Research on the reasonable supporting parameters of the roadway driving along the floor of special thick and soft coal seam

Sun Zhancheng 

(Wajinwan Colliery Company for Datong Mine Group of Shanxi, Datong, Shanxi 037042, China)

Abstract: In order to ensure safety driving of roadway along the floor of special thick and soft coal seam, the reasonable support parameters were determined by using bolt, anchor coupling support mechanism and establishing finite element analysis model, based on the surrounding characteristic of roadway driving along the 5 # thick soft seam floor of WA Jin-wan mine. The results showed that when the safety coefficient SF is larger than 1.2, the roof surrounding rock is in safe zone, roof bolt length should be 2000mm at least in order that bolt can reach the stable layer outside the loose broken zone；when bolt installation stress reaches 6t,the roof abscission layer are closed completely；the quick high prestressed “bird nest” cable can increase the tensile strength and have better supporting effect；reasonable surface control measure can play an important role in the supporting effect.

Keywords: weak stratum, development roadway, anchor arm or anchor wire supporting , prestressed anchor cable; coupling support 

在原岩应力和掘进引起的附加应力的共同作用下，软岩巷道围岩呈现出变形较大、破坏严重等特点。当巷道围岩变形超过锚杆、锚索的可延伸长度时，将导致整个支护体系的失稳，同时，由于巷道围岩本身较软，支护时容易发生漏顶和局部冒落现象，因此，软岩巷道支护一直是许多采矿工作者研究的对象^[1-3]。

1．开拓巷道概况

同煤集团挖金湾煤业公司虎龙沟煤矿5^#煤层厚度在30.23～32.56m之间，平均为31.40m，煤层结构复杂，下部煤层较硬，上部煤层较软，受火成岩的侵入使煤层破坏较为严重。虎龙沟煤矿开拓巷道（轨道大巷和运输大巷）断面形状为矩形，尺寸4400  mm×3500 mm，均沿5^#煤层底板掘进。最初开拓巷道设计采用锚杆支护，锚杆规格Φ18 mm×2200mm，屈服强度8.7 t，应用后巷道围岩破坏严重，支护效果较差。后设计采用强度较大的全锚索支护，锚索规格Φ15.24 mm×5000mm和Φ15.24 mm×12000mm，间排距为1000 mm×1000mm。然而，现场施工发现，由于顶煤较为破碎，开拓巷道沿底板掘进时极易出现顶煤破碎漏顶现象，锚索的锚固力很难达到最大抗拉吨位，同时，巷道成形差，掘进速度慢，导致支护成本明显增大。

因此，根据5^#煤层底板软岩开拓巷道的特点，现场采用了大巷起底留薄层煤作为巷道顶板的掘进方式，并针对开拓巷道围岩较软的特点，根据锚杆锚索耦合支护机理，结合有限元数值计算，设计了合理的软岩开拓巷道支护形式和支护参数，确保了底板软岩开拓巷道的顺利掘进。

2软岩开拓巷道合理支护参数

2.1 锚杆支护参数设计

2.1．1 锚杆长度

锚杆的合理长度应至少保证锚杆锚固到松散破碎范围外一定深度。采用摩尔库仑准则作为围岩破坏的准则，定义岩石破坏准则的摩尔库仑安全系数（Safety Factor）为[4-6]：                       

         (1)

式中：—最大主应力，Pa；

           —岩石单轴抗压强度，Pa；

          —最小主应力，Pa；

          —内摩擦角。

根据虎龙沟煤矿5^#煤层的地质赋存条件和底板软岩开拓巷道的围岩特征，建立有限元数值计算模型，求出底板软岩开拓巷道围岩内的最大主应力和最小主应力的分布特征，代入式（1）内可以计算出摩尔库仑安全系数，其分布特征如图1所示。

                                                                                                                  

 图1 摩尔库仑安全系数分布

从图中可知，5#煤层底板软岩开拓巷道围岩松散破碎范围分为三个部分：

①破碎区(SF≤1）：最大深度在1.2m左右。

②稳定区(1<SF<1.2)：考虑开拓巷道的长期稳定性，此区域仍不属于安全区，其最大深度达到1.6m左右。

③安全稳定区(SF≥1.2)：为了锚固到松散破碎带以外的稳定岩层中，顶板锚杆的长度应至少为2.0m，巷道两帮的锚杆长度至少为1.8m。

因此，根据围岩松散破碎圈的分布特征，顶板锚杆的长度应至少为2.0m，以确保至少400mm的锚杆能锚固在稳定的围岩中。

2.1．2 锚杆安装应力

当锚杆安装时施加载荷既可以压实浮煤浮矸，保证锚杆系统早期及时支护，控制巷道围岩早期变形，同时，也可以消除拉应力和减少顶板离层，从而保证顶板的稳定。建立锚杆安装载荷有限元模型，设计锚杆长度2.0m，顶板锚杆每排5根，锚杆排距为1.0m，施加不同安装载荷时，底板软岩开拓巷道围岩的应力分布和变形情况，如图2所示。

                                                                                                                                             （a）1.0 t                        （b）3.0 t                      （c）6.0 t  

       图2 不同安装载荷时巷道围岩应力分布和变形图 

图2（a）为安装载荷1.0 t时的应力分布和变形图。从图中可知，巷道顶板有较大的拉应力分布区，即顶板不稳定区。同时，通过放大模型，可以发现在顶板1.2m的范围内有多处位置发生离层。

图2（b）为安装载荷3.0t时的应力分布和变形图。从图中可知，尽管拉应力区有所降低，但巷道顶板仍有较大的拉应力分布区。对模型放大可知，当安装载荷 增大到3.0t时，在300mm和600mm深处的顶板离层发生闭合，但900mm、1200mm深处顶板的离层仍然存在。

图2（c）为安装载荷6.0t时的应力分布和变形图。从图中可知，顶板拉应力区全部消除，对模型放大可知，当安装载荷 增加到6t时，所有顶板离层都发生闭合。

因此，根据有限元数值模型分析，提高安装载荷 可以减小或消除软岩开拓巷道顶板中的拉应力区，控制顶板岩层中的离层，从而取得最佳的支护效果。同时，确定挖金湾煤业公司虎龙沟煤矿5#煤层底板软岩开拓巷道最小锚杆安装载荷 为6t。

2.2 锚索支护参数设计

为了解决软岩条件下锚索锚固力较小的问题，现场确定选用快装高预应力“鸟窝”锚索，其结构如图3所示。

图3 快装高预应力“鸟窝”锚索

快装高预应力“鸟窝”锚索主要在锚索杆体中设计有数个“鸟窝”，其大小一般比钻孔直径小2mm，不仅可以保证锚索在孔内对中，使树脂在锚索周围均匀分布，同时，“鸟窝”可以均匀搅拌树脂，使树脂充满中空的“鸟窝”，并和锚索成为一整体，从而增加锚索的拉拔强度[7、8]。

为了保证锚索能锚固到顶板稳定的围岩中，确定快装高预应力“鸟窝”锚索长度为8m，直径为15.24mm，屈服强度大于1860MPa，安装载荷不低于8t，抗拉载荷大于36t，采用“五花”布置，锚索排距为1m，每套锚索采用3支K2350的快速树脂药卷。

2.3 表面支护设计

由于开拓巷道沿5^#煤层底板掘进，顶煤较为破碎，因此软岩巷道表面控制对于充分发挥锚杆、锚索支护系统的作用非常重要。表面控制主要包括钢带、金属网和托盘等。

钢带将锚杆联结成一整体，并具有较好的表面控制效果。现场采用W型高强材料钢带，宽度为270 mm，厚度为2.5 mm。对于高强Φ22mm的锚杆杆体，托盘规格尺寸不小于150  mm ×150 mm×8 mm，托盘承载强度不小于15 t，锚索托盘尺寸不小于300 mm×300 mm×10 mm，承载强度不小于32t。

此外，为提高巷道帮部的支护效果，同时考虑巷道支护成本，5#煤层东轨道大巷两帮采用普强型号为Φ16 mm ×1800mm的扭矩应力锚杆，锚杆的屈服强度大于8t，抗拉强度大于11t，帮锚杆的安装载荷 大于2t，安装扭矩大于100N·m。锚杆托盘规格尺寸为100 mm×100 mm×5.5mm与270 mm ×300 mm × 2.50 mm的钢带托盘配合使用，既可以适应锚杆的强度要求，又增加了锚杆的护帮效果。轨道大巷支护系统平面图和剖面图见图4。

3 现场支护效果

(a)平面图

(b)剖面图

图4 5#煤层轨道巷道支护系统图

与原锚杆、全锚索支护设计相比，锚杆配合高预应力锚索使用，支护效果有了明显改进。

(1)提高了巷道掘进速度，单进由原来的每天3m提高到每天7m。

(2)降低了巷道综合支护成本，综合成本由原来的每米5000元降低到每米3000元。

(3)缩短了临时支护时间，提高了临时支护效果，实现了锚杆主动支护、及时支护的核心理念，为实现巷道沿底板安全掘进提供了保障。

(4)通过对锚杆的安装载荷 、扭矩应力、锚杆锚固力、锚固剂性能、锚索安装性能等实际技术参数进行井下工业测试，取得了较好的效果，不仅提高了支护质量，也改善了工人作业环境。

4结束语

由于挖金湾煤业公司虎龙沟煤矿5#煤层煤质松软，开拓巷道沿煤层底板掘进时围岩难以控制，极易发生漏顶事故。针对特厚软煤层沿底掘进开拓巷道难于支护的特点，采用锚杆主动支护，设计了合理的锚杆支护长度和锚杆安装载荷 ，配合预应力“鸟窝”锚索，同时，选择了合理的巷道表面支护方式，不仅保证了开拓巷道的顺利掘进，同时，加快了开拓大巷的掘进速度，降低了软岩巷道的支护成本，减轻了工作人员的劳动强度，现场应用取得了较好的效果。