大斷面巷道沿空留巷巷旁充填體受力分析與加固

邢繼亮 李永亮 李 崢 李文超 梁遠(yuǎn)濤 郭佳浩

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.山西焦煤五麟煤焦開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，山西省汾陽(yáng)市，032200）

大斷面巷道沿空留巷巷旁充填體受力分析與加固

邢繼亮1，2李永亮1李 崢1李文超1梁遠(yuǎn)濤1郭佳浩1

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.山西焦煤五麟煤焦開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，山西省汾陽(yáng)市，032200）

為實(shí)現(xiàn)高瓦斯工作面Y型通風(fēng)，以屯蘭礦18205工作面為工程背景，實(shí)施大斷面巷道沿空留巷技術(shù)。分別對(duì)寬度為2.0 m、2.5 m、3.0 m巷旁充填體在二次采動(dòng)條件下受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出合理的充填體寬度為2.5 m，對(duì)其進(jìn)行內(nèi)部受力分析，呈現(xiàn)剪切破壞現(xiàn)象。加固采用充填體外布置錨帶網(wǎng)，充填體內(nèi)布置鋼筋網(wǎng)的內(nèi)外加固措施，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明沿空巷道礦壓顯現(xiàn)平穩(wěn)，該充填體能夠滿足生產(chǎn)需要。

大斷面巷道 沿空留巷 充填體 受力分析 加固

西山煤電集團(tuán)公司是我國(guó)的焦煤生產(chǎn)基地，礦區(qū)煤層開(kāi)采以中厚煤層和薄煤層為主。公司所屬屯蘭礦為高瓦斯礦井。8＃煤層相對(duì)瓦斯涌出量為8.63～15.49 m3／t，瓦斯壓力值達(dá)到1.9 MPa，多工作面同時(shí)開(kāi)采，采掘銜接緊張。區(qū)段之間一般留設(shè)20 m的護(hù)巷煤柱，工作面預(yù)留瓦斯尾巷，造成煤炭資源回收率低和瓦斯治理困難。針對(duì)屯蘭礦的具體情況，研究適應(yīng)于屯蘭礦高瓦斯工作面的沿空留巷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)Y型通風(fēng)，以解決瓦斯治理難題、提高資源回收率、緩解工作面采掘銜接緊張，實(shí)現(xiàn)礦井安全、高效、可持續(xù)發(fā)展。

1 工作面概況

屯蘭礦18205工作面為沿空留巷工作面，該工作面主采8＃煤層，煤厚平均3.29 m，煤層傾角4～6°，煤層老頂為厚4.21 m粉砂巖，直接頂為厚2.42 m石灰?guī)r，直接底為0～1.2 m泥巖，老底為2.08 m中砂巖。工作面走向長(zhǎng)1592 m，傾斜長(zhǎng)211 m。工作面采用兩巷加一借用巷道的布置方式，3條巷道相互平行，實(shí)現(xiàn)工作面Y型通風(fēng)。軌道巷為沿空留巷巷道，矩形斷面，高3.5 m，寬5.5 m，斷面19.25 m2，錨帶網(wǎng)支護(hù)。巷道具體布置方式見(jiàn)圖1。

圖1 沿空留巷工作面巷道布置平面圖

2 巷旁充填體受力數(shù)值模擬分析

在采空區(qū)與軌道巷之間布置巷旁充填體，為確定充填體合理寬度，根據(jù)工作面地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分別對(duì)寬度為2.0 m、2.5 m、3.0 m的充填體在二次采動(dòng)影響下的受力情況進(jìn)行分析。

對(duì)充填體在二次采動(dòng)影響下的受力情況進(jìn)行模擬，得出2.0 m寬充填體在工作面前方30 m、60 m、90 m處的支承壓力分別為33.3 MPa、31.9 MPa、30.1 MPa；2.5 m寬充填體在工作面前方30 m、60 m、90 m處的支承壓力分別為23.2 MPa、22.5 MPa、20.9 MPa；3.0 m寬充填體在工作面前方30 m、60 m、90 m處的支承壓力分別為18.3 MPa、17.1 MPa、15.8 MPa。結(jié)合數(shù)值模擬二次采動(dòng)影響下工作面前方破壞區(qū)可知，2.0 m、2.5 m、3.0 m種充填墻體在超前支承壓力作用下基本不破壞，均可滿足沿空留巷的要求。2.0 m寬充填墻體工作面前方支承壓力較大，對(duì)充填材料強(qiáng)度要求較高。充填墻體的寬度設(shè)計(jì)為3.0 m時(shí)，每個(gè)充填步距需要充入的料漿就增多，這樣就增大了成本，且按照目前屯蘭礦充填條件，將多耗費(fèi)約半小時(shí)的充填時(shí)間。當(dāng)墻體的寬度設(shè)計(jì)為2.5 m時(shí)，無(wú)論是對(duì)充填墻體強(qiáng)度的要求，還是實(shí)際充填工作量都更為合理。因此，該沿空留巷工作面的充填墻體寬度設(shè)計(jì)為2.5 m，對(duì)該寬度的充填墻體受力情況作進(jìn)一步的理論分析。

3 巷旁充填體內(nèi)部受力分析與加固

3.1 充填體內(nèi)部受力分析

巷旁充填體為膏體混凝土材料整體澆注而成，每次充填的長(zhǎng)度為2.4 m，寬度為2.5 m。充填體在采空區(qū)與工作巷道內(nèi)的寬度分別為1.6 m和0.9 m。混凝土是一種有很多微裂縫的固體，其破壞過(guò)程就是這些裂縫的發(fā)展過(guò)程?；炷潦且环N不均勻材料，在骨料和砂漿結(jié)合面上常常發(fā)生應(yīng)力集中，這是使混凝土產(chǎn)生開(kāi)裂的主要原因?；炷翉?qiáng)度破壞準(zhǔn)則試驗(yàn)研究表明，混凝土材料主要有拉伸和剪切兩種破壞形式，國(guó)內(nèi)學(xué)者推導(dǎo)出適合于混凝土的抗剪強(qiáng)度計(jì)算的表達(dá)式為：

式中：ft、fc——為混凝土單拉和單壓強(qiáng)度；

φ——材料的內(nèi)摩擦角。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混凝土破壞強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析知，混凝土的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度之比在0.095～0.121之間，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的比值在0.083～0.167之間，并且抗拉強(qiáng)度小于抗剪強(qiáng)度。將沿空留巷巷旁充填材料膏體混凝土的相關(guān)參數(shù)和充填體在二次采動(dòng)條件下受力參數(shù)代入混凝土的抗剪強(qiáng)度計(jì)算表達(dá)式中，充填體內(nèi)所受到的剪切力為5.2 MPa，而通過(guò)試驗(yàn)分析該混凝土的最大抗剪強(qiáng)度為3.7 MPa，因此，在充填體內(nèi)將產(chǎn)生剪切破壞，因此要對(duì)充填體進(jìn)行加固，提高其強(qiáng)度，發(fā)揮支護(hù)效能。

3.2 充填體的加固

3.2.1 充填體外加固

在充填墻體表面，沿巷道走向布置3排長(zhǎng)為2.6 m，四孔的?14 mm型托架，每?jī)筛屑芟嗷?duì)接，采用8＃鋼筋網(wǎng)、IV級(jí)左旋錨桿專用螺紋鋼超高強(qiáng)預(yù)拉力錨桿聯(lián)合支護(hù)，在墻體不平整處采用菱形金屬網(wǎng)。采用規(guī)格為?20 mm×1600 mm的錨桿。錨桿采用一節(jié)Z2355型中速樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固；錨桿的間排距為900 mm×800 mm。錨帶網(wǎng)支護(hù)平面圖見(jiàn)圖2。

在錨桿鋼帶鋼筋網(wǎng)聯(lián)合加固基礎(chǔ)上，為防止圍巖風(fēng)化，噴射厚度為50 mm的混凝土密封充填墻體表面。

3.2.2 充填體內(nèi)加固

為增加充填體的強(qiáng)度，在充填墻體內(nèi)共放置5片鋼筋網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)充填墻體的加固，鋼筋網(wǎng)規(guī)格長(zhǎng)2250 mm、高3000 mm，采用直徑為8 mm的鋼筋，鋼筋網(wǎng)方格尺寸為150 mm×150 mm。垂直于軌道巷兩幫和底板布置3片鋼筋網(wǎng)，在鋼筋網(wǎng)的中部用直徑為16 mm、長(zhǎng)度為2100 mm的螺紋鋼將3片鋼筋網(wǎng)連接起來(lái)，使鋼筋網(wǎng)之間的距離為1000 mm，每一片鋼筋網(wǎng)距離兩面模板各200 mm。平行于軌道巷兩幫布置兩片鋼筋網(wǎng)，并用鐵絲使其與之前的3片鋼筋網(wǎng)連成一體。

圖2 充填墻體錨帶網(wǎng)支護(hù)參數(shù)圖

由于受到巷道頂?shù)装宀黄秸?、底板浮煤未及時(shí)清理及充填工藝的影響，充填體與頂?shù)装褰佑|不密實(shí)，充填體受力不均使充填體產(chǎn)生縫隙，為了防止采空區(qū)瓦斯的泄漏，需要對(duì)充填體縫隙進(jìn)行噴漿密封。

4 巷旁充填體受力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

4.1 充填體受力觀測(cè)方案

圖3 工作面充填體受力觀測(cè)方案示意圖

沿空留巷充填體的受力觀測(cè)為檢驗(yàn)充填效果提供科學(xué)評(píng)價(jià)依據(jù)，根據(jù)受力觀測(cè)原則及屯蘭礦實(shí)際礦壓情況，在距離工作面開(kāi)切眼10 m處，布置5個(gè)相互間隔為10 m的觀測(cè)點(diǎn)，緊接著布置5個(gè)相互間隔為50 m的觀測(cè)點(diǎn)；在每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)處充填體內(nèi)布置2個(gè)液壓枕，使液壓枕距離底板的高度為1.75 m，液壓枕距充填體兩邊邊緣各為1 m?？傆^測(cè)距離為300 m。充填體受力觀測(cè)方案示意圖見(jiàn)圖3。

4.2 充填體受力實(shí)測(cè)分析

根據(jù)充填體受力觀測(cè)方案，進(jìn)行了充填體在首次采動(dòng)影響下的受力觀測(cè)。根據(jù)觀測(cè)結(jié)果可以得出充填體受力為2～4 MPa，充填體中測(cè)力錨桿受力為5～25 MPa，說(shuō)明在首次采動(dòng)影響下充填體受力較小。結(jié)合有關(guān)留巷兩幫位移、頂板離層觀測(cè)結(jié)果，以及瓦斯治理成效，表明在采動(dòng)影響下沿空巷道整體礦壓顯現(xiàn)比較平穩(wěn)；Y型通風(fēng)瓦斯治理效果顯著，設(shè)計(jì)寬度為2.5 m的膏體混凝土巷旁充填體能夠滿足生產(chǎn)需要。

5 結(jié)論

根據(jù)對(duì)寬度為2.0 m、2.5 m、3.0 m的沿空留巷巷旁充填體在二次采動(dòng)影響下受力數(shù)值模擬分析以及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際，得出合理的巷旁充填體寬度為2.5 m；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明采用充填體外布置錨帶網(wǎng)，充填體內(nèi)布置鋼筋網(wǎng)的內(nèi)外加固措施，能夠防止充填體產(chǎn)生剪切破壞，提高其強(qiáng)度，發(fā)揮支護(hù)效能，使沿空巷道礦壓顯現(xiàn)平穩(wěn)。

［1］石建軍，師皓宇.沿空留巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律模擬研究［J］.中國(guó)煤炭，2012（10）

［2］陳勇，柏建彪，徐營(yíng)等.沿空留巷巷旁支護(hù)體寬度的合理確定 ［J］.煤炭工程，2012（5）

［3］李宏，劉西拉.基于混凝土破壞準(zhǔn)則的抗剪強(qiáng)度計(jì)算 ［J］.工程力學(xué)，1993（1）

［4］施士昇.混凝土的抗剪強(qiáng)度、剪切模量和彈性模量［J］.土木工程學(xué)報(bào)，1999（2）

［5］李農(nóng)，侯端明，卞景強(qiáng)等.復(fù)合頂板沿空掘巷支護(hù)技術(shù)研究與實(shí)踐 ［J］.中國(guó)煤炭，2011（8）

［6］楊寶貴，孫恒虎，劉華生等.配置鋼筋對(duì)高水固結(jié)充填體的影響 ［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1999（5）

Force analysis and strengthening on filling body beside gob-side entry retained in roadway with large section

Xing Jiliang1，2，Li Yongliang1，Li Zheng1，Li Wenchao1，Liang Yuantao1，Guo Jiahao1
（1.Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining＆Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.Wulin Coal ＆Coke Development Co.，Ltd.，Shanxi Coking Coal Group，F(xiàn)enyang，Shanxi 032200，China）

In order to achieve the Y-type ventilation in high-gas working face，the 18205 working face in Tunlan Mine being taken as the engineering background，the technology of gobside entry retained in roadway with large section was carried out.Numerical simulation analyses were respectively conducted on the stress status of filling bodies beside roadway with the widths of 2.0m、2.5m and 3.0m under the secondary mining and drew that the reasonable width of filling body is 2.5m.According to its internal stress analysis，there was shear failure in it.The measures of internal and external strengthening were put into use：bolting with mesh was set on the exterior of the filling body and steel mesh was laid in the interior.Field measurements indicated that the ground behavior in gob-side entry was smooth and the filling body met the need of production.

roadway with large section，gob-side entry retained，filling body，stress analysis，strengthening

TD353

A

邢繼亮 （1976-），男，山西平遙人，在讀博士，現(xiàn)任山西焦煤五麟煤焦開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司副總經(jīng)理，主要從事礦山壓力方面研究。

（責(zé)任編輯 張毅玲）