綜采工作面柔?；炷裂乜樟粝锪W(xué)模型分析與控制技術(shù)研究

楊旭明

（山西新景煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

1 工程概況

陽泉煤業(yè)新景礦3107綜采工作面位于525水平，工作面標(biāo)高583～550m，埋藏深度為496～671m。工作面走向長1384m，傾斜長172m，所采3#煤層平均厚度2.36m，平均傾角5°，總體賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，一般含1層夾石，煤層上方直接頂為1.11m的灰黑色砂質(zhì)泥巖，基本頂為6.17m的灰白色的細(xì)粒砂巖，直接底為2.48m的灰黑色砂質(zhì)泥巖，基本底為2.4m的灰黑色細(xì)粒砂巖。3207工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷為沿空留巷試驗巷道，巷道斷面為矩形，凈寬4.0m，凈高2.6m，走向長1384m，沿3#煤層底板掘進(jìn)。

2 柔?；炷裂乜樟粝锪W(xué)模型

由于巷旁支護體與實煤體幫共同承受上覆巖體的作用力，所以巷旁支護體的穩(wěn)定對沿空留巷的穩(wěn)定起決定性作用。把巷旁支護體在不同位置的幾種不同作用原理進(jìn)行歸納：

（1）工作面回采初期階段。煤層被采出后，巷旁支護起到支撐保護的作用，保證上層巖體受到足夠的支撐力，減少了圍巖的局部變形和破裂[1-2]。

頂板垮落階段。經(jīng)過工作面剛推階段，巷旁支護和周圍煤體共同承擔(dān)上部巖層的壓力，局部會產(chǎn)生較大的變形量，因此需要求巷旁的填充體不僅要具備一定的剛度，還要具備一定的延展性，在承受超過設(shè)計要求的壓力值時能夠具備較好的收縮能力。

（3）頂板趨于穩(wěn)定狀態(tài)階段。此時，由三部分共同承擔(dān)對上部巖層的支撐力，包括實煤體、巷旁支護體和煤矸石，要求巷旁支護體的阻力能夠使巷道上部巖體下沉量不至過大，同時使整體受力維持在平衡狀態(tài)。

柔?；炷吝B續(xù)墻具有一定的可縮性、支護阻力大等特性，能夠與沿空留巷巷道的圍巖變形相適應(yīng)，另外柔?；炷辆哂性鐝娍斓忍攸c[3-4]，根據(jù)柔?；炷料锱灾ёo的受力特征，并結(jié)合相關(guān)研究建立柔?；炷裂乜樟粝锏牧W(xué)模型如圖1所示。

圖1 柔?；炷裂乜樟粝锪W(xué)模型

通過分析圖1能夠建立力矩平衡和力的平衡方程式如式（1）：

式中：

Q-充填墻的荷載，MPa；

Bb-墻體內(nèi)側(cè)到煤壁的距離，m；

ξ、φ-系數(shù)；

γ-上覆每米懸臂巖塊的重量，kN/m；

x-墻體的寬度，m；

q-上覆巖層荷載，MPa；

Bc-墻外側(cè)懸頂距，m；

H-承載梁厚度，m；

BM-頂板斷裂線距煤壁的距離,m；

θ-基本頂斷裂線與垂直方向的夾角，°。

通過將式（1）進(jìn)行變換能夠得出充填墻體載荷的計算公式（2）：

式中各項符號的含義同上。根據(jù)3107綜采工作面的具體地質(zhì)情況確定巷旁充填體的支護厚度x=1m，Bb=4.5m，BM=1.3m，H=5m，θ=26 °，γ=25kN/m，Bc=1m，基于此對支護體的載荷進(jìn)行計算分析，當(dāng)外懸臂寬度為1m時，充填墻體的載荷Q=5.2MPa，當(dāng)墻外懸臂長度為4.5m時，巷旁支護體載荷Q=10.3MPa。

對于支護體承載能力的分析時，將單位厚度和長度均為1m的支護體視為軸心受壓的柱形模型，模型柱的計算如式（3）：

式中：

N2-巷旁支護體的承載能力，kN；

fc-混凝土的軸心極限抗壓強度，MPa；

A-截面面積，106mm2。

根據(jù)3107工作面的地質(zhì)情況可將模型短邊長視為1m，柱高為2.1m，構(gòu)件的長細(xì)比為2.1，C20標(biāo)號的混凝土fc=15.5N/mm2，構(gòu)件的穩(wěn)定性系數(shù)φ=1.0，據(jù)此能夠計算出巷旁支護體的承載能力N2=13950kN。據(jù)此可知對于3107工作面設(shè)計單位厚度和長度均為1m，采用C20標(biāo)號的混凝土?xí)r巷旁支護體的承載能力為13950kN，大于支護體所承受的荷載10300kN，并且充填墻體的承載能力為支護體所受載荷的1.4倍。因此采用單位厚度和長度均為1m，C20標(biāo)號的混凝土作為巷旁支護體時結(jié)構(gòu)安全。

3 沿空留巷支護設(shè)計與效果

3.1 圍巖控制方案

（1）巷道基本支護

3107工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷為矩形斷面，凈寬4.0m，凈高2.6m，沿3#煤層頂?shù)装寰蜻M(jìn)。根據(jù)對3213工作面的具體地質(zhì)條件進(jìn)行分析，初步確定巷道的支護方式為錨桿+錨索+W型鋼帶+金屬菱形網(wǎng)的形式。巷道頂板錨桿采用Φ20×2400mm高強錨桿，間排距為780×850mm，頂板錨索采用Φ17.8×7200mm的鋼絞線，間排距為2340×850mm，巷幫錨桿采用Φ18×1800mm的麻花錨桿，間排距為850×850mm。具體巷道支護參數(shù)如圖2所示。

（2）柔?；炷林ёo

根據(jù)3107工作面的地質(zhì)資料，并考慮到施工誤差與工作面推進(jìn)速度之間的關(guān)系，設(shè)計柔?；炷恋拈L度為兩種，分別為2m和3m的長度。另外為保證柔?；炷亮己玫慕禹斝Ч?，在巷旁充填體的高度方向預(yù)留出200mm的富余量。根據(jù)柔模混凝土的力學(xué)模型分析結(jié)果，確定柔?；炷恋母叨葹?.1m，厚度為1m。

圖2 3107工作面輔助運輸巷基本支護斷面圖

在進(jìn)行柔?；炷林ψ鳂I(yè)時，先架設(shè)柔模，并在柔模上預(yù)留出混凝土的灌注口，且設(shè)計的灌注口需帶有自封閉功能。當(dāng)進(jìn)行澆筑施工作業(yè)時將混凝土的灌注口插入到柔模內(nèi)部，當(dāng)澆筑作業(yè)完成后灌注口會自動封閉。為方便施工將灌注口設(shè)計在距離柔模底部1.5m的位置處。另外為提高柔模混凝土墻的承載力，在混凝土的內(nèi)部進(jìn)行植筋，并沿著柔模的高度方向上預(yù)設(shè)兩排錨栓孔。上下兩排孔間的間距為0.9m，下排錨栓孔距離柔模的底部為0.6m，錨栓孔之間的排距為1m。在柔模混凝土筑墻作業(yè)時要嚴(yán)格錨栓托盤間的距離為1m，以此確保充填體達(dá)到設(shè)計的厚度。具體柔?；炷恋某叽绾湾^栓的各項參數(shù)如圖3所示。

圖3 柔?；炷梁湾^栓布置位置示意圖

（3）臨時加強支護

3107工作面回采過程中，輔運巷的臨時加強支護的范圍為超前工作面30m以及之后工作面的100m范圍。采用“一梁三柱”的加強支護方式，棚距為1000mm，π型梁的長度為4000mm，單體支柱的型號為DW28～DW35。在臨時支護結(jié)束后，在構(gòu)筑的混凝土墻兩側(cè)打設(shè)兩排錨索進(jìn)行正式支護，錨索規(guī)格為Φ21.6×7200mm，預(yù)緊力大于250kN，排距為850mm。兩排錨索分別打設(shè)在留巷側(cè)和落山側(cè)，留巷側(cè)距離混凝土墻0.3m的位置打設(shè)一排錨索，在落山側(cè)距離混凝土墻0.2m的位置處打設(shè)一排錨索。具體工作面臨時加強支護如圖4所示。

圖4 3107工作面臨時加強支護示意圖

3.2 圍巖控制效果分析

在3107工作面輔運巷進(jìn)行沿空留巷后，采用十字布點法對留巷的圍巖變形量進(jìn)行觀測。在超前3107工作面回采位置180m的位置處布置礦壓監(jiān)測站，隨著工作面回采推進(jìn)進(jìn)行持續(xù)觀測。根據(jù)礦壓監(jiān)測所得數(shù)據(jù)，繪制成曲線如圖5所示。

圖5 輔運巷留巷期間圍巖變形曲線圖

通過分析圖5可知，隨著工作面回采作業(yè)的推進(jìn)，沿空留巷圍巖的變形量在逐漸增大。在沿空留巷巷道滯后工作面130m的位置，巷道圍巖的變形量逐漸趨于穩(wěn)定，此時兩幫的移近量為165mm，靠近實體煤幫側(cè)的頂?shù)装逡平繛?15mm，巷旁充填墻側(cè)的頂?shù)装逡平繛?38mm。在沿空留巷距離回采工作面0～45m的范圍內(nèi)，巷道圍巖的變形速率增大趨勢較為明顯，其中兩幫的最大移近速度為5mm/d，頂?shù)装宓淖畲笠平俣葹?.5mm/d。在距離工作面超過50m的范圍后，留巷圍巖受到頂板活動的影響逐漸減弱，圍巖的變形速率逐漸減小，并且在滯后工作面130m的位置處，圍巖的移近速度小于1mm/d，沿空留巷圍巖基本達(dá)到穩(wěn)定。

基于上述分析可知，3107工作面輔運巷沿空留巷期間在現(xiàn)有支護手段下工作面前方圍巖變形量較小。頂?shù)装宓淖畲笠平繛?72mm，兩幫最大移近量為160mm，頂?shù)装逡平颗c兩幫移近量相差最大處僅為12mm，滿足留巷巷道的使用要求。

4 結(jié)論

根據(jù)柔?；炷料锱灾ёo的受力特征，建立柔?；炷裂乜樟粝锏牧W(xué)模型，得出充填墻體所受載荷的計算公式，結(jié)合3107工作面的具體地質(zhì)情況確定巷旁充填體單位厚度和長度為1m，采用C20標(biāo)號的混凝土作為充填體，并對沿空留巷的圍巖控制技術(shù)的各項參數(shù)進(jìn)行具體設(shè)計。根據(jù)礦壓監(jiān)測結(jié)果得知，圍巖控制方案實施后，頂?shù)装宓淖畲笠平繛?72mm，兩幫最大移近量為160mm，保障了沿空留巷圍巖的穩(wěn)定。