莒山矿15号煤层轨道大巷支护技术研究

张付平

(山西兰花集团莒山煤矿有限公司，山西晋城，0480027)

山西兰花集团莒山煤矿有限公司设计生产能力为90 万吨/年，公司目前开采3 号煤层，该煤层资源已近枯竭，现已进入大巷煤柱的回收及原上分层刀柱式炮采采煤方法下弃置煤体的复采回收工作，为了提高生产效率、后期合理调配资源，准备采用综合机械化采煤方法开采15号煤层，延深15号煤层工程，为保障后期工作面安全高效回采，在前期开始布置轨道运输大巷，由于为新掘进巷道，其支护方式需要重新设计，本文通过理论分析、数值模拟对其支护方案进行了研究。

1 工程概况

莒山煤矿15 号煤层位于太原组一段上部，K2 灰岩之下，厚1.50 m～7.30 m，平均厚3.86 m，煤层结构简单，含0～2层矸石，全区稳定可采，距上覆9号煤层28 m～52 m，平均距离为36 m，煤层直接顶板为黑灰色厚层状坚硬石灰岩，一般厚10.93 m；底板为泥岩、砂质泥岩，局部为铝质泥岩。15号煤层轨道大巷15号煤层底板掘进，巷道设计为矩形断面，掘进毛宽4.7 m，毛高3.2 m，预计支护后巷道净宽4.5 m，净高3.0 m，该巷道布置于预留煤柱下方。

图1 15号煤层柱状图

2 巷道锚杆支护参数分析

2.1 锚杆长度计算

巷道锚杆长度按下式计算[1-2]：

式中L 为锚杆长度，m；H 为冒落拱高度，m，H=B/(2f），其中B为巷道开掘宽度，取4.7 m，f为煤层坚固性系数取3.5；K 为安全系数，取K=2；L1为锚杆锚入稳定岩层的深度，根据以往经验取0.7 m；L2为锚杆在巷道中的外露长度取0.1 m。

代入各参数，得L=2.14 m，即锚杆支护长度不小于2.14 m。

2.2 锚杆间排距计算

锚杆间距及排距通常大小相等，按下式计算：

式中a 为锚杆间排距，m；Q 为锚杆初始设计最小锚固力，取80 kN/根；H冒落拱高度，取0.67 m；r为被悬吊岩石的密度，取25 kN/m3；K为安全系数，取K＝2；代入各参数，得，a=1.54 mm，即锚杆支护间距不大于1.54 m。为保证安全，锚杆间距及排距不宜过大，结合以往的支护实践，确定巷道锚杆间排距为800 mm。

2.3 锚杆直径计算

巷道顶板及帮部均使用锚杆支护，结合矿方实际情况，锚杆采用A3 钢加工而成，抗拉强度为380 MPa。锚杆直径按照以下公式确定：

式中为锚杆直径，mm；Q 为锚杆锚固力，kN；σs为A3钢抗拉强度，MPa；K为富余系数，取1.3。

代入各参数，φ= 21.29 mm，即锚杆直径不小于21.29 mm。

3 巷道支护方案

以往研究及实践经验表明，锚杆支护系统对巷道围岩稳定具有十分重要的作用，在锚杆主动支护下巷道围岩形成一个主动承载圈，有利于巷道围岩稳定[3-4]。根据上述分析结果，结合以往的研究实践，并通过多次专家会评价和会审确定15 号煤轨道大巷采用锚网索喷支护，具体方案如下。

3.1 锚杆支护

巷道顶板及两帮采用φ 22×2 400 mm高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距800×800 mm，每根锚杆使用K2335、Z2360 锚固剂各1 卷，锚杆最低锚固力80 kN，预紧力不小于200 N·m，锚杆托盘选用120×120×8 mm 高强度托盘。金属网均采用φ 6 mm 钢筋焊接，网格为100×100 mm，金属网搭接长度100 mm。

3.2 补强支护

锚杆支护完毕后，在巷道顶板正中左右两侧每排布置2根锚索，锚索为φ 17.8×6 300 mm的高强度钢绞线，间排距为1 500×2 400 mm，锚索托盘选用300 ×300×20 mm 高强度托盘，每根锚索使用K2335锚固剂1 卷、Z2360 锚固剂2 卷，最低锚固力200 kN，预紧力不小于100 kN。

3.3 喷浆支护

由于15号煤层轨道大巷服务年限长，为保证巷道围岩长期稳定，在锚杆及锚索支护结束后对其进行进一步喷浆支护，浆体为混凝土，顶板及两帮混凝土厚度为100 mm，强度不低于C20；铺底厚度不低于100 mm，混凝土强度不低于C25。此外在巷道底板一侧留设流水槽，水槽尺寸为净宽300 mm、净高300 mm、浇注壁厚为50 mm。

图2 巷道支护断面图

4 应用效果

根据上述研究在实际施工过程中对巷道围岩进行了现场实际监测，巷道围岩变形曲线如图2所示，巷道掘进60 d后巷道围岩基本趋于稳定，顶板最大下沉量为56 mm；两帮最大变形量为80 mm，底板最大变形量约为25 mm。巷道围岩变形量较小，表明巷道支护方案合理，巷道围岩得到了有效的控制，可以满足15 号煤层煤炭资源的运输要求。

图3 巷道围岩变形曲线

5 结论

本文在分析莒山矿15 号煤层轨道大巷开采技术条件的基础上，通过理论计算确定了巷道锚杆支护参数，并结合以往的生产支护实践和专家评审结果确定了锚网索喷的联合支护方案。实践表明巷道支护方案合理，可以满足生产运输要求。