象经常发生，然后反复维修，无限制的增加支护的强度和刚度，每年都造成了巨大的经济浪费。虎龙沟矿5号煤层东轨道大巷采用高预紧力锚杆和鸟窝锚索支护技术，有效地解决了大同矿区石炭系受岩浆岩侵入特厚煤层巷道支护难题，使大同矿区的软岩巷道支护技术水平上了一个新台阶。
参考文献
[1]何满潮等.中国煤矿锚杆支护理论与实践.北京：科学出版社，2004年.
[2] 康红普等.煤巷锚杆支护理论与成套技术. 北京：煤炭工业出版社，2007年.
[3] 牛福龙.塔山矿松软煤层中特大硐室掘进与支护技术.煤炭科学技术，2008（11）.
作者简介：康福钧（1965－），男，飞禽走兽老虎机：阳高县人，高级工程师，现任在大同煤矿集团有限责任公司煤峪口矿副矿长，从事生产管理工作。
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