莒山礦15號(hào)煤層運(yùn)輸大巷支護(hù)方案研究

王陳鵬

（山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司，山西 晉城 0480027）

運(yùn)輸大巷是安全開采的重要通道，對(duì)工作面正常開采和煤炭資源的運(yùn)輸具有重要意義[1-3]。以莒山礦15號(hào)煤層主運(yùn)輸大巷為工程背景，確定了巷道支護(hù)方案，并進(jìn)行了數(shù)值模擬驗(yàn)證。

1 工程概況

15號(hào)煤層位于太原組底部，K2灰?guī)r之下，厚度1.64～7.30m，平均3.86m。井田內(nèi)煤層厚度變異系數(shù)24.06%，可采性指數(shù)100%，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般含0～6層夾矸，厚度約0.03～0.5m。煤層基本頂為K2石灰?guī)r，直接頂一般為泥巖、砂質(zhì)泥巖，底板為鋁土泥巖或砂質(zhì)泥巖。

2 巷道支護(hù)方案研究

為了解煤層物理力學(xué)性質(zhì)，通過現(xiàn)場(chǎng)取樣，對(duì)15號(hào)煤層物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)量。測(cè)量得出15#煤煤樣的內(nèi)聚力c為1.15MPa，內(nèi)摩擦角φ為18.70°，抗拉強(qiáng)度σt為0.97MPa，抗壓強(qiáng)度σc為23.60MPa，抗剪強(qiáng)度為9.14MPa。根據(jù)測(cè)量結(jié)果可知，煤巖體抗拉及抗剪強(qiáng)度相對(duì)較小，掘進(jìn)過程中巷道圍巖在采動(dòng)影響下容易發(fā)生拉裂及剪切破壞，在巷道實(shí)際支護(hù)過程中應(yīng)對(duì)巷道圍巖體進(jìn)行有效錨固，增強(qiáng)圍巖強(qiáng)度，保障后期正常使用。

運(yùn)輸大巷沿15號(hào)煤層底板掘進(jìn)，屬于全煤巷道，由于煤層較軟且裂隙發(fā)育，為實(shí)現(xiàn)巷道安全、有效的支護(hù)，采用系統(tǒng)分析法[4-5]，綜合考慮地質(zhì)條件、巷道埋深、巷道斷面、圍巖體力學(xué)性質(zhì)、巷道服務(wù)年限、煤柱尺寸、錨固體力學(xué)性能等因素，確定巷道支護(hù)方案。巷道支護(hù)示意如圖1所示。

2.1 錨網(wǎng)噴初次支護(hù)

采用高強(qiáng)度錨桿金屬網(wǎng)鋼帶及噴射混凝土進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。高預(yù)應(yīng)力錨桿能夠保證淺部圍巖形成初步的錨固結(jié)構(gòu)，有效減小圍巖拉裂及剪切錯(cuò)動(dòng)，在巷道表面圍巖體形成整體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，提高圍巖體整體強(qiáng)度。在此基礎(chǔ)上噴射混凝土，對(duì)圍巖表面及時(shí)密封，有效預(yù)防巷道表面破碎巖體剝落，保持圍巖體處于原有錨桿支護(hù)后的穩(wěn)定狀態(tài)，與錨桿組成聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整體協(xié)同支護(hù)。

頂板錨桿采用高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，配套拱形高強(qiáng)度托盤。錨桿規(guī)格為Φ20mm×2000mm，托托盤規(guī)格為120mm×120mm×8mm。采用樹脂加長錨固，錨固力不低于160kN；布置間排距為800mm×800mm，最外側(cè)錨桿與頂板邊緣距離為200mm；中部錨桿垂直于頂板打設(shè)，頂板邊緣錨桿與垂直方向呈15°夾角。

幫部錨桿采用Φ20mm×2000mm型左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，配套120mm×120mm×8mm型拱形高強(qiáng)度托盤，樹脂加長錨固，錨固力不低于160kN，預(yù)緊扭矩不小于200N·m。每排布置4根錨桿，間排距為800mm×800mm，兩側(cè)邊緣錨桿距巷道頂板及底板分別為300mm，中部錨桿垂直于幫部打設(shè)，邊緣錨桿與水平方向呈15°夾角。

鋼筋托梁由Φ14mm的螺紋鋼焊接而成，安裝錨桿時(shí)搭設(shè)兩段縱梁，間距為100mm。鋼筋網(wǎng)采用10#鐵絲編織而成，網(wǎng)格為100mm×100mm，搭接長度100mm。噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)C20，配合比為1:2:2，摻3%～5%速凝劑，初噴厚度50mm左右，要覆蓋住錨桿托盤。

2.2 錨索加強(qiáng)支護(hù)

在完成錨網(wǎng)噴初次支護(hù)之后，及時(shí)進(jìn)行錨索加強(qiáng)支護(hù)。錨索采用Φ15.24mm×8300mm的高強(qiáng)度鋼絞線配套300mm×300mm×20mm高強(qiáng)度可調(diào)心托盤，“3-0-3-0”方式布置，間排距為1600mm×1600mm，錨固力不低于200kN，預(yù)緊力不小于150kN，垂直于頂板布置。

2.3 底板處理

基于巷道服務(wù)年限較長的因素，考慮巷道底板巖性強(qiáng)度較低，對(duì)底板進(jìn)行混凝土硬化處理?；炷劣不跋葘?duì)底板破碎區(qū)域進(jìn)行清底并注漿，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不低于C15，鋪設(shè)厚度小于100mm。

3 數(shù)值模擬分析

為驗(yàn)證巷道圍巖支護(hù)效果，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值計(jì)算模型。模型尺寸為60m×60m×60m，模型底板限制垂直位移，兩幫限制水平變形，巷道掘進(jìn)寬度5m，高度3.1m，沿底掘進(jìn)，巷道按照上述確定的支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)。模型主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 巷道支護(hù)示意圖

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)表

圖2為巷道垂直應(yīng)力及變形云圖，由圖可知：（1）巷道掘進(jìn)后垂直應(yīng)力主要集中于巷道兩幫，最大應(yīng)力為16MPa，巷道頂?shù)装逅軕?yīng)力相對(duì)較小，為2～6MPa。此外，兩幫區(qū)域隨著向巖層深部擴(kuò)展，所受水平應(yīng)力逐漸增大，由巷道表面幫部的2MPa增加至6MPa，巷道應(yīng)力分布特征相對(duì)合理。（2）巷道頂板最大下沉量為23.5mm，位于巷道頂板中部，巷道頂板邊緣下沉量為17.5～22.5mm，底板位移為20mm。（3）巷道最大水平位移為17.5mm，位于巷道兩幫中部區(qū)域。

通過數(shù)值模擬可知巷道圍巖應(yīng)力分布合理，變形量相對(duì)較小，表明上述支護(hù)方案合理，可以滿足實(shí)際運(yùn)輸要求。

圖2 巷道應(yīng)力及變形云圖

4 結(jié)語

結(jié)合莒山礦15號(hào)煤層主運(yùn)輸大巷實(shí)際煤層賦存條件及開采技術(shù)條件，考慮煤巖體實(shí)際物理力學(xué)參數(shù)，采用系統(tǒng)分析的方法，確定了巷道支護(hù)方案。通過數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證，表明巷道支護(hù)方案合理有效，可以滿足15號(hào)煤層安全開采和運(yùn)輸要求。