木瓜礦南區輔助運輸大巷支護技術研究與應用

李利東

(霍州煤電集團 呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦， 山西 呂梁 033100)

輔助運輸大巷是煤礦井下人員、材料運輸和通風的重要通道，其服務年限相對較長，巷道斷面相對較大，在實際使用過程中要求巷道圍巖能長期保持穩定狀態，因此合理的支護方式就顯得尤為重要[1-3]. 為滿足木瓜煤礦南部采區綜采工作面所需設備、材料、人員運輸和通風要求，對南區輔助運輸大巷的支護方案進行研究，確定合理的支護方案，以為后期南區綜采工作面安全運輸奠定基礎。

1 工程概況

木瓜礦南區輔助運輸大巷位于南區井田靠近東部邊界的風氧化帶內，服務于南區綜采工作面開采所需的人員、材料、設備、矸石等的運輸，同時兼具進風作用，設計服務年限為20年。

輔助運輸大巷設計為直墻半圓拱形，長度為1 580 m，巷道掘進寬度為5.8 m，掘進高度為4.7 m，沿礦井10號煤層底板掘進，煤層基本頂為石灰巖，厚度為6.1～9.3 m，平均厚度為7.8 m，直接頂為泥巖，厚度為3.5～7.8 m，平均厚度為5.2 m,煤層底板為泥巖，厚度為15～18 m，平均厚度為17.1 m.

2 巷道支護技術研究

2.1 總體支護思路

輔助運輸巷道底板為厚泥巖，頂部巖層為泥巖及砂質泥巖，巷道幫部為10號煤層及泥巖，巷道淺部圍巖為較軟弱巖層。考慮到巷道斷面大，服務年限長，為保證使用期間巷道圍巖的穩定，初步確定使用錨桿+錨索+金屬網+鋼帶+噴漿的聯合支護方案。

使用錨桿支護時，在錨桿的作用下，巷道拱形范圍內形成一個壓應力疊加區，可以增強支護范圍內巷道圍巖的整體穩定性，有效阻止巷道圍巖的大幅度變形；使用錨索支護可以將淺部穩定巖層錨固于深部堅硬巖層(石灰巖)上，從而增強巷道圍巖的整體穩定性；由于巷道直接頂較破碎，采用金屬網及鋼帶可以在護表的基礎上將錨桿聯結成統一整體；使用噴漿支護可以有效防止圍巖風化降低強度，防止小塊巖石脫落，此外可以改變圍巖受力狀況，使圍巖的二向應力狀態變為三向應力狀態。

2.2 錨桿及錨索支護

木瓜礦南區輔助運輸巷為半煤巖巷道，巷道頂部為拱形斷面，底部為直墻體，進行錨桿支護時，在單個錨桿的作用下，錨桿周圍一定區域范圍內圍巖體可以在支護范圍內形成一個壓應力區，在合理間距及排距錨桿的整體作用下，巷道頂部圍巖體形成了整體的應力疊加區，見圖1[3-4].

圖1 巷道錨桿支護力學模型圖

頂板安裝錨桿后，在錨桿的有效長度范圍形成了錐形體壓縮區，只要錨桿間距足夠小，各個錨桿形成的錐形體壓縮區彼此重疊聯結，便在圍巖中形成了一個厚度為m的均勻連續壓縮拱，它不僅能保持自身的穩定，而且能承受地壓，阻止上部圍巖的松動和變形。

錨桿長度及間排距按下式計算[5-6]：

L桿=L桿1+L桿2+L桿3

(1)

式中：

L桿—錨桿長度，m；

L桿1—錨桿的外露長度，m，取0.1；

L桿2—錨桿的有效長度，m；

L桿3—錨桿的錨固長度，m，結合以往的支護實踐經驗，取0.8.

加固拱的厚度與錨桿間距和長度可按下式計算：

(2)

式中：

m—加固拱的厚度，m，一般為0.8～1.2，取1.2；

α—錨桿作用下對巖層的控制角，(°)，取45；

α桿1—錨桿的間距，與排距α桿2近似相等，m，取0.9.

將各參數代入式(2)及式(1)中，得L桿2=2.1 m，L桿=3.0 m.

根據上述分析，選用長度為3 100 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，同時結合錨桿應力測試結果和以往的支護實踐經驗，錨桿d22 mm，錨桿的錨固力不小于100 kN.

根據木瓜礦南區輔助運輸巷頂板巖層賦存情況及巖層特性，使用錨索支護時，錨索應進入巷道頂部上覆堅硬巖層即石灰巖中，在錨索的支護作用下形成一種更大的應力承載區，結合木瓜礦相鄰采區集中輔助運輸巷以往的錨索支護實踐，該次錨索選用d18.9 mm的鋼絞線，長度為7 000 mm，加長錨固。

2.3 巷道支護方案

考慮地質條件、圍巖物理力學性質、錨桿及錨索特性等各因素，同時結合以往的生產實踐經驗，確定巷道支護方案如下：

拱部頂板支護。采用d22 mm×3 100 mm型左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，配套金屬網及鋼帶支護，錨桿間距為910 mm，每排布置9根錨桿，排距為900 mm，樹脂加長錨固；錨索采用d18.9 mm×7 000 mm型高強度鋼絞線，樹脂加長錨固，每排布置3根錨索，間距為2 000 mm，排距為1 600 mm.

直墻巷幫支護。d20 mm×2 400 mm型左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，樹脂加長錨固，每排布置2根，間距為910 mm，排距為800 mm，垂直于巷道幫部布置。

噴漿支護。采用水泥、砂、石子、水等材料組成漿體，噴砼比例為水泥∶砂∶石子∶水=1∶2∶2∶0.45，速凝劑摻加量為水泥重量的4%，噴漿厚度為150 mm.巷道錨桿支護斷面圖見圖2.

3 支護效果

木瓜礦南區集中輔助運輸巷采用EBZ260型掘進機進行掘進，當遇到部分堅硬巖層時采用鉆孔爆破，掘進過程中錨桿及錨索采用隨掘隨錨的作業方式，同時在滯后工作面20 m區域進行噴漿支護，噴漿厚度為150 mm；在工作面后方50 m對底板進行硬化處理，鋪設混凝土的厚度為250 mm.

巷道支護完成后不同時間內圍巖的變形量見圖3. 由圖3可知，在巷道支護完成后30 d內圍巖變形相對較大，當支護完成45 d后巷道圍巖變形量趨于穩定，巷道頂底板最大變形量為152 mm，兩幫最大變形量為110 mm，巷道圍巖變形量較小，表明所確定的支護方案合理，巷道圍巖在支護作用下可以保持穩定狀態，滿足后期使用要求。

4 結 論

1) 根據木瓜礦南區輔助運輸大巷的實際開采地質條件及使用要求給出了巷道支護思路，初步確定使用錨桿+錨索+金屬網+鋼帶+噴漿的聯合支護方案。

圖2 巷道錨桿支護斷面圖

圖3 巷道圍巖變形與時間變化關系曲線圖

2) 通過理論分析建立了巷道錨桿支護力學模型，確定了錨桿支護長度為3 100 mm，通過選型確定錨桿d22 mm；結合以往的支護實踐經驗確定錨索d18.9 mm，長度為7 000 mm，綜合考慮各影響因素確定了巷道聯合支護方案。

3) 實踐表明，巷道支護方案合理，巷道頂底板最大變形量為152 mm，兩幫最大變形量為110 mm，巷道圍巖變形量較小，可以滿足后期安全使用要求。