屯蘭礦沿空留巷巷旁支護(hù)體的穩(wěn)定性研究

羅 中 周昌臺(tái) 王志留 杜繼芳

（1.山西焦煤集團(tuán)西山煤電公司屯蘭礦，山西省古交市，030206；2.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）

近年來(lái)，隨著無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù)的發(fā)展，沿空留巷得到了長(zhǎng)足發(fā)展和廣泛應(yīng)用，比傳統(tǒng)的無(wú)煤柱護(hù)巷具有更好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。我國(guó)學(xué)者對(duì)沿空留巷的支護(hù)與穩(wěn)定進(jìn)行了研究與探索。

由于沿空留巷位于采空區(qū)邊緣，沿空留巷處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，其中巷旁支護(hù)體的穩(wěn)定不僅是沿空留巷支護(hù)的關(guān)鍵，而且還關(guān)系著沿空留巷圍巖的穩(wěn)定性。因此本文選取山西焦煤西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦18205運(yùn)輸平巷為研究對(duì)象，通過(guò)理論推導(dǎo)、數(shù)值分析和工程實(shí)踐對(duì)巷旁支護(hù)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

1 地質(zhì)工程條件

屯蘭礦18205工作面主采8＃煤層，煤巖總厚度2.3～3.74 m，平均厚3.29 m，煤層整體傾向西，傾角4°～6°。工作面煤巖層鉆孔巖性見(jiàn)表1。18205工作面軌道巷為沿空留巷，巷道為矩形斷面，巷道斷面設(shè)計(jì)高為3.5 m，寬5.5 m，斷面19.25m2。

2 巷旁支護(hù)體力學(xué)分析

隨著采煤工作面的推進(jìn)，上覆巖層的結(jié)構(gòu)隨之運(yùn)動(dòng)，特別是關(guān)鍵層的破斷與移動(dòng)對(duì)沿空留巷的圍巖穩(wěn)定有關(guān)鍵的影響，沿空留巷的圍巖結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

表1 18205工作面煤層頂、底板巖性

圖1 沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)圖

隨著工作面上區(qū)段回采工作面的推進(jìn)，采空區(qū)上覆巖發(fā)生垮落，老頂形成 “O-X”破斷，同時(shí)發(fā)生周期性垮落，在沿空留巷旁邊破斷形成弧形三角塊B，弧形三角塊不僅對(duì)沿空留巷的上覆巖層的圍巖穩(wěn)定起到關(guān)鍵性作用，而且還對(duì)巷旁支護(hù)體的穩(wěn)定起到作用。隨著工作面的推進(jìn)，冒落矸石不斷堆積，弧形三角塊受煤體和冒落矸石支撐而重新取得平衡，受力分析圖如圖2所示。沿空留巷切頂阻力計(jì)算：

圖2 沿空留巷切頂阻力計(jì)算模型

應(yīng)力極限區(qū)寬度b可用下式求解：

無(wú)矸石支護(hù)寬度e可用下式計(jì)算：

ΔS 為C 巖塊切斷時(shí)巖塊的下沉量ΔSC與基本頂垮落前B 巖塊下沉量ΔSB之差：

式中：P——支護(hù)體的支護(hù)阻力，MPa；

b——應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度，m；

c——巷道寬度，m；

d——充填體的寬度經(jīng)驗(yàn)值，m；

e——無(wú)矸石支護(hù)寬度，m；

g——矸石支撐范圍，m；

h——老頂巖層厚度，m；

qb——直接頂、B 巖塊及上部巖層單位長(zhǎng)度的重量，N／m；

Fc——矸石對(duì)上覆巖層的支撐力，N；

ΔSB——基本頂垮落前B 巖塊下沉量，m；

ΔSC——C 巖塊切斷時(shí)巖塊的下沉量，m；

t——直接頂厚度，m；

Kp——?dú)堄嗨槊浵禂?shù)；

f——矸石對(duì)巖塊的支撐強(qiáng)度，N／m2；

M0——基本頂B 巖塊殘余彎矩，MN·m；

C0——頂?shù)装迮c煤層交界面粘聚力，MPa；

φ0——頂?shù)装迮c煤層交界面粘聚力內(nèi)摩擦角，（°）；

M——采高，m；

Px——支架對(duì)煤幫的支護(hù)阻力，N；

A——側(cè)壓系數(shù)；

H——開(kāi)采深度，m；

γ——上覆巖層平均容重，N／m3；

k——應(yīng)力集中系數(shù)；

l——基本頂來(lái)壓步距，m；

Lm——工作面長(zhǎng)度，m；

α——B巖塊與水平面的夾角，（°）。

根據(jù)18205工作面軌道巷的基本地質(zhì)條件，地質(zhì)參數(shù)如下：α=6°，M=3.29 m，H=331.5 m，t=2.42 m，γ=2.5×104N／m3，C0=2.05 MPa，φ0=28°，f=0.25γH，g=1／3e，h=4 m，Px=0.0375 MPa，A=0.8，Kp=1.1，l=23m，Lm=211m，qb=5×104N／m，k=2，c=5.5 m，d=2.5m，b 為間接參量，由式 （5）可求，M0=0（考慮最危險(xiǎn)情況），將各參數(shù)的值代入上述式中求得各間接參量的值，并由式 （1）計(jì)算可得切頂支護(hù)阻力為18.802 MPa。

巷旁支護(hù)體的寬度主要由切頂支護(hù)阻力和充填體強(qiáng)度確定：

式中：w——巷旁充填體的計(jì)算寬度，m；

k1——充填體強(qiáng)度降低系數(shù)，取0.8～0.9；

σ——充填體強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)充填材料配比充填體的平均強(qiáng)度可按9.23 MPa考慮，代入式 （9）可以得出充填體的支護(hù)寬度為2.26～2.55m。

3 巷旁支護(hù)體數(shù)值模擬計(jì)算

在圍巖結(jié)構(gòu)確定的情況下，巷旁支護(hù)體的穩(wěn)定性與巷旁支護(hù)體的充填強(qiáng)度、巷旁支護(hù)體的尺寸和巷道支護(hù)方式有密切的關(guān)系。當(dāng)充填材料已經(jīng)確定，那么，巷旁支護(hù)的充填強(qiáng)度隨之確定，假設(shè)巷道的支護(hù)形式也已確定，那么，巷旁支護(hù)體的穩(wěn)定性只與充填體的寬度有關(guān)系。

3.1 模型的建立

采用大型工程數(shù)值模擬軟件FLAC3D 模擬巷道圍巖變形和應(yīng)力分布特征。將模型分為7層，模型設(shè)計(jì)尺寸為150m×150m×37.2m （長(zhǎng)×寬×高），垂直應(yīng)力為8.29 MPa， 水平應(yīng)力為6.63 MPa，模型兩側(cè)水平方向固定，底部垂直方向固定，采用摩爾-庫(kù)倫模型。巖層的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 巖層的力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬方案

為模擬工作面推進(jìn)過(guò)程，采用分步開(kāi)挖，每步開(kāi)挖2.4m，模擬工作面每移架3個(gè)步距，充填一次，共開(kāi)挖30步，模擬工作面回采72m，充填高度為3.5 m，分別模擬巷旁支護(hù)體寬度為2 m、2.5m、3m 的情況下，巷旁支護(hù)體的垂直應(yīng)力和變形量，在模型中布置測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)其變化量。

3.3 模擬結(jié)果及分析

分別模擬了3種不同寬度的巷旁支護(hù)體支護(hù)情況下，垂直應(yīng)力與距工作面距離的關(guān)系、垂直應(yīng)力與巷旁支護(hù)體的寬度的關(guān)系以及巷旁支護(hù)體下沉量與巷旁充填體距離的關(guān)系，見(jiàn)圖3～圖5。

圖3 垂直應(yīng)力與距工作面距離的關(guān)系

（1）如圖3所示，3種不同寬度的巷旁支護(hù)體垂直應(yīng)力隨著距離工作面的變化趨勢(shì)一致，均隨著距離工作面的增加而增加，且垂直應(yīng)力在工作面推進(jìn)至30 m 后基本保持不變，趨于平穩(wěn)，分別為14.9 MPa，17.2 MPa，18 MPa；巷旁支護(hù)體垂直應(yīng)力與支護(hù)寬度呈正比，支護(hù)寬度越大，垂直應(yīng)力越大。支護(hù)寬度為2 m 較1.5 m 垂直應(yīng)力增加2.3 MPa，2.5m 較2 m 垂直應(yīng)力增加0.8 MPa，前者的增加幅度是后者的2.875倍。

圖4 垂直應(yīng)力與巷旁支護(hù)體寬度的關(guān)系

圖5 巷旁支護(hù)體下沉量與巷旁充填體距離的關(guān)系

（2）如圖4所示，3種不同寬度的巷旁支護(hù)體垂直應(yīng)力隨著支護(hù)體寬度的增加也呈現(xiàn)一致變化趨勢(shì)，垂直應(yīng)力先升高后降低，在巷旁支護(hù)體中部達(dá)到最大值，垂直應(yīng)力分布形態(tài)呈近三角形分布。隨著巷旁支護(hù)體寬度的增大，垂直應(yīng)力的近三角形分布形態(tài)的頂角逐漸變大，因此垂直應(yīng)力的分布形態(tài)隨著支護(hù)體寬度的增大從近三角形變?yōu)榻菪危休d能力逐漸變大。

（3）如圖5所示，巷旁支護(hù)體受上部巖層移動(dòng)影響而下沉的下沉量與支護(hù)體寬度呈反比，支護(hù)體寬度越寬下沉量越小，最小下沉量分別為150mm、130mm、120mm，支護(hù)體寬度為1.5m 的最小下沉量較支護(hù)體寬度為2 m 的最小下沉量增加20 mm，支護(hù)體寬度為2m 的最小下沉量較支護(hù)體寬度為2.5m 的最小下沉量增加10 mm，前者的下沉量的差值是后者的兩倍，說(shuō)明當(dāng)支護(hù)體寬度從1.5m 增加到2m 時(shí)對(duì)最小下沉量影響明顯，而從2m 增加到2.5m 時(shí)下沉量變化并不明顯。隨著巷旁支護(hù)體寬度變化，3種巷旁支護(hù)體的下沉量斜率基本一致，說(shuō)明巷旁支護(hù)體不能改變上覆巖層的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律，關(guān)鍵塊體隨著工作面的推進(jìn)而移動(dòng)回轉(zhuǎn)，造成巷旁支護(hù)體在靠近實(shí)體煤側(cè)的下沉量小于靠近采空區(qū)側(cè)下沉量。

綜上所述，巷旁支護(hù)體的寬度越寬，其承載能力越大，但是成本會(huì)相應(yīng)地增加，當(dāng)巷旁支護(hù)體的寬度為2.5 m 時(shí)，巷旁支護(hù)體的下沉量和頂板下沉量均較小，支護(hù)體和巷道圍巖均處于較穩(wěn)定的狀態(tài)，并且巷道成本較低，因此，確定合理的巷旁支護(hù)體寬度為2.5m。

4 工程應(yīng)用

4.1 巷旁支護(hù)體支護(hù)參數(shù)

針對(duì)沿空留巷的巷旁充填體支護(hù)問(wèn)題，分別采用錨帶網(wǎng)和內(nèi)置鋼筋網(wǎng)對(duì)充填體外和充填體自身進(jìn)行加固。在充填墻體上沿巷道走向布置3 排由?14mm鋼筋焊接而成2.6m 長(zhǎng)的托架，每根托架上布置4個(gè)孔，每?jī)筛屑苓M(jìn)行對(duì)接，采用IV 級(jí)左旋專(zhuān)用螺紋鋼超高強(qiáng)預(yù)拉力錨桿、8＃鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，錨桿規(guī)格為?20 mm -M22 mm -1600 mm。每根錨桿采用一節(jié)Z2355型中速樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，錨桿間距為900 mm，排距為800 mm。充填體外支護(hù)平面圖如圖6所示。

在錨帶網(wǎng)加固基礎(chǔ)上，噴射薄層混凝土密封充填墻體表面，防止圍巖表面風(fēng)化。噴層厚度50mm，混凝土配比為水泥∶黃沙∶石子=1∶2∶2。

采用在充填體內(nèi)放置鋼筋網(wǎng)的方法對(duì)充填體自身進(jìn)行加固。充填前在充填模內(nèi)布設(shè)鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑為8 mm，鋼筋網(wǎng)的方格尺寸為150 mm×150mm，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為2250 mm×3000 mm （長(zhǎng)×寬）。充填墻體內(nèi)共放置5片鋼筋網(wǎng)，垂直于軌道巷兩幫和底板布置3片鋼筋網(wǎng)，在鋼筋網(wǎng)的中部以及距頂?shù)装甯?00mm 處用直徑為16mm、長(zhǎng)度為2100mm 的螺紋鋼將3片鋼筋網(wǎng)連接起來(lái)，其中鋼筋網(wǎng)間距為1000 mm，每片鋼筋網(wǎng)距離充填模兩面模板各200mm。平行于軌道巷兩幫布置2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6 充填體錨帶網(wǎng)支護(hù)圖

4.2 巷旁支護(hù)體受力觀測(cè)

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，自開(kāi)切眼10 m 開(kāi)始布置間隔為10 m的觀測(cè)點(diǎn)5個(gè)，隨后布置間隔為50 m 的觀測(cè)點(diǎn)5個(gè)，累積總觀測(cè)距離為300m。充填體受力觀測(cè)測(cè)站布置見(jiàn)圖7 （a）。

在每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)處充填體內(nèi)布置2個(gè)液壓枕，布置高度為1.75m，兩液壓枕距充填體兩邊邊緣為1m，觀測(cè)點(diǎn)斷面布置圖見(jiàn)圖7 （b）。

圖7 巷旁充填體受力觀測(cè)布置圖

1號(hào)檢測(cè)點(diǎn)充填體的縱向變形量、縱向變形速度和工作面距離的關(guān)系如圖8所示，從圖8中可以得出，充填體明顯經(jīng)過(guò)3個(gè)階段達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)：

（1）初始階段。在該階段，由于上覆巖層大結(jié)構(gòu)的弧形三角塊未直接接觸巷旁充填體，因此，巷旁充填體的縱向方向的位移較小，變形速度也接近零。

（2）變形劇烈階段。該階段弧形三角塊直接與巷旁支護(hù)體發(fā)生接觸并且發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，巷旁充填體承受上覆巖層的載荷急劇增加，隨之巷旁充填體的縱向位移和縱向變形速度急劇增加，縱向變形速度可達(dá)到12mm／d。

（3）變形穩(wěn)定階段。由于弧形三角塊與采空區(qū)接觸，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，而巷旁充填體位于穩(wěn)定的三角區(qū)域以下，并且在巷旁充填體充填材料固化后，充填體的材料力學(xué)性質(zhì)趨于穩(wěn)定，縱向變形量趨于穩(wěn)定，縱向變形速度重新趨近于零。

最終的巷旁充填體的變形量為184mm，滿足沿空留巷的要求。

圖8 巷旁支護(hù)體與距離工作面距離的關(guān)系

5 結(jié)論

（1）建立沿空留巷的受力模型圖，巷旁支護(hù)體的穩(wěn)定受上部關(guān)鍵巖塊運(yùn)動(dòng)的影響，巷旁支護(hù)體并不能改變頂板運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，但是合理寬度的巷旁支護(hù)體可以有效改善圍巖的穩(wěn)定性。

（2）通過(guò)力學(xué)分析和數(shù)值模擬分析確定18205工作面軌道巷巷旁支護(hù)體的合理寬度為2.5m。

（3）工程實(shí)踐表明，確定的巷旁支護(hù)體采用錨桿和鋼筋網(wǎng)對(duì)墻體加固，巷旁支護(hù)體變形量小，服務(wù)期間表現(xiàn)穩(wěn)定，可以適應(yīng)頂板關(guān)鍵巖塊的移動(dòng)，能夠很好地支護(hù)頂板、維護(hù)巷道。

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