大巷掘進過采空區支護技術研究

文/董福凱

山西省煤礦資源整合后，多數整合煤礦均由2個以上的小煤礦整合而成，故在巷道掘進過程中過采空區現象普遍存在，給安全生產帶來很大壓力。山西煤炭運銷集團晉城公司惠陽煤礦主斜井井底車場掘進中遇小窯采空區，通過研究，采用了兩幫料石砌墻，頂板錨桿、錨索、網、鋼帶支護，全斷面噴射混凝土聯合支護。結果表明，該支護技術的研究應用，使主斜井的掘進得以安全快速通過采空區，并保證了支護質量與效果。

一、工程概況

惠陽煤礦年生產能力45萬噸，屬兼并重組整合礦井。礦井內有原小煤礦1座，采空區多處。主采煤層15#煤層，煤層厚度1.30～3.60m，平均厚度1.86m，煤層頂板為k2灰巖，巖層厚8.26m，底板為深灰色泥巖。通過力學實驗測得，頂板k2灰巖自然抗壓強度平均為41.57Mpa，抗拉強度平均為1.10Mpa，抗剪強度平均為4.72Mpa，初步認定頂板灰巖強度大，穩定性好。由于采空區煤層基本采空，故頂板整體下沉0.5～1.5m，壓力較大，但頂板整體性較完好，無明顯裂隙。

二、巷道布置、斷面及支護形式

1.巷道布置。根據設計要求，主斜井井底車場沿15#煤層頂板掘進，過采空區仍沿15#煤層掘進，局部進行起底挑頂。

2.巷道斷面。斷面形狀為矩形，凈寬5200mm，凈高 3000mm，凈斷面 15.6m2。

3.巷道支護形式。

①斷面圖

②頂板錨固參數設計

A.頂板錨桿布置密度

式中：q—頂板支護載荷集度，取39Kpa

K—安全系數，取2.0

K′—變形載荷系數，取1.2

F—錨桿設計錨固力，取150KN

B.頂板錨桿布置的間、排距確定

C.錨固劑及錨桿的確定

根據頂板巖層錨固條件，錨固長度最小為L0＝0.43m，則藥卷長度：

式中：L藥—樹脂藥卷總長度

K—錨固劑損耗系數，取K=1.1～1.15

R—鉆孔半徑，取14mm

R錨—錨桿半徑，取10mm

R藥—樹脂藥卷半徑，取11.5mm

錨桿長度確定：

L=l1+l2+l3+l4+l5=0.1+0.22+0.6+0.6+0.55=2.07m取2.2m

式中：l1—錨桿外露長度，取0.1m

l2—黏錨力積聚段長度，取0.22m

l3—可承載錨固結構厚度，取0.6m

l4—錨固段錨固力未重疊區高度，取0.6m

l5—圍巖外表面錨固力未重疊區高度，取0.55m

根據以上計算分析，結合本礦相鄰巷道支護參數經驗，確定支護材料規格參數為：

頂錨桿采用φ20×2200高強度螺紋鋼，排距1200mm，間距 900mm；設計錨固力 150KN，預緊扭矩150N·m，最小錨固長度430mm，錨固劑型號為K2335和Z2355，數量為各1支；靠緊兩幫的頂錨桿向兩幫傾斜20°，錨桿托盤選用φ150×8mm高強度沖壓螺形墊片，錨網選用菱形金屬網，鋼筋托梁采用φ16mm鋼筋焊接，寬度80mm，長度3800mm，沿頂板布置。頂板錨索采用φ17.8×5000mm鋼絞線，排距2400mm，間距2200mm；設計錨固力300KN，預緊力100KN，最小錨固長度為850mm，每排布置兩根，錨固劑型號為K2335、Z2360各2支；托盤選用250mm×250mm×15mm鋼板加工而成。噴射混凝土，要求標號C20，頂板噴厚100mm，兩幫噴厚各50mm。兩幫支護采用粗料石配合水泥砂漿砌筑，料石規格為200mm×250mm×350mm砂巖、砂漿標號為C20，砌筑厚度為1000mm，高度為3150mm，基礎深150mm。

三、巷道支護效果及技術分析

1.巷道支護效果：通過對巷道表面頂板移近量監測結果的分析，并對錨桿、錨索定期檢查，發現頂底板，最大移近量均在允許范圍內，錨桿、錨索錨固力穩定，并能達到設計要求。噴射的混凝土層受壓均勻，無開裂現象，這表明該支護方式的研究應用是安全可靠的。

2.技術經濟分析：該種聯合支護方式在掘巷道過采空區中的應用，從根本上改善了巷道圍巖力學狀況，兩幫料石墻的支護對頂板起到支撐作用；厚度的增加，加大了承載的力量，同時減小了控頂面積；錨桿、錨索的應用對頂板巖層起到了擠壓加固作用，形成了一定厚度的組合加固拱。頂、兩幫全部噴射一定厚度混凝土，一方面起到了加強支護的作用，另一方面起到對裂隙、縫隙的填充和密封作用，防止了采空區的漏風及有害氣體的溢出，從整體上提升了礦井的安全生產水平。同時該支護方式的研究應用也為晉城礦區整合煤礦過小窯采空區支護提供了良好經驗。