木瓜礦南區(qū)輔助運(yùn)輸大巷支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

李利東

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

輔助運(yùn)輸大巷是煤礦井下人員、材料運(yùn)輸和通風(fēng)的重要通道，其服務(wù)年限相對(duì)較長(zhǎng)，巷道斷面相對(duì)較大，在實(shí)際使用過(guò)程中要求巷道圍巖能長(zhǎng)期保持穩(wěn)定狀態(tài)，因此合理的支護(hù)方式就顯得尤為重要[1-3]. 為滿足木瓜煤礦南部采區(qū)綜采工作面所需設(shè)備、材料、人員運(yùn)輸和通風(fēng)要求，對(duì)南區(qū)輔助運(yùn)輸大巷的支護(hù)方案進(jìn)行研究，確定合理的支護(hù)方案，以為后期南區(qū)綜采工作面安全運(yùn)輸?shù)於ɑA(chǔ)。

1 工程概況

木瓜礦南區(qū)輔助運(yùn)輸大巷位于南區(qū)井田靠近東部邊界的風(fēng)氧化帶內(nèi)，服務(wù)于南區(qū)綜采工作面開(kāi)采所需的人員、材料、設(shè)備、矸石等的運(yùn)輸，同時(shí)兼具進(jìn)風(fēng)作用，設(shè)計(jì)服務(wù)年限為20年。

輔助運(yùn)輸大巷設(shè)計(jì)為直墻半圓拱形，長(zhǎng)度為1 580 m，巷道掘進(jìn)寬度為5.8 m，掘進(jìn)高度為4.7 m，沿礦井10號(hào)煤層底板掘進(jìn)，煤層基本頂為石灰?guī)r，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(hù)技術(shù)研究

2.1 總體支護(hù)思路

輔助運(yùn)輸巷道底板為厚泥巖，頂部巖層為泥巖及砂質(zhì)泥巖，巷道幫部為10號(hào)煤層及泥巖，巷道淺部圍巖為較軟弱巖層?？紤]到巷道斷面大，服務(wù)年限長(zhǎng)，為保證使用期間巷道圍巖的穩(wěn)定，初步確定使用錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+鋼帶+噴漿的聯(lián)合支護(hù)方案。

使用錨桿支護(hù)時(shí)，在錨桿的作用下，巷道拱形范圍內(nèi)形成一個(gè)壓應(yīng)力疊加區(qū)，可以增強(qiáng)支護(hù)范圍內(nèi)巷道圍巖的整體穩(wěn)定性，有效阻止巷道圍巖的大幅度變形；使用錨索支護(hù)可以將淺部穩(wěn)定巖層錨固于深部堅(jiān)硬巖層(石灰?guī)r)上，從而增強(qiáng)巷道圍巖的整體穩(wěn)定性；由于巷道直接頂較破碎，采用金屬網(wǎng)及鋼帶可以在護(hù)表的基礎(chǔ)上將錨桿聯(lián)結(jié)成統(tǒng)一整體；使用噴漿支護(hù)可以有效防止圍巖風(fēng)化降低強(qiáng)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(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài)。

2.2 錨桿及錨索支護(hù)

木瓜礦南區(qū)輔助運(yùn)輸巷為半煤巖巷道，巷道頂部為拱形斷面，底部為直墻體，進(jìn)行錨桿支護(hù)時(shí)，在單個(gè)錨桿的作用下，錨桿周圍一定區(qū)域范圍內(nèi)圍巖體可以在支護(hù)范圍內(nèi)形成一個(gè)壓應(yīng)力區(qū)，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(yīng)力疊加區(qū)，見(jiàn)圖1[3-4].

圖1 巷道錨桿支護(hù)力學(xué)模型圖

頂板安裝錨桿后，在錨桿的有效長(zhǎng)度范圍形成了錐形體壓縮區(qū)，只要錨桿間距足夠小，各個(gè)錨桿形成的錐形體壓縮區(qū)彼此重疊聯(lián)結(jié)，便在圍巖中形成了一個(gè)厚度為m的均勻連續(xù)壓縮拱，它不僅能保持自身的穩(wěn)定，而且能承受地壓，阻止上部圍巖的松動(dòng)和變形。

錨桿長(zhǎng)度及間排距按下式計(jì)算[5-6]：

L桿=L桿1+L桿2+L桿3

(1)

式中：

L桿—錨桿長(zhǎng)度，m；

L桿1—錨桿的外露長(zhǎng)度，m，取0.1；

L桿2—錨桿的有效長(zhǎng)度，m；

L桿3—錨桿的錨固長(zhǎng)度，m，結(jié)合以往的支護(hù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，取0.8.

加固拱的厚度與錨桿間距和長(zhǎng)度可按下式計(jì)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(duì)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(shù)代入式(2)及式(1)中，得L桿2=2.1 m，L桿=3.0 m.

根據(jù)上述分析，選用長(zhǎng)度為3 100 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，同時(shí)結(jié)合錨桿應(yīng)力測(cè)試結(jié)果和以往的支護(hù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，錨桿d22 mm，錨桿的錨固力不小于100 kN.

根據(jù)木瓜礦南區(qū)輔助運(yùn)輸巷頂板巖層賦存情況及巖層特性，使用錨索支護(hù)時(shí)，錨索應(yīng)進(jìn)入巷道頂部上覆堅(jiān)硬巖層即石灰?guī)r中，在錨索的支護(hù)作用下形成一種更大的應(yīng)力承載區(qū)，結(jié)合木瓜礦相鄰采區(qū)集中輔助運(yùn)輸巷以往的錨索支護(hù)實(shí)踐，該次錨索選用d18.9 mm的鋼絞線，長(zhǎng)度為7 000 mm，加長(zhǎng)錨固。

2.3 巷道支護(hù)方案

考慮地質(zhì)條件、圍巖物理力學(xué)性質(zhì)、錨桿及錨索特性等各因素，同時(shí)結(jié)合以往的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定巷道支護(hù)方案如下：

拱部頂板支護(hù)。采用d22 mm×3 100 mm型左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，配套金屬網(wǎng)及鋼帶支護(hù)，錨桿間距為910 mm，每排布置9根錨桿，排距為900 mm，樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固；錨索采用d18.9 mm×7 000 mm型高強(qiáng)度鋼絞線，樹(shù)脂加長(zhǎng)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(hù)。d20 mm×2 400 mm型左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，樹(shù)脂加長(zhǎng)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(hù)。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(hù)斷面圖見(jiàn)圖2.

3 支護(hù)效果

木瓜礦南區(qū)集中輔助運(yùn)輸巷采用EBZ260型掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)，當(dāng)遇到部分堅(jiān)硬巖層時(shí)采用鉆孔爆破，掘進(jìn)過(guò)程中錨桿及錨索采用隨掘隨錨的作業(yè)方式，同時(shí)在滯后工作面20 m區(qū)域進(jìn)行噴漿支護(hù)，噴漿厚度為150 mm；在工作面后方50 m對(duì)底板進(jìn)行硬化處理，鋪設(shè)混凝土的厚度為250 mm.

巷道支護(hù)完成后不同時(shí)間內(nèi)圍巖的變形量見(jiàn)圖3. 由圖3可知，在巷道支護(hù)完成后30 d內(nèi)圍巖變形相對(duì)較大，當(dāng)支護(hù)完成45 d后巷道圍巖變形量趨于穩(wěn)定，巷道頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛?52 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(hù)方案合理，巷道圍巖在支護(hù)作用下可以保持穩(wěn)定狀態(tài)，滿足后期使用要求。

4 結(jié) 論

1) 根據(jù)木瓜礦南區(qū)輔助運(yùn)輸大巷的實(shí)際開(kāi)采地質(zhì)條件及使用要求給出了巷道支護(hù)思路，初步確定使用錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+鋼帶+噴漿的聯(lián)合支護(hù)方案。

圖2 巷道錨桿支護(hù)斷面圖

圖3 巷道圍巖變形與時(shí)間變化關(guān)系曲線圖

2) 通過(guò)理論分析建立了巷道錨桿支護(hù)力學(xué)模型，確定了錨桿支護(hù)長(zhǎng)度為3 100 mm，通過(guò)選型確定錨桿d22 mm；結(jié)合以往的支護(hù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定錨索d18.9 mm，長(zhǎng)度為7 000 mm，綜合考慮各影響因素確定了巷道聯(lián)合支護(hù)方案。

3) 實(shí)踐表明，巷道支護(hù)方案合理，巷道頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛?52 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。