莒山礦15號煤層軌道大巷支護技術(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，由于為新掘進巷道，其支護方式需要重新設(shè)計，本文通過理論分析、數(shù)值模擬對其支護方案進行了研究。

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，巷道設(shè)計為矩形斷面，掘進毛寬4.7 m，毛高3.2 m，預(yù)計支護后巷道凈寬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)挾龋?.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，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 巷道支護方案

以往研究及實踐經(jīng)驗表明，錨桿支護系統(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，具體方案如下。

3.1 錨桿支護

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

錨桿支護完畢后，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

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，在錨桿及錨索支護結(jié)束后對其進行進一步噴漿支護，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參數(shù)，并結(jié)合以往的生產(chǎn)支護實踐和專家評審結(jié)果確定了錨網(wǎng)索噴的聯(lián)合支護方案。實踐表明巷道支護方案合理，可以滿足生產(chǎn)運輸要求。