山西杜儿坪煤矿压力显现巷道高预紧力锚杆锚索联合支护方案

王国明

(山西焦煤集团有限责任公司杜儿坪煤矿)

杜儿坪煤矿现开采1 010 m水平，矿井以北大巷为中轴，分别以南大巷、北一大巷、北二大巷3条大巷分割井田布置盘区，布置有南九3#煤层、南十2#煤层、北三8#煤层等7个生产盘区[1-3]。3#煤层盘区由于受到上层煤柱及巷道侧压的影响，巷道整体变形、断面缩小、顶板破碎、底鼓、锚杆失效等现象时有发生，形成回采系统前，需要再次对综采工作面两顺槽进行扩帮等工作。不足在于：①大幅增加了支护材料、人工成本的重复投入和浪费；②机电设备循环利用率降低，增加了机电设备租用费，提高了吨煤成本；③再次扩帮整巷时，巷道受二次、三次采动影响，增加了人员作业的危险系数，给安全生产带来了直接影响；④矿井整体的采、掘、抽等生产环节衔接受到了影响，后续抽采打钻、综采设备安装、初采调试等工作受到拖延，影响了整个矿井生产的正常衔接，降低了矿井的抗风险能力。本研究针对该矿3#煤层盘区地应力分布特征以及锚杆支护存在的问题，对该矿73903轨道巷的支护方案进行优化。

1　锚杆支护失效原因

本研究以杜儿坪煤矿73903轨道巷为例分析锚杆支护失效的原因。该巷道盖山厚度为349～534 m；2#煤层厚度为3.6 m(已采空)，3#煤层厚度为3.2 m。该巷道沿3#煤层顶板掘进，直接顶为细粒砂岩(厚度为3.7 m)。该巷道的支护方案为φ22 mm 螺纹钢锚杆(长度2 000 mm；排距0.8 m)+W型钢带垫片(230 mm×230 mm×4 mm)(长×宽×高)+方铁片(110 mm×110 mm×14 mm)(长×宽×高)+加厚型螺帽；1×7结构φ21.6 mm、长5 000 mm锚索，排距0.8 m，一排2根；锚杆的锚固力为50 kN，扭矩为180 N·m，锚索预应力为100 kN。由于该巷道受上层煤柱及巷道侧压的影响，两帮变形严重，断面缩小，局部地段发生了漏顶事故。通过对73903轨道巷锚杆支护现场情况的分析，认为该巷道锚杆支护失效的原因为：

(1)原支护方案中锚杆预紧力较小，在低预紧力支护状态下，原支护方案无法及时有效地控制围岩的离层、滑动、裂隙张开等非连续变形，导致围岩的整体性以及承载能力大幅下降[4]。

(2)锚杆的强度、结构与其附属件不匹配，锚杆垫片与锚杆螺帽之间形成了“点”接触，锚杆受到了一定的剪切力影响，在高地压或强烈动压影响的巷道地段，会出现锚杆破断现象。

(3)现有托板无减摩垫片和调心球垫。托板存在的不足为：①托盘拱高小、强度低、易压翻；②托板结构不合理，孔口直径小，锚杆托板易“蹩劲”；③锚杆托板厚度大，经济不合理；④无调心球垫和减摩垫片；⑤托板底部加工不整齐，易剪切钢带。

2　围岩体强度特征及支护材料力学性能

2.1　围岩体强度特征

2#煤层直接岩层为砂质泥岩，抗压强度为20～40 MPa，属于Ⅲ类中等稳定性岩层顶板；2#煤厚度为2.4 m，2#煤层抗压强度为15.44 MPa，属中等强度；2#煤层与3#煤层间距为7.4 m；3#煤层直接顶由泥岩(厚0.5 m)和细砂岩(厚3.7 m)组成，抗压强度为30～70 MPa；3#煤层老顶为粗粒砂岩(厚3 m)，直接底为砂质泥岩(厚5.6 m)，老底为K5含砾粗粒砂岩(厚8.5 m)，3#煤层抗压强度为13.65 MPa，属中等强度。

2.2　支护材料力学性能

锚杆型号为φ20 mm锚杆，牌号335#，杆体屈服强度375 MPa，抗拉强度566 MPa，延伸率34.7%；φ22 mm锚杆，牌号400#，杆体屈服强度464 MPa，抗拉强度644 MPa，延伸率31.5%；螺纹段长度为100 mm，螺母厚约4 mm，杆体外露长度控制在50 mm 以内，经材料力学性能检测，满足要求。锚杆螺母可以与现加工的锚杆配套使用，其承载力满足要求。MSCK2360锚固剂的最大抗拔力为157 kN；MSK2380锚固剂的最大抗拔为167 kN，均大于所用锚杆杆体屈服载荷的1.2倍(150 kN)，满足要求。可见，目前该矿使用的锚杆杆体、锚杆螺母、锚固剂的力学性能较好，满足支护要求，但锚杆托板未采用可调心拱形托板、调心球阀、减摩垫片，故而需要改进。

3　高预紧力锚杆锚索联合支护方案

73903轨道巷工作面内煤层厚度稳定，为3.2～3.4 m，平均3.3 m，煤层结构复杂，顶部往下约0.3 m 含一层均厚0.05 m、岩性为砂质泥岩的夹矸，局部顶板往下含一层厚0.5 m的泥岩伪顶，设计巷道内沿掘进方向煤层倾角为2°～6°，平均4°。

3.1　支护方案

锚杆高预紧力设计时，既要避免预紧力较小而影响围岩稳定性，又要避免预紧力过大而影响巷道掘进施工进度[5-9]。但是仅提高单根锚杆的预紧力难以有效控制巷道围岩变形。巷道稳定性的影响因素为：①巷道围岩稳定性；②巷道支护材料与围岩相互作用，共同形成一个具有较强承载能力的锚固层，即承载圈，承载圈厚度越大，圈内应力分布越均匀，承载能力则越大[10-13]。为此，本研究针对73903轨道巷提出了高预紧力锚杆锚索联合支护方案。方案中锚杆采用拱形高强度托板、调心球垫、减摩垫片，改善锚杆的受力状态，提高锚杆预紧力，为实现高预紧力，可使用专用工具，如风动扳手或液压扳手进行螺母安装预紧。新支护方案为φ20 mm螺纹钢锚杆(长度2 000 mm；排距1 m)+W型钢带垫片(280 mm×300 mm×4 mm)(长×宽×高)+方铁片(150 mm×150 mm×10 mm)(长×宽×高)+调心球垫和尼龙垫圈+加厚型螺帽，1×7结构φ21.6 mm，长5 000 mm锚索；排距1.0 m，锚杆的锚固力为90 kN，锚杆扭矩为300 N·m，锚索预应力为200 kN。

3.2　支护效果

高预紧力锚杆锚索巷道支护方案以锚杆、锚索共同支护为主，锚索的深层锚固，增加了锚固区范围，并对围岩施加了较强的预紧力，进一步增加了围岩的稳定性，提高了巷道顶板的承载能力。锚杆直径由22 mm调整为20 mm，锚杆排距由0.9 m调整为1 m，预紧力为300 N·m；采用减磨措施，改变了锚杆垫片与锚杆螺帽之间的“点”接触，使得“点”接触变为“面”接触，巷道掘进初期施加了较高的锚杆预紧力，提高了锚杆支护的主动性。采用本研究高预紧力锚杆锚索联合支护方案后，巷道两帮变形量较小，巷道顶板位移控制在100 mm以内，两帮变形控制在60 mm以内，支护效果显著(图1)。新方案增大了锚杆排距、减少了掘进循环个数，使得巷道掘进效率得以大幅提升(表1)。此外，新方案的巷道支护材料成本较原方案减少了242.64元/m；调心球垫成本与原方案相比，降低了3元/m。

图1　73903轨道巷表面位移观测曲线

方案巷道平均月进尺/m原方案73902皮带巷221新方案73903轨道巷300

4　结　语

分析了杜儿坪煤矿锚杆支护失效的原因，通过对支护材料进行力学性能检测，以该矿73903轨道巷为例，提出了高预紧力锚杆锚索联合支护方案。该方案实施后，巷道顶板及两帮的围岩稳定性得到了有效控制，巷道掘进效率得以大幅提升，巷道支护成本也得到了一定程度降低。

[1]王祥春.杜儿坪煤矿主采煤层采空区自燃危险性研究[D].北京：煤炭科学研究总院，2009.

[2]姬俊燕.近距离煤层群采动裂隙发育演化规律及其瓦斯抽采技术研究[D].太原：太原理工大学，2014.

[3]范建民.杜儿坪煤矿综采工作面托夹石开采技术的应用[J].山西煤炭，2010(10)：54-55.

[4]李伟，程久龙.深井煤巷高强高预紧力锚杆支护技术的研究与应用[J].煤炭工程，2010(1)：30-32.

[5]侯朝祥.采煤掘进中高强支护技术的应用[J].技术与市场，2015(5)：135-136.

[6]张永钧.高强支护技术在采煤掘进中的运用研究[J].内蒙古煤炭经济，2015(6)：43-44.

[7]刘宗国.浅析高强支护在采煤掘进过程中的应用[J].黑龙江科技信息，2015(20)：103-104.

[8]彭永良.极近距离煤层巷道布置及支护技术研究[J].山西煤炭管理干部学院学报，2015，28(4)：19-21.

[9]林健，任硕，杨景贺.树脂全长锚固锚杆外形尺寸优化实验室研究[J].煤炭学报，2014，39(6)：1009-1015.

[10]何长海，姜耀东，曾宪涛，等.深井岩巷高强高预紧力锚杆支护优化数值模拟[J].煤矿开采，2010，15(3)：50-52.

[11]肖同强，柏建彪，杨峰.高预紧力锚杆支护理论与技术发展现状[J].煤炭技术，2011，30(2)：79-81.

[12]蔡光顺，左建平，李毅，等.中兴矿近距离煤层上覆岩层移动规律研究[J].矿业工程研究，2010，25(2)：1-5.

[13]张凯江.锚杆、锚索联合支护技术的应用[J].煤炭技术，2011，30(2)：77-79.