特厚煤层超高煤帮大断面巷道支护技术

李燕飞

（大同煤矿集团宏泰矿山工程建设有限责任公司  山西大同  037001）

摘  要： 为了解决大同塔山煤矿8105综放工作面特大断面顺槽的支护。应用理论分析和现场试验等手段，并结合大同矿区石炭系煤层支护经验，研究了针对特厚煤层超高煤帮大断面巷道支护技术，以“三高一低”原则，即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。注意锚杆与锚索的参数与力学性能应相互匹配，以最大限度地发挥锚杆支护的整体支护作用，保证了巷道的稳定性。经过现场工程施工的验证，该支护可以有效地控制巷道的变形，避免了特厚煤层超高煤帮大断面巷道在服务期间的多次维修。

关键词：塔山煤矿    支护设计   巷道围岩结构  位移矢量

1 前言

安全、有效、快速的巷道支护技术是保证矿井实现高产高效的必要条件。随着我国煤矿开采强度与规模显著增加，以及综采放顶煤开采技术作为一种主要的高产高效开采方法得到大面积推广应用，煤巷出现了以下特征：

(1) 综采放顶煤工作面要求回采巷道沿煤层底板掘进，巷道顶板是煤层，显著增加了巷道的支护难度。

(2) 随着回采工作面设备的大型化，开采强度与产量的大幅度提高，为了保证正常的运输、通风及行人，要求的巷道断面越来越大。巷道断面的增大显著增加了支护难度。

目前，我国煤矿巷道的主要支护形式是锚杆支护。对于大采高综放开采涉及的超高煤帮、特大断面巷道，对支护技术提出更高、更苛刻的要求。锚杆支护在这类困难巷道中支护效果差，围岩变形大，支护构件破坏严重，巷道安全得不到保证。主要存在以下几方面的问题：

(1) 锚杆支护刚度低。支护刚度主要与锚杆施加的预紧力及锚固方式有关，由于锚杆加工精度低、锚杆钻机输出扭矩小，以及对预紧力的作用认识不足等多方面的原因，导致现用锚杆的预紧力矩一般为100N.m左右，预紧力大多为15-20kN。

(2) 锚杆、锚索强度低。锚杆屈服强度仅为335-400MPa，拉断强度为500-600MPa，锚索直径为15.2-17.8mm，拉断力为260-350kN。在同样支护强度下，由于锚杆、锚索强度低，显然需要较大的支护密度。

(3) 锚杆螺纹加工精度低。一方面增加了螺母与螺纹的摩擦力，显著降低了螺母预紧力矩与锚杆预紧力的转换系数，对提高预紧力十分不利；另一方面，使锚杆尾部受力状态恶化，容易受剪、受弯，出现断裂现象。

其中特厚煤层超高煤帮、特大断面巷道锚杆支护的新理论、新材料、新工艺、新机具综合应用的研究，以验证理论的正确性、新材料、新工艺、新机具的先进性和实用性，以及在特厚煤层超高煤帮、特大断面煤巷中的支护效果，确保为大采高综放工作面的快速推进创造良好条件。

大同煤矿集团有限责任公司大唐塔山煤矿，位于飞禽走兽老虎机：大同煤田东翼中东部边缘地带，口泉河两侧，鹅毛口以北，七峰山西侧，距大同市约30公里。井田东西走向长24.3km，南北倾斜宽11.7km，面积约170.91km²。井田上部的侏罗系已基本采完，全井田内石炭系可采储量30.7亿t，矿井设计生产能力1500万t/a，设计服务年限132年。

塔山煤矿煤层厚度很大，巷道一般沿煤层底板掘进（除顶回风巷外），煤层巷道围岩松软破碎，煤层和岩层的不连续面容易发生离层，巷道围岩破坏范围较大。同时矿井采用综放开采，考虑到设备运输和通风要求，巷道掘进断面较大，给巷道支护带来较大困难。

2 断面设计

考虑到掘进过程中设备尺寸，通风要求和巷道围岩变形预留量，设计8105工作面5105巷掘进断面尺寸如下：巷道断面呈矩形，宽5.5m，高3.9m，掘进断面积为21.45m²。

3 支护参数选择原则

针对塔山煤矿具体地质生产条件，为了充分发挥锚杆支护的作用，提出以下设计原则：

3.1 一次支护原则。锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形，避免二次或多次支护。

3.2高预应力和预应力扩散原则。预应力是锚杆支护中的关键因素，只有高预应力的锚杆支护才是真正的主动支护，才能充分发挥锚杆支护的作用。

3.3“三高一低”原则。即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。保证支护系统可靠性的条件下，降低支护密度，减少单位面积上锚杆数量，提高掘进速度。

    3.4相互匹配原则。锚杆各构件，包括托板、螺母、钢带等的参数与力学性能应相互匹配，锚杆与锚索的参数与力学性能应相互匹配，以最大限度地发挥锚杆支护的整体支护作用。

5 应用

8105工作面位于一盘区的中部，东南邻8104工作面，间隔38米，南接1070回风巷，连通1070皮带巷、辅运巷，西北邻8106工作面未开掘。工作面倾向长度207m，走向长度2800m，顶回风巷与回风顺槽间距20m，高差20m。顺槽巷道沿3～5号煤层底板掘进。煤层总厚11．93～16．13m，平均厚15.72m。

5.1顶板支护

    5.1.1锚杆

    锚杆形式和规格：杆体为22^#左旋无纵筋螺纹钢筋，钢号为HRB400，长度2.4m，杆尾螺纹为M24。

    锚固方式：树脂加长锚固，采用两支低粘度树脂药卷，一支规格为K2335，一支规格为Z2360。钻孔直径为30mm。

    W钢带规格：采用W钢带护顶，钢带规格：厚度4mm，宽250mm，长度5100mm。            

    锚杆配件：采用高强锚杆螺母M24×3，配合高强托板调心球垫和尼龙垫圈，托盘采用拱型高强度托盘，规格为120×120×10mm，承载能力不低于30t。

锚杆角度：垂直顶板布置。

网片规格：采用高强塑料网护顶。

锚杆布置：锚杆排距800mm，每排7根锚杆，间距800mm。

锚杆预紧扭矩：≥400Nm。

    5.1.2锚索

锚索形式和规格：锚索材料为f22mm，1?19股高强度低松弛预应力钢绞线，长度8300mm，采用一支K2335和两支Z2360低粘度树脂药卷锚固，锚固长度1500mm。

锚索布置：每两排锚杆打3根锚索，排距1600mm，间距2000mm，全部垂直顶板岩层。

锚索托盘：采用300mm×300mm×16mm高强度可调心托板及配套锁具。 

锚索组合构件：采用W钢带作为每排锚索的组合构件，钢带规格：厚度4mm，宽250mm，长度4300mm。

锚索预紧力：200—250kN。 

5.2巷帮支护

锚杆形式和规格：杆体为22^#左旋无纵筋螺纹钢筋，钢号为HRB400，长度2.4m，杆尾螺纹为M24。

锚固方式：树脂加长锚固，采用两支低粘度树脂药卷，一支规格为K2335，一支规格为Z2360。

W钢带规格：采用W钢护板护帮，钢护板厚度5mm，宽280mm，长度450mm。 

    锚杆配件：采用高强锚杆螺母M24×3，配合高强托板调心球垫和尼龙垫圈，托盘采用拱型高强度托盘，规格为120×120×10mm，承载能力不低于30t。

网片规格：采用高强塑料网护帮。

锚杆布置：锚杆排距800mm，每排每帮4根锚杆，间距1000mm。

锚杆角度：垂直煤帮安设。

锚杆预紧扭矩：≥400Nm。

6 矿压监测

在8105工作面5105巷中每个试验段安设三个测站。其中掘进200m左右安设一个测站，掘进1000m左右安装第二个测站，掘进2000m左右安设第三个测站。每个测站包括两个巷道表面位移监测断面，一个顶板离层监测断面，一个锚杆受力监测断面，一个锚索受力测站。

7 结语

大同矿区石炭系煤层巷道支护曾经一段时期是困扰煤矿安全生产的一大难题，出现多次冒顶事故。塔山矿8105工作面5105顺槽的支护实践证明，通过合理选择支护参数及支护材料，能够有效的控制特厚煤层超高煤帮大断面巷道的变形，维护巷道稳定。

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.（365页～366页）

[2] 倪兴华.地应力研究与应用. 北京：煤炭工业出版社， 2006年.（42页～51页）

[3] 郑书兵.煤巷顶板锚杆支护若干问题的探讨.煤炭科学技术，2008（7）.（25页～26页）

[4] 东兆星.井巷工程. 徐州：中国矿业大学出版社， 2004年.（54页～72页）

[5] 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.（112页～113页）

[6] 岳峰.大直径锚索及机具的研究与应用.煤炭科学技术，2007（9）.（47页～51页）

[7] 薛顺勋等.煤巷锚杆支护施工指南. 北京：煤炭工业出版社，1999年.（80页～94页）

作者简介：作者简介：李燕飞（1956－），男，山西大同人，高级工程师，现在大同煤矿集团宏泰公司从事生产技术管理工作。Tel:0352-4051111,E-mail:gmy1969@163.com。