同忻矿石炭系8#层顶板锚杆损坏原因分析及防治

刘伟，马占新，马亚杰

（1.晋能控股煤业集团有限责任公司 山西 大同 037003；2.山西大学电力与建筑学院 山西 太原 030006）

0 引言

关于在掘巷道某段区域出现顶板金属锚杆蠕变断裂的现象，但是顶、帮却无明显变化，此类矿压显现现象原因分析是困扰煤矿的一大难题，在大同矿区石炭系首采煤层8#层的首采面8105面也出现了这一难题，经过认真研究分析，得出了“先大后小+实时支护法”解决了上述难题。

1 同忻矿C8#层北一盘区8105工作面概况

同忻北一盘区为C8#层首采盘区，8105工作面为首采工作面，C8#层8105切巷地面相对位置位于地面位于后沟与小海沟之间的山坡与沟谷地段，地面标高1 162 m～1 173 m，平均1 167.5 m，工作面标高为759 m～767 m，平均763 m，平均埋深404.5 m，区域内无水体及建筑物；井下位于同忻井田东部，西部为8#煤层北一盘区8105工作面两顺槽，同层其余为实煤区，上覆为同忻矿C3-5#层8104和8105工作面采空区，层间距平均23 m左右。3-5#层采用综放开采工艺，平均采高18 m，其中8104面于2014年5月采完，8105面于2013年7月回采完毕。老顶：（粗、中、细）砂岩、砂质泥岩、含砾粗砂岩；厚度：17.32 m~19.59 m；岩性特征为碳质砂岩：深灰色，块状，局部含化石，局部碳质泥岩与砂质泥岩互层。含砾粗砂岩：灰白色，石英长石为主，砾石多为燧石，基底胶结。砂岩：灰色，胶结致密，坚硬。抗压强度51.5 MPa。直接顶：粗、细、粉砂岩、细砾岩、砂质泥岩；厚度：7.8 m~10.08 m；岩性特征为粗砂岩：灰白色，胶结紧密，坚硬。粉砂岩浅灰色，半坚硬，胶结致密。细砾岩灰白色，坚硬，孔隙式胶结。砂质泥岩：灰黑色块状。抗压强度40.8 MPa。直接底：高岭质泥岩；厚度：0.80 m~2.33 m；岩性特征：浅灰色、灰褐色，参差状断口，平行层理，含植物化石，局部碳质、砂质泥岩且节理发育。抗压强度42.1MPa。C8#层8105工作面综合柱状图如图1所示。

图1 C8#层8105工作面综合柱状图

2 同忻矿C8#层北一盘区8105工作面顶板锚杆损坏的研究

2.1 受上覆综放工作面8102开采的影响

8102工作面倾斜长度为251 m，工作面煤层厚度12.90 m～22.68 m，平均厚度为18.08 m，2020年6月1日试生产，2021年7月10日停采不放煤，7月23日开采完毕。该面是北一盘区的C3-5#层开采的最后一个工作面，属于孤岛工作面，周期来压时波及范围广、应力显现大，根据钱鸣高院士提出的矿山压力理论及在具体生产实践中得出该面应力集中显现的影响范围：周边500 m的立体空间。8102工作面影响区域图如图2所示。

图2 8102工作面影响区域图

2.2 受本层内部地质构造的影响

北一盘区东南部为中等构造类型，基本构造形态为：走向N10°～50°E，倾向北西，东高西低的单斜构造，并伴有宽缓背向斜构造。其中有刁窝嘴向斜：位于井田东南部（一盘区南部），其轴部为一“勺”，幅度约160 m,为一宽缓的褶曲。北东转北西向延伸，其轴部为一弧形，背斜幅度约80 m。另外，还有伴生的次一级缓波状起伏。盘区内大部分地区地层倾角一般为2°～10°。北一盘区地质构造图如图3所示。

图3 北一盘区地质构造图

2.3 顶板的应力分析

根据钱鸣高院士提出的矿山压力理论[1-2]及在生产实践中我们得出应力集中显现的“薄板理论[3-4]”即：在矿山近距离开采中，上覆应力集中显现与层间距离成反比例关系。根据“薄板理论”C8#层已掘巷道，与上覆C3-5#层层间距平均23 m左右，属于“薄板”，受上覆C3-5#层8102工作面开采动压影响尤其是周期来压，在下伏巷道的顶板薄弱地点产生了顶板“疲劳”，导致下伏围岩的支护金属材料出现了金属疲劳现象，随着时间的推移，在左旋无纵筋螺纹钢锚杆的薄弱地点（如安装时角度过大处、淋水腐蚀处等）出现断裂，发生顶板某些地点无矿压显现却出现断杆的现象。

3 同忻矿C8#层北一盘区8105工作面实践验证

3.1 C8#层北一盘区8105工作面现场分析

在C8#层北一盘区5104、2105、5105巷出现的顶板断杆情况见表1~表3。

表1 同忻C8#层8105工作面5104巷断杆情况表

表3 同忻C8#层8105工作面5105巷断杆情况表

表2 同忻C8#层8105工作面2105巷断杆情况表

C8#层北一盘区顶板断杆情况图如图4所示。

图4 顶板断杆情况图

经过现场对照得出：断杆茬口出现了脆性断裂、缺陷敏感、材料“蠕动”属于金属疲劳[5-6]，得出如下结论：

（1）2105巷649 m~830 m断杆原因为：受上覆C3-5#层8102工作面动压影响在顶板薄弱区：煤层赋存变化区和上覆火成岩区影响区域顶板矿压显现。

（2）2105巷276 m断杆原因为：受上覆C3-5#层8102工作面动压影响在顶板薄弱区：刁窝嘴向斜伴生的次一级缓波状起伏变化节点。

（3）5105巷40 m断杆原因为：受上覆C3-5#层8102工作面动压影响在顶板薄弱区：刁窝嘴向斜伴生的次一级缓波状起伏变化节点。

（4）5104巷708 m~908 m断杆原因为：受上覆C3-5#层8102工作面动压影响在顶板薄弱区：上覆火成岩区影响区域中部。

3.2 应对措施

采用“先大后小+实时支护法”即先从大的方面分析原因，再在现场小的细节上，进行采取打信号柱和及时补强支护等的方式实现。例如：针对2105巷断杆区域采取先打信号柱再在断杆就近部位补打单锚杆或单锚索最后在该区域补强支护，2105局部区域补强支护图如图5所示。

图5 2105局部区域补强支护图

4 结论

通过采用““先大后小+实时支护法”，实现了大同矿区石炭系8#层顶板锚杆金属蠕变的防治，实现了节约、绿色、安全生产。按2105巷276 m、649 m~830 m、5105巷40 m~50 m、5104巷708 m~908 m计 算：共400 m，25根锚杆断裂，补打需要约2581.1元，若按锚杆索桁架结构补强支护方式计算，则需补锚索600套，锚杆25根，需资金64 527.5元，经过计算得出可节约材料资金：61 946.4元。人工费可节约10万元，共可节约16.194 64万元。备注：左旋纵筋螺纹钢锚杆:65.9元/套，4.3 m长钢绞线锚索：104.8元/套。