莒山礦15號煤層軌道大巷支護(hù)技術(shù)研究

張付平

(山西蘭花集團莒山煤礦有限公司，山西晉城，0480027)

山西蘭花集團莒山煤礦有限公司設(shè)計生產(chǎn)能力為90 萬噸/年，公司目前開采3 號煤層，該煤層資源已近枯竭，現(xiàn)已進(jìn)入大巷煤柱的回收及原上分層刀柱式炮采采煤方法下棄置煤體的復(fù)采回收工作，為了提高生產(chǎn)效率、后期合理調(diào)配資源，準(zhǔn)備采用綜合機械化采煤方法開采15號煤層，延深15號煤層工程，為保障后期工作面安全高效回采，在前期開始布置軌道運輸大巷，由于為新掘進(jìn)巷道，其支護(hù)方式需要重新設(shè)計，本文通過理論分析、數(shù)值模擬對其支護(hù)方案進(jìn)行了研究。

1 工程概況

莒山煤礦15 號煤層位于太原組一段上部，K2 灰?guī)r之下，厚1.50 m～7.30 m，平均厚3.86 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，含0～2層矸石，全區(qū)穩(wěn)定可采，距上覆9號煤層28 m～52 m，平均距離為36 m，煤層直接頂板為黑灰色厚層狀堅硬石灰?guī)r，一般厚10.93 m；底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部為鋁質(zhì)泥巖。15號煤層軌道大巷15號煤層底板掘進(jìn)，巷道設(shè)計為矩形斷面，掘進(jìn)毛寬4.7 m，毛高3.2 m，預(yù)計支護(hù)后巷道凈寬4.5 m，凈高3.0 m，該巷道布置于預(yù)留煤柱下方。

圖1 15號煤層柱狀圖

2 巷道錨桿支護(hù)參數(shù)分析

2.1 錨桿長度計算

巷道錨桿長度按下式計算[1-2]：

式中L 為錨桿長度，m；H 為冒落拱高度，m，H=B/(2f），其中B為巷道開掘?qū)挾?，?.7 m，f為煤層堅固性系數(shù)取3.5；K 為安全系數(shù)，取K=2；L1為錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，根據(jù)以往經(jīng)驗取0.7 m；L2為錨桿在巷道中的外露長度取0.1 m。

代入各參數(shù)，得L=2.14 m，即錨桿支護(hù)長度不小于2.14 m。

2.2 錨桿間排距計算

錨桿間距及排距通常大小相等，按下式計算：

式中a 為錨桿間排距，m；Q 為錨桿初始設(shè)計最小錨固力，取80 kN/根；H冒落拱高度，取0.67 m；r為被懸吊巖石的密度，取25 kN/m3；K為安全系數(shù)，取K＝2；代入各參數(shù)，得，a=1.54 mm，即錨桿支護(hù)間距不大于1.54 m。為保證安全，錨桿間距及排距不宜過大，結(jié)合以往的支護(hù)實踐，確定巷道錨桿間排距為800 mm。

2.3 錨桿直徑計算

巷道頂板及幫部均使用錨桿支護(hù)，結(jié)合礦方實際情況，錨桿采用A3 鋼加工而成，抗拉強度為380 MPa。錨桿直徑按照以下公式確定：

式中為錨桿直徑，mm；Q 為錨桿錨固力，kN；σs為A3鋼抗拉強度，MPa；K為富余系數(shù)，取1.3。

代入各參數(shù)，φ= 21.29 mm，即錨桿直徑不小于21.29 mm。

3 巷道支護(hù)方案

以往研究及實踐經(jīng)驗表明，錨桿支護(hù)系統(tǒng)對巷道圍巖穩(wěn)定具有十分重要的作用，在錨桿主動支護(hù)下巷道圍巖形成一個主動承載圈，有利于巷道圍巖穩(wěn)定[3-4]。根據(jù)上述分析結(jié)果，結(jié)合以往的研究實踐，并通過多次專家會評價和會審確定15 號煤軌道大巷采用錨網(wǎng)索噴支護(hù)，具體方案如下。

3.1 錨桿支護(hù)

巷道頂板及兩幫采用φ 22×2 400 mm高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距800×800 mm，每根錨桿使用K2335、Z2360 錨固劑各1 卷，錨桿最低錨固力80 kN，預(yù)緊力不小于200 N·m，錨桿托盤選用120×120×8 mm 高強度托盤。金屬網(wǎng)均采用φ 6 mm 鋼筋焊接，網(wǎng)格為100×100 mm，金屬網(wǎng)搭接長度100 mm。

3.2 補強支護(hù)

錨桿支護(hù)完畢后，在巷道頂板正中左右兩側(cè)每排布置2根錨索，錨索為φ 17.8×6 300 mm的高強度鋼絞線，間排距為1 500×2 400 mm，錨索托盤選用300 ×300×20 mm 高強度托盤，每根錨索使用K2335錨固劑1 卷、Z2360 錨固劑2 卷，最低錨固力200 kN，預(yù)緊力不小于100 kN。

3.3 噴漿支護(hù)

由于15號煤層軌道大巷服務(wù)年限長，為保證巷道圍巖長期穩(wěn)定，在錨桿及錨索支護(hù)結(jié)束后對其進(jìn)行進(jìn)一步噴漿支護(hù)，漿體為混凝土，頂板及兩幫混凝土厚度為100 mm，強度不低于C20；鋪底厚度不低于100 mm，混凝土強度不低于C25。此外在巷道底板一側(cè)留設(shè)流水槽，水槽尺寸為凈寬300 mm、凈高300 mm、澆注壁厚為50 mm。

圖2 巷道支護(hù)斷面圖

4 應(yīng)用效果

根據(jù)上述研究在實際施工過程中對巷道圍巖進(jìn)行了現(xiàn)場實際監(jiān)測，巷道圍巖變形曲線如圖2所示，巷道掘進(jìn)60 d后巷道圍巖基本趨于穩(wěn)定，頂板最大下沉量為56 mm；兩幫最大變形量為80 mm，底板最大變形量約為25 mm。巷道圍巖變形量較小，表明巷道支護(hù)方案合理，巷道圍巖得到了有效的控制，可以滿足15 號煤層煤炭資源的運輸要求。

圖3 巷道圍巖變形曲線

5 結(jié)論

本文在分析莒山礦15 號煤層軌道大巷開采技術(shù)條件的基礎(chǔ)上，通過理論計算確定了巷道錨桿支護(hù)參數(shù)，并結(jié)合以往的生產(chǎn)支護(hù)實踐和專家評審結(jié)果確定了錨網(wǎng)索噴的聯(lián)合支護(hù)方案。實踐表明巷道支護(hù)方案合理，可以滿足生產(chǎn)運輸要求。