莒山矿15号煤层运输大巷支护方案研究

王陈鹏

（山西兰花集团莒山煤矿有限公司，山西 晋城 0480027）

运输大巷是安全开采的重要通道，对工作面正常开采和煤炭资源的运输具有重要意义[1-3]。以莒山矿15号煤层主运输大巷为工程背景，确定了巷道支护方案，并进行了数值模拟验证。

1 工程概况

15号煤层位于太原组底部，K2灰岩之下，厚度1.64～7.30m，平均3.86m。井田内煤层厚度变异系数24.06%，可采性指数100%，结构复杂，一般含0～6层夹矸，厚度约0.03～0.5m。煤层基本顶为K2石灰岩，直接顶一般为泥岩、砂质泥岩，底板为铝土泥岩或砂质泥岩。

2 巷道支护方案研究

为了解煤层物理力学性质，通过现场取样，对15号煤层物理力学性质进行了实验室测量。测量得出15#煤煤样的内聚力c为1.15MPa，内摩擦角φ为18.70°，抗拉强度σt为0.97MPa，抗压强度σc为23.60MPa，抗剪强度为9.14MPa。根据测量结果可知，煤岩体抗拉及抗剪强度相对较小，掘进过程中巷道围岩在采动影响下容易发生拉裂及剪切破坏，在巷道实际支护过程中应对巷道围岩体进行有效锚固，增强围岩强度，保障后期正常使用。

运输大巷沿15号煤层底板掘进，属于全煤巷道，由于煤层较软且裂隙发育，为实现巷道安全、有效的支护，采用系统分析法[4-5]，综合考虑地质条件、巷道埋深、巷道断面、围岩体力学性质、巷道服务年限、煤柱尺寸、锚固体力学性能等因素，确定巷道支护方案。巷道支护示意如图1所示。

2.1 锚网喷初次支护

采用高强度锚杆金属网钢带及喷射混凝土进行联合支护。高预应力锚杆能够保证浅部围岩形成初步的锚固结构，有效减小围岩拉裂及剪切错动，在巷道表面围岩体形成整体稳定结构，提高围岩体整体强度。在此基础上喷射混凝土，对围岩表面及时密封，有效预防巷道表面破碎岩体剥落，保持围岩体处于原有锚杆支护后的稳定状态，与锚杆组成联合支护系统，实现整体协同支护。

顶板锚杆采用高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，配套拱形高强度托盘。锚杆规格为Φ20mm×2000mm，托托盘规格为120mm×120mm×8mm。采用树脂加长锚固，锚固力不低于160kN；布置间排距为800mm×800mm，最外侧锚杆与顶板边缘距离为200mm；中部锚杆垂直于顶板打设，顶板边缘锚杆与垂直方向呈15°夹角。

帮部锚杆采用Φ20mm×2000mm型左旋无纵筋螺纹钢锚杆，配套120mm×120mm×8mm型拱形高强度托盘，树脂加长锚固，锚固力不低于160kN，预紧扭矩不小于200N·m。每排布置4根锚杆，间排距为800mm×800mm，两侧边缘锚杆距巷道顶板及底板分别为300mm，中部锚杆垂直于帮部打设，边缘锚杆与水平方向呈15°夹角。

钢筋托梁由Φ14mm的螺纹钢焊接而成，安装锚杆时搭设两段纵梁，间距为100mm。钢筋网采用10#铁丝编织而成，网格为100mm×100mm，搭接长度100mm。喷射混凝土强度等级C20，配合比为1:2:2，掺3%～5%速凝剂，初喷厚度50mm左右，要覆盖住锚杆托盘。

2.2 锚索加强支护

在完成锚网喷初次支护之后，及时进行锚索加强支护。锚索采用Φ15.24mm×8300mm的高强度钢绞线配套300mm×300mm×20mm高强度可调心托盘，“3-0-3-0”方式布置，间排距为1600mm×1600mm，锚固力不低于200kN，预紧力不小于150kN，垂直于顶板布置。

2.3 底板处理

基于巷道服务年限较长的因素，考虑巷道底板岩性强度较低，对底板进行混凝土硬化处理。混凝土硬化之前先对底板破碎区域进行清底并注浆，混凝土强度等级不低于C15，铺设厚度小于100mm。

3 数值模拟分析

为验证巷道围岩支护效果，采用FLAC3D数值模拟软件建立数值计算模型。模型尺寸为60m×60m×60m，模型底板限制垂直位移，两帮限制水平变形，巷道掘进宽度5m，高度3.1m，沿底掘进，巷道按照上述确定的支护方案进行支护。模型主要物理力学参数如表1所示。

图1 巷道支护示意图

表1 岩层物理力学参数表

图2为巷道垂直应力及变形云图，由图可知：（1）巷道掘进后垂直应力主要集中于巷道两帮，最大应力为16MPa，巷道顶底板所受应力相对较小，为2～6MPa。此外，两帮区域随着向岩层深部扩展，所受水平应力逐渐增大，由巷道表面帮部的2MPa增加至6MPa，巷道应力分布特征相对合理。（2）巷道顶板最大下沉量为23.5mm，位于巷道顶板中部，巷道顶板边缘下沉量为17.5～22.5mm，底板位移为20mm。（3）巷道最大水平位移为17.5mm，位于巷道两帮中部区域。

通过数值模拟可知巷道围岩应力分布合理，变形量相对较小，表明上述支护方案合理，可以满足实际运输要求。

图2 巷道应力及变形云图

4 结语

结合莒山矿15号煤层主运输大巷实际煤层赋存条件及开采技术条件，考虑煤岩体实际物理力学参数，采用系统分析的方法，确定了巷道支护方案。通过数值模拟进行验证，表明巷道支护方案合理有效，可以满足15号煤层安全开采和运输要求。