木瓜矿南区辅助运输大巷支护技术研究与应用

李利东

(霍州煤电集团 吕梁山煤电有限公司方山木瓜煤矿， 山西 吕梁 033100)

辅助运输大巷是煤矿井下人员、材料运输和通风的重要通道，其服务年限相对较长，巷道断面相对较大，在实际使用过程中要求巷道围岩能长期保持稳定状态，因此合理的支护方式就显得尤为重要[1-3]. 为满足木瓜煤矿南部采区综采工作面所需设备、材料、人员运输和通风要求，对南区辅助运输大巷的支护方案进行研究，确定合理的支护方案，以为后期南区综采工作面安全运输奠定基础。

1 工程概况

木瓜矿南区辅助运输大巷位于南区井田靠近东部边界的风氧化带内，服务于南区综采工作面开采所需的人员、材料、设备、矸石等的运输，同时兼具进风作用，设计服务年限为20年。

辅助运输大巷设计为直墙半圆拱形，长度为1 580 m，巷道掘进宽度为5.8 m，掘进高度为4.7 m，沿矿井10号煤层底板掘进，煤层基本顶为石灰岩，厚度为6.1～9.3 m，平均厚度为7.8 m，直接顶为泥岩，厚度为3.5～7.8 m，平均厚度为5.2 m,煤层底板为泥岩，厚度为15～18 m，平均厚度为17.1 m.

2 巷道支护技术研究

2.1 总体支护思路

辅助运输巷道底板为厚泥岩，顶部岩层为泥岩及砂质泥岩，巷道帮部为10号煤层及泥岩，巷道浅部围岩为较软弱岩层。考虑到巷道断面大，服务年限长，为保证使用期间巷道围岩的稳定，初步确定使用锚杆+锚索+金属网+钢带+喷浆的联合支护方案。

使用锚杆支护时，在锚杆的作用下，巷道拱形范围内形成一个压应力叠加区，可以增强支护范围内巷道围岩的整体稳定性，有效阻止巷道围岩的大幅度变形；使用锚索支护可以将浅部稳定岩层锚固于深部坚硬岩层(石灰岩)上，从而增强巷道围岩的整体稳定性；由于巷道直接顶较破碎，采用金属网及钢带可以在护表的基础上将锚杆联结成统一整体；使用喷浆支护可以有效防止围岩风化降低强度，防止小块岩石脱落，此外可以改变围岩受力状况，使围岩的二向应力状态变为三向应力状态。

2.2 锚杆及锚索支护

木瓜矿南区辅助运输巷为半煤岩巷道，巷道顶部为拱形断面，底部为直墙体，进行锚杆支护时，在单个锚杆的作用下，锚杆周围一定区域范围内围岩体可以在支护范围内形成一个压应力区，在合理间距及排距锚杆的整体作用下，巷道顶部围岩体形成了整体的应力叠加区，见图1[3-4].

图1 巷道锚杆支护力学模型图

顶板安装锚杆后，在锚杆的有效长度范围形成了锥形体压缩区，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的锥形体压缩区彼此重叠联结，便在围岩中形成了一个厚度为m的均匀连续压缩拱，它不仅能保持自身的稳定，而且能承受地压，阻止上部围岩的松动和变形。

锚杆长度及间排距按下式计算[5-6]：

L杆=L杆1+L杆2+L杆3

(1)

式中：

L杆—锚杆长度，m；

L杆1—锚杆的外露长度，m，取0.1；

L杆2—锚杆的有效长度，m；

L杆3—锚杆的锚固长度，m，结合以往的支护实践经验，取0.8.

加固拱的厚度与锚杆间距和长度可按下式计算：

(2)

式中：

m—加固拱的厚度，m，一般为0.8～1.2，取1.2；

α—锚杆作用下对岩层的控制角，(°)，取45；

α杆1—锚杆的间距，与排距α杆2近似相等，m，取0.9.

将各参数代入式(2)及式(1)中，得L杆2=2.1 m，L杆=3.0 m.

根据上述分析，选用长度为3 100 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，同时结合锚杆应力测试结果和以往的支护实践经验，锚杆d22 mm，锚杆的锚固力不小于100 kN.

根据木瓜矿南区辅助运输巷顶板岩层赋存情况及岩层特性，使用锚索支护时，锚索应进入巷道顶部上覆坚硬岩层即石灰岩中，在锚索的支护作用下形成一种更大的应力承载区，结合木瓜矿相邻采区集中辅助运输巷以往的锚索支护实践，该次锚索选用d18.9 mm的钢绞线，长度为7 000 mm，加长锚固。

2.3 巷道支护方案

考虑地质条件、围岩物理力学性质、锚杆及锚索特性等各因素，同时结合以往的生产实践经验，确定巷道支护方案如下：

拱部顶板支护。采用d22 mm×3 100 mm型左旋无纵筋螺纹钢锚杆，配套金属网及钢带支护，锚杆间距为910 mm，每排布置9根锚杆，排距为900 mm，树脂加长锚固；锚索采用d18.9 mm×7 000 mm型高强度钢绞线，树脂加长锚固，每排布置3根锚索，间距为2 000 mm，排距为1 600 mm.

直墙巷帮支护。d20 mm×2 400 mm型左旋无纵筋螺纹钢锚杆，树脂加长锚固，每排布置2根，间距为910 mm，排距为800 mm，垂直于巷道帮部布置。

喷浆支护。采用水泥、砂、石子、水等材料组成浆体，喷砼比例为水泥∶砂∶石子∶水=1∶2∶2∶0.45，速凝剂掺加量为水泥重量的4%，喷浆厚度为150 mm.巷道锚杆支护断面图见图2.

3 支护效果

木瓜矿南区集中辅助运输巷采用EBZ260型掘进机进行掘进，当遇到部分坚硬岩层时采用钻孔爆破，掘进过程中锚杆及锚索采用随掘随锚的作业方式，同时在滞后工作面20 m区域进行喷浆支护，喷浆厚度为150 mm；在工作面后方50 m对底板进行硬化处理，铺设混凝土的厚度为250 mm.

巷道支护完成后不同时间内围岩的变形量见图3. 由图3可知，在巷道支护完成后30 d内围岩变形相对较大，当支护完成45 d后巷道围岩变形量趋于稳定，巷道顶底板最大变形量为152 mm，两帮最大变形量为110 mm，巷道围岩变形量较小，表明所确定的支护方案合理，巷道围岩在支护作用下可以保持稳定状态，满足后期使用要求。

4 结 论

1) 根据木瓜矿南区辅助运输大巷的实际开采地质条件及使用要求给出了巷道支护思路，初步确定使用锚杆+锚索+金属网+钢带+喷浆的联合支护方案。

图2 巷道锚杆支护断面图

图3 巷道围岩变形与时间变化关系曲线图

2) 通过理论分析建立了巷道锚杆支护力学模型，确定了锚杆支护长度为3 100 mm，通过选型确定锚杆d22 mm；结合以往的支护实践经验确定锚索d18.9 mm，长度为7 000 mm，综合考虑各影响因素确定了巷道联合支护方案。

3) 实践表明，巷道支护方案合理，巷道顶底板最大变形量为152 mm，两帮最大变形量为110 mm，巷道围岩变形量较小，可以满足后期安全使用要求。