火成岩侵入影响的特厚煤层巷道高预应力锚杆支护技术与应用

张小荣 姜鹏飞 孟国胜 杨建威 刘跃东

(1. 大同煤矿集团有限责任公司，山西省大同市，037003；2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013；3.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京市朝阳区，100013)



火成岩侵入影响的特厚煤层巷道高预应力锚杆支护技术与应用

张小荣1姜鹏飞2,3孟国胜1杨建威2,3刘跃东2,3

(1. 大同煤矿集团有限责任公司，山西省大同市，037003；2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013；3.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京市朝阳区，100013)

以塔山煤矿3#～5#煤层8105工作面邻空巷道5105回风平巷特厚顶煤大断面全煤巷道锚杆锚索联合支护为工程背景，井下实测分析了锚杆、锚索在煤层中的锚固性能。采用单轴、三轴压缩试验方法对比研究了煤体试件在不同围压下的承载能力，得出了锚杆与锚索高预应力对改善巷道围岩受力状态十分明显，大幅提高了巷道顶部和巷帮煤体的自承能力。数值模拟研究了不同托盘规格、无钢带及不同钢带尺寸对围岩应力场分布特征。提出了火成岩侵入影响的特厚煤层巷道高预应力锚杆支护技术，并进行井下试验。结果表明，高预应力锚杆支护技术应用后，工作面回采期间5105回风平巷顶底板移近90 mm，两帮移近179 mm，巷道断面收缩率仅为3.9%。

特厚煤层 火成岩侵入 高预应力 巷道支护 锚杆支护

煤系地层以沉积岩为主，巷道顶板结构通常由不同厚度的层状岩层构成。在地壳活动作用下，我国部分矿区煤系地层受到了火成岩侵入的影响，煤岩层条件发生很大变化，岩体的非连续性、非均质性及各向异性表现得更为显著，由此导致的顶板垮落事故频繁发生。

以大同矿区为例，目前主采石炭系3#～5#煤层，受火成岩侵入作用，煤层结构十分复杂。大同塔山煤矿全井田范围3#～5#煤层均不同程度地受到火成岩侵入影响，侵入范围在水平方向表现为南部宽而薄、北部窄而厚的特征，垂直方向侵入范围最大达到80.79 m。火成岩侵入使煤层在垂直方向形成了煌斑岩、变质硅化煤、混煤及正常煤等多种复杂煤岩层结构。上部的火成岩变成了坚硬的煌斑岩，而中部的混煤结构却较疏松且易碎，下部煤体坚硬，使3#～5#煤层形成了上硬、中软、下硬的结构。由于3#～5#煤层厚度达到20 m，锚杆、锚索无法锚固到顶板稳定岩层，传统的锚杆支护技术很难控制受火成岩侵入影响的特厚煤层巷道的严重变形。本文针对塔山煤矿3#～5#煤层8105工作面5105回风平巷火成岩侵入影响的特厚煤层巷道，开展高预应力锚杆支护技术与应用研究。

1 工程背景

塔山煤矿8105工作面煤层埋深540 m，采用大采高综放开采，5105回风平巷巷道为矩形断面，规格为5.5 m×3.8 m，设计总长度为2980 m。巷道沿煤层底板掘进，顶煤最厚处超过16 m。

5105回风平巷直接顶平均厚度为4.49 m，岩浆岩、炭质泥岩、泥岩、变质硅化煤交替赋存，普氏系数在6.0～6.5之间。岩浆岩为半晶质结构，厚度变化不均；变质硅化煤结构疏松；炭质泥岩易碎。直接顶上方为2#煤层，因岩浆岩侵入，大部分变质硅化。老顶平均厚度为22.93 m，以粉砂岩、细砂岩与含砾粗砂岩为主；其上方为4#煤层，厚度约为2.37 m，局部变质硅化。直接底平均厚度为4.87 m，主要为灰褐色、浅灰色高岭质泥岩，普氏系数5.0～6.0。老底平均厚度为5.12 m，包括灰白、浅灰色细砂岩、中粒砂岩、粗砂岩、含砾粗砂岩，局部赋存灰白色砂砾岩。

井下实测最大水平主应力为12.9 MPa，垂直应力为11.44 MPa，最大水平主应力方向为N19E。5105回风平巷与8104综放工作面相邻，煤柱宽度为38 m。采用WQCZ-56型围岩强度测定装置对巷道围岩强度进行了井下原位测试，得出巷道顶煤强度最大为17.85 MPa，最小为7.65 MPa，平均强度为12.43 MPa；巷帮煤体帮孔煤体强度均值为13.43 MPa。

2 火成岩侵入特厚煤层锚固性能研究

由于塔山煤矿顶煤厚度达到16 m，如果将锚索锚固在顶板稳定岩层中，那么锚索长度将超过18 m，在煤矿井下狭窄的作业空间里，施工难度大、速度慢、成本高。为此提出将锚杆锚索锚固在煤层中，并施加较高的预紧力，提高煤层的承载能力，进而保持巷道围岩稳定。

但对于受火成岩侵入影响的煤层条件，在这种条件下能否采用锚杆锚索支护，首先需要研究锚杆锚索在煤层中锚固性能情况。

塔山煤矿巷道顶板结构观测图像如图1所示。由图1可知，塔山煤矿顶煤和直接顶节理裂隙发育。顶板浅部岩层出现了不同程度离层，且向深部有发展的趋势。

图1 塔山煤矿巷道顶板结构观测图

塔山煤矿煤岩层结构如图2所示。由图2可知，受火成岩侵入影响，煤体强度变化较大，火成岩侵入位置煤层破碎，稳定性差。井下现场对锚杆、锚索进行了锚固力试验，得出塔山煤矿巷道顶煤锚杆支护采用2支树脂锚固剂(1支2335型、1支2360型)锚固后，锚固力达到了150 kN；锚索采用3支树脂锚固剂(1支2335型、2支2360型)锚固后，火成岩侵入破碎煤层中锚固力较低，小于100 kN，中下部较完整煤层中锚索锚固力可达250 kN。

图2 塔山煤矿煤岩层结构图

根据锚固力测试结果可知，锚杆、锚索可以锚固在煤层中，但由于火成岩侵入煤体强度相对较低、稳定性较差，在强烈动压影响下相比岩石更易发生裂隙开启、扩展，从而诱发不连续的扩容变形，进而影响其锚固性能。因此，对于火成岩侵入特厚煤层全煤巷道支护，应根据不同位置煤层强度实测结果，确定合理锚固位置，通过加长或全长锚固提高锚杆与锚索锚固性能，施工时重视锚杆锚索拉拔力检测，保证锚杆与锚索高预应力支护效果的发挥。

3 预应力对煤体支护作用研究

预应力作为巷道支护的关键参数，其主要作用是抑制巷道掘进后裂隙、离层的产生，减少巷道围岩的扩容变形。

巷道掘进后，顶板水平应力增加，垂直应力释放；巷帮垂直应力增加，水平应力释放。在巷道顶部煤体中取一个微元体，其增加的水平应力相当于施加的轴向压力，在巷帮取一个微元体，其增加的垂直应力相当于施加轴向压力。而锚杆锚索的预紧力则相当于施加的围压。因此，锚杆锚索预应力对巷道的支护作用可转化为煤体试件轴压与围压关系问题。通过分析煤体试件轴压与围压的关系研究了锚杆锚索预应力对煤体的支护作用，对塔山煤矿5105回风平巷顶煤进行取样，并对其进行单轴和不同围压下的三轴加载试验。

采用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统开展试验，该系统最大轴向加载载荷为4600 kN，可施加最高围压为140 MPa。试验加载达到峰值前采用轴向载荷控制方法，加载速率为30 kN/min；接近峰值时采用横向变形控制方法。

首先进行煤体试件的单轴加载试验，测试得出试件平均单轴抗压强度为19.8MPa。然后进行3.2 MPa、16 MPa和22.4 MPa共3种不同围压下煤体试件的加载试验，围压加载速率为3 MPa/min。不同围压加载试验时，煤体试件受压破坏层理、裂纹分布如图3所示，图中两试件对应围压分别为3.2 MPa和22.4 MPa。

由图3可以看出，煤体试件三轴压缩加载破坏表现出较为明显的脆性特征，随着围压的增加，对应的脆性破坏特征逐渐减弱。

图4 不同围压下煤体试件全应力-应变曲线

不同围压下煤体试件全应力-应变曲线如图4所示。由图4可以看出，随围压增加，煤体试件抗压强度增加；随着围压的增加，煤体试件存在的原生裂隙和内部层理对其强度影响程度降低，其破坏形态主要由施加的围压大小决定。结合单轴加载试验结果，表明特厚顶煤巷道掘进迎头位置围岩的破坏主要受煤层中的裂隙和层理控制，距巷道掘进后方围岩的破坏主要为锚杆锚索支护后预应力、支护阻力及采动后围岩内部三维应力状态变化影响。根据试验结果和摩尔-库伦强度理论，得出煤体试件在不同围压下的强度参数见表1。

由表1可以看出，煤体试件未施加围压时，M26#、M2#试件试验后的平均单轴抗压强度为19.8 MPa；M5#试件施加的围压为3.2 MPa，轴向抗压强度增大到38.26 MPa，接近煤体平均单轴抗压强度的2倍；M1#、M60#试件施加的围压为16 MPa，其轴向抗压强度分别为80.41 MPa、76.78 MPa，轴向平均抗压强度为78.6 MPa，接近平均单轴抗压强度的4倍；M21试件施加的围压为22.4 MPa，试件轴向抗压强度达到125.47 MPa，接近其平均单轴抗压强度的6倍。

表1 不同围压下煤体试件强度参数

根据上述试验结果可知，围压对于提高煤体的轴向抗压强度效应十分明显。当煤体试件处于三向受力状态时，随着围压的增加，特厚煤层巷道周围煤体受力状态明显改善。煤体抗压强度随围压增大显著增加。因此，对于特厚顶煤全煤巷道，锚杆、锚索的高预应力可显著改善围岩受力状态，大幅提高了煤体承载能力。

4 不同护表构件对火成岩侵入顶煤作用分析

对于火成岩侵入特厚煤层而言，由于强度和完整性较低，护表构件的选择尤为重要，采用FLAC3D数值计算软件，在不考虑原岩应力场情况下，模拟分析了不同支护构件对火成岩侵入影响下特厚煤层巷道围岩预应力场分布规律。

4.1 模拟方案

数值计算中采用Mohr-Coulomb本构模型，参考煤层物理力学性质实验室测试结果，确定数值模拟煤层计算参数如下：密度为1500 kg/m-3，剪切模量为3.9 GPa，体积模量为6.5 GPa，摩擦角等于36°，粘聚力为7.92 MPa，抗拉强度为0.6 MPa。具体模拟方案分以下2种：

(1)锚杆预紧力矩为400 N·m，对应的锚杆预紧力约为80 kN，托盘尺寸分别为80 mm×80 mm×8 mm、120 mm×120 mm×10 mm、150 mm×150 mm×10 mm条件下托盘在巷道顶煤中形成的预应力场分布特征。

(2)钢带尺寸为对支护效果的影响。模拟中锚杆预紧力矩为400 N·m，锚杆托盘规格为150 ×150×10 mm；锚索张拉力150 kN，锚索托板规格300 mm×300 mm×16 mm。分别模拟无钢带、钢带厚度为4 mm，宽度分别为200 mm和250 mm共3种条件下的锚杆锚索预紧力在巷道顶煤中预应力场分布特征。

4.2 模拟结果分析

锚杆预紧力矩为400 N·m时托盘在煤体中的预应力场分布如图5所示。

图5 不同规格托盘在煤体中产生的应力场分布

当锚杆托盘规格为80 mm×80 mm×8 mm时，按照理论计算可得托盘最大压应力为16.72 MPa，由于托盘较小，托盘边界效应明显，托盘四个角上出现明显的应力集中现象，最大压应力达到22 MPa。当锚杆托盘规格为120 mm×120 mm×10 mm 时，理论计算得出托盘最大压应力为7.43 MPa，随着托盘与煤体接触面积的增大，托盘应力集中区由四个角扩展到托盘四条边，最大压应力为9.6 MPa。当锚杆托盘规格为150 mm×150 mm×10 mm 时，理论计算得出托盘最大压应力为4.76 MPa，虽然托盘四边仍出现应力集中现象，但整体受力变得更为均匀，托盘最大压应力为5.5 MPa。从托盘压应力在煤体中的扩散范围来看，托盘越大，预应力扩散范围越广，但托盘尺寸增大将引起托盘表面压应力值降低。因此，在支护中应选择尺寸较大的托盘，同时提高锚杆的预紧力。

图6 无钢带及不同尺寸钢带条件下顶煤表面应力场分布

由图6可以看出，无钢带时各锚杆形成的预应力扩散范围未有效扩展到整个顶煤范围，两根锚杆之间预应力所形成的压应力区相互分离。虽然锚索施加的预应力在顶煤中与周围锚杆形成了一定范围的应力叠加区，但未扩散到全部顶煤范围。钢带宽度为200 mm时，由于钢带的作用，锚杆预应力所形成的压应力区沿着钢带长度方向有所扩大，并与锚索预应力形成的压应力区相互叠加，但整个顶部煤体范围仍存在一定的拉应力区。钢带宽度增大至250 mm时，锚杆与锚杆间形成的压应力区沿着钢带宽度方向明显增大，锚杆、锚索在顶煤种形成的压应力区叠加效果显著增加，仅存在少量拉应力区。总体来看，钢带提高了锚杆预应力在巷道顶煤的扩散范围，提高了锚杆与锚杆之间顶煤的支护作用效果。

5 火成岩侵入影响的特厚煤层巷道高预应力锚杆支护技术

根据上述研究结果，提出火成岩侵入影响的特厚煤层全煤巷道锚杆支护技术的具体实施流程：

(1)地质力学测试，分析火成岩侵入影响后巷道围岩地应力、煤岩体强度及结构分布。

(2)根据顶煤顶板岩层条件，确定锚杆锚索合理长度及锚固点位置，如顶煤完整性较差，可采用锚杆、不同长度锚索联合锚固、错层布置方式，提高顶煤的整体完整性。

(3)火成岩侵入特厚煤层不同层位可锚性试验，看能否满足预应力施加需求，如锚固性能差，可采用加长或全长锚固。

(4)通过数值模拟，得出采动影响后围岩应力分布情况。

(5)根据现场调研、地质力学测试、可锚性能测试及数值计算结果，确定巷道支护参数。

(6)根据锚固性能和预应力需求选择合理强度、较高抗冲击性能的锚杆材料及构件。

(7)进行锚杆锚索及配套构件力学性能和匹配性能试验，确保支护材料的可靠性和性能匹配性。

(8)及时支护，减少火成岩侵入特厚煤层巷道掘进后应力降低速度，并保证施工质量。

6 现场应用研究

塔山煤矿8105工作面5105回风平巷支护是国家“十一五”科技支撑计划重大项目“特厚煤层大采高综放开采关键技术及装备”的主要试验巷道。采用上述支护技术对火成岩侵入影响特厚煤层巷道开展支护试验与效果分析。

6.1 支护方案

考虑5105回风平巷与相邻8104综放工作面采空区区段煤柱宽度为38 m，结合塔山煤矿地质力学条件，在锚固性能测试、锚杆锚索预应力作用机理分析、数值模拟分析基础上，提出巷道支护方案。

顶板支护：锚杆为600 MPa级ø22 mm×2400 mm左旋无纵筋螺纹钢，锚杆间排距为800 mm，树脂加长锚固，设计锚杆预紧扭矩400N·m。W钢带宽度250 mm，厚度4 mm。顶锚索为1×19结构预应力钢绞线，规格为ø22 mm×8300 mm，锚索托盘规格为300 mm×300 mm×16 mm。锚索间距2000 mm，每排布置3根，排距1600 mm，锚索张拉力150 kN。

巷帮支护：采用600 MPa级高强度锚杆支护，锚杆材料性能参数与顶板相同，间排距1000 mm×800 mm，采用长450 mm、宽280 mm、厚度5 mm的钢护板配合高强度塑料网护帮。巷帮锚杆也采用树脂加长锚固，设计预紧扭矩400 N·m。5105回风平巷锚杆锚索及测力及布置如图7所示。

图7 5105回风平巷锚杆锚索及测力计支护布置图

对于巷道部分位置，由于火成岩侵入导致煤层锚固性能低于100 kN，采用不同长度的锚索组合错层布置方式进行补强支护，组合锚索如图8所示，锚索长度包括6 m、8 m、10 m三种类型，锚索直径为22 mm，组合锚索所用托板为正方形，边长600 mm，厚度16 mm。

6.2 支护效果分析

巷道掘进与工作面回采期间，对锚杆受力及巷道围岩变形情况进行监测。

巷道掘进阶段，锚杆初始预紧力约为60 kN。

受相邻8104工作面回采影响，靠近8104工作面采空区的1#、2#锚杆随掘进工作面推进受力增加较明显；3#～8#锚杆受力变化不大。各监测锚杆受力稳定后，1#锚杆受力105.3 kN，2#锚杆受力77.4 kN，3#～8#锚杆受力基本保持在60 kN左右。

图8 不同长度锚索组合示意图

8105工作面回采阶段锚杆受力变化如图9所示。由图9可知，回采期间，工作面超前110 m以外，锚杆受力变化非常小；工作面超前70～110 m，锚杆受力缓慢增加；工作面超前0～70 m，锚杆受力变化剧烈，表现为突然增加或下降，但锚杆受力小于250 kN，均在锚杆抗拉载荷范围内。

由巷道变形监测结果可知，5105回风平巷掘进阶段顶底板移近22 mm，两帮移近20 mm。8105工作面回采阶段，巷道顶底板移近90 mm，两帮移近179 mm，巷道断面收缩率仅为3.9%。8105工作面回采阶段5105回风平巷支护情况如图10所示，巷道支护效果良好。

图9 工作面回采期间锚杆受力变化曲线

7 结论

(1)大同塔山煤矿火成岩侵入后煤岩层条件发生很大变化，上部的火成岩变成了坚硬的煌斑岩，而中部的混煤结构却较疏松并且性脆易碎，下部煤体坚硬，使3#～5#煤层形成了上硬、中软、下硬的结构；同时由于煤层厚度达到20 m，为满足通风及大型设备运输要求，巷道断面大，且受到大采高综放开采强烈动压影响，这些特点为高预应力锚杆支护机理及技术提出了新的要求。

(2) 特厚煤层巷道支护时，锚杆与锚索将全部锚固于煤层中，火成岩侵入煤层在强烈采动影响下更易发生开裂等不连续扩容变形，从而导致锚杆锚索在煤层中的锚固性能下降。因此，应根据煤层强度和完整性确定合理的锚固位置，通过全长或加长锚固提高锚杆锚索的锚固性能，并加强锚杆锚索拉拔力的检测。

图10 塔山煤矿5105回风平巷井下支护状况

(3) 对于火成岩侵入特厚煤层巷道，顶煤强度较低、裂隙发育，锚杆、锚索的高预应力对于抑制顶煤裂隙的开启、扩展及离层的效果十分明显，同时改善了巷道围岩受力状态，显著提高了顶煤和巷帮煤体的自承能力。

(4)托盘、钢带等支护构件全煤巷道预应力扩散起着重要作用。托盘尺寸越大，预应力扩散范围越广，但托盘尺寸的增大会引起托盘表面压应力降低，支护中应选择尺寸较大的托盘，同时提高锚杆的预紧力；钢带使各锚杆所形成的压应力区沿钢带长度方向上显著扩大，并彼此连接，提高了锚杆之间围岩的支护作用。

(5) 提出了针对火成岩侵入影响的特厚煤层巷道支护技术，并在塔山煤矿5105回风平巷成功试验，实现了对火成岩侵入特厚煤层巷道围岩变形的有效控制。

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(责任编辑 陶 赛)

Study and application of high pre-stressed bolt support technology for ultra-thick coal roadway with the invasion of igneous rock

Zhang Xiaorong1, Jiang Pengfei2,3, Meng Guosheng1, Yang Jianwei2,3, Liu Yuedong2,3

(1. Datong Coal Mine Group Co., Ltd., Datong, Shanxi 037003, China;2. Mining and Design Department, Tiandi Science and Technology Co., Ltd., Chaoyang, Beijing 100013, China;3.Coal Mining Branch, China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China)

This paper took rock bolt cable support in large-section full coal seam roadway with ultra-thick top coal in the 5105 return roadway beside the gob at 8105 work face in 3#～5#coal seam at Tashan Mine as project background, the anchoring performance of rock bolt and cable in coal seam were measured and analyzed. The uniaxial and triaxial compressing strength under different confining stress tests were figured out to study the bearing capacity of coal mass samples. The test results showed that the stress state of surrounding rock was greatly improved by the pretension stress of rock bolt and cable, which substantially improved the bearing capacity of coal mass at roof and ribs. Numerical simulation method was used to study the stress field of surrounding rock distribution characteristics under the influence of different plate sizes and different steel strips size. High pretension stress rock bolt support technology for coal roadway with ultra-thick coal which under the invasion of igneous rock was proposed and tested. The results showed that the convergence between roof and floor of 5105 return roadway was 90 mm, and the convergence of two ribs was about 179 mm, the shrinkage of roadway section was only 3.9% after the application of high pre-stress rock bolt support technology.

ultra-thick coal seam, invasion of igneous rock, high pretension stress, roadway support, rock bolt support

国家自然科学基金煤炭联合基金重点项目(U1261211)，中国科协青年人才托举工程项目(2015QNRC001)，中国煤炭科工集团青年创新基金项目(2016QN008)

张小荣，姜鹏飞等. 火成岩侵入影响的特厚煤层巷道高预应力锚杆支护技术与应用 [J]. 中国煤炭，2017，43(7)：66-72. Zhang Xiaorong, Jiang Pengfei et al. Study and application of high pre-stressed bolt support technology for ultra-thick coal roadway with the invasion of igneous rock [J]. China Coal，2017,43(7)：66-72.

TD353

A

张小荣(1983-)，男，山西兴县人，工程师，主要研究方向为矿山压力与岩层控制，现任大同煤矿集团有限责任公司总调度室主任工程师，从事煤矿技术与调度管理工作。