莒山礦15號煤層運輸大巷支護方案研究

王陳鵬

（山西蘭花集團莒山煤礦有限公司，山西 晉城 0480027）

運輸大巷是安全開采的重要通道，對工作面正常開采和煤炭資源的運輸具有重要意義[1-3]。以莒山礦15號煤層主運輸大巷為工程背景，確定了巷道支護方案，并進行了數值模擬驗證。

1 工程概況

15號煤層位于太原組底部，K2灰巖之下，厚度1.64～7.30m，平均3.86m。井田內煤層厚度變異系數24.06%，可采性指數100%，結構復雜，一般含0～6層夾矸，厚度約0.03～0.5m。煤層基本頂為K2石灰巖，直接頂一般為泥巖、砂質泥巖，底板為鋁土泥巖或砂質泥巖。

2 巷道支護方案研究

為了解煤層物理力學性質，通過現場取樣，對15號煤層物理力學性質進行了實驗室測量。測量得出15#煤煤樣的內聚力c為1.15MPa，內摩擦角φ為18.70°，抗拉強度σt為0.97MPa，抗壓強度σc為23.60MPa，抗剪強度為9.14MPa。根據測量結果可知，煤巖體抗拉及抗剪強度相對較小，掘進過程中巷道圍巖在采動影響下容易發生拉裂及剪切破壞，在巷道實際支護過程中應對巷道圍巖體進行有效錨固，增強圍巖強度，保障后期正常使用。

運輸大巷沿15號煤層底板掘進，屬于全煤巷道，由于煤層較軟且裂隙發育，為實現巷道安全、有效的支護，采用系統分析法[4-5]，綜合考慮地質條件、巷道埋深、巷道斷面、圍巖體力學性質、巷道服務年限、煤柱尺寸、錨固體力學性能等因素，確定巷道支護方案。巷道支護示意如圖1所示。

2.1 錨網噴初次支護

采用高強度錨桿金屬網鋼帶及噴射混凝土進行聯合支護。高預應力錨桿能夠保證淺部圍巖形成初步的錨固結構，有效減小圍巖拉裂及剪切錯動，在巷道表面圍巖體形成整體穩定結構，提高圍巖體整體強度。在此基礎上噴射混凝土，對圍巖表面及時密封，有效預防巷道表面破碎巖體剝落，保持圍巖體處于原有錨桿支護后的穩定狀態，與錨桿組成聯合支護系統，實現整體協同支護。

頂板錨桿采用高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，配套拱形高強度托盤。錨桿規格為Φ20mm×2000mm，托托盤規格為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，最外側錨桿與頂板邊緣距離為200mm；中部錨桿垂直于頂板打設，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型拱形高強度托盤，樹脂加長錨固，錨固力不低于160kN，預緊扭矩不小于200N·m。每排布置4根錨桿，間排距為800mm×800mm，兩側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，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，安裝錨桿時搭設兩段縱梁，間距為100mm。鋼筋網采用10#鐵絲編織而成，網格為100mm×100mm，搭接長度100mm。噴射混凝土強度等級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 錨索加強支護

在完成錨網噴初次支護之后，及時進行錨索加強支護。錨索采用Φ15.24mm×8300mm的高強度鋼絞線配套300mm×300mm×20mm高強度可調心托盤，“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

基于巷道服務年限較長的因素，考慮巷道底板巖性強度較低，對底板進行混凝土硬化處理。混凝土硬化之前先對底板破碎區域進行清底并注漿，混凝土強度等級不低于C15，鋪設厚度小于100mm。

3 數值模擬分析

為驗證巷道圍巖支護效果，采用FLAC3D數值模擬軟件建立數值計算模型。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，巷道掘進寬度5m，高度3.1m，沿底掘進，巷道按照上述確定的支護方案進行支護。模型主要物理力學參數如表1所示。

圖1 巷道支護示意圖

表1 巖層物理力學參數表

圖2為巷道垂直應力及變形云圖，由圖可知：（1）巷道掘進后垂直應力主要集中于巷道兩幫，最大應力為16MPa，巷道頂底板所受應力相對較小，為2～6MPa。此外，兩幫區域隨著向巖層深部擴展，所受水平應力逐漸增大，由巷道表面幫部的2MPa增加至6MPa，巷道應力分布特征相對合理。（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域。

通過數值模擬可知巷道圍巖應力分布合理，變形量相對較小，表明上述支護方案合理，可以滿足實際運輸要求。

圖2 巷道應力及變形云圖

4 結語

結合莒山礦15號煤層主運輸大巷實際煤層賦存條件及開采技術條件，考慮煤巖體實際物理力學參數，采用系統分析的方法，確定了巷道支護方案。通過數值模擬進行驗證，表明巷道支護方案合理有效，可以滿足15號煤層安全開采和運輸要求。