淺埋煤層柔?；炷裂乜樟粝镏ёo(hù)穩(wěn)定性分析

姜圣賢

（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司五陽煤礦，山西 長(zhǎng)治 046205）

0 引言

五陽煤礦的探礦范圍東西長(zhǎng)約9.5 km，南北寬度為7.5 km，總面積達(dá)64.81 km2。整個(gè)煤礦的設(shè)計(jì)可開采煤礦資源儲(chǔ)存量為171.7 Mt，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力值達(dá)到了3.00 Mt，總服務(wù)年限為42 a。五陽煤礦處于南景風(fēng)井工業(yè)場(chǎng)區(qū)當(dāng)中，運(yùn)用了立井開拓結(jié)構(gòu)，整個(gè)煤礦開采區(qū)域的占地面積為0.246 km2，在該區(qū)域當(dāng)中共設(shè)置了一個(gè)南陵進(jìn)風(fēng)立井，一個(gè)南嶺回風(fēng)立井。在對(duì)面的輔助基礎(chǔ)設(shè)施當(dāng)中設(shè)立了聯(lián)合建筑調(diào)度指揮中心變電站、水處理站以及燃?xì)忮仩t房等，該輔助場(chǎng)地自東向西，全程長(zhǎng)度為0.7 km，同時(shí)在進(jìn)場(chǎng)道路和208國道之間進(jìn)行銜接。進(jìn)風(fēng)口的立井井筒直徑大小為8.8 m，井體的凈斷面面積為60.82 m2，井筒的總長(zhǎng)度為804.3 m。在進(jìn)風(fēng)立井井筒當(dāng)中共設(shè)置了一套雙層加寬的罐籠、一套雙層窄罐籠，并且配備了兩套動(dòng)力提升設(shè)備，在煤層內(nèi)部有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器，設(shè)置了一趟φ219消防灑水管道，主要負(fù)責(zé)整個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)工作人員設(shè)備以及材料的提升工作任務(wù)，并且在主要的進(jìn)風(fēng)口區(qū)域設(shè)置了相應(yīng)的安全出口。

1 淺埋煤層沿空留巷數(shù)值模擬

1.1 模型建立

通過建立企業(yè)模型計(jì)算對(duì)不同的煤礦巷道支護(hù)方案進(jìn)行分析，結(jié)合該煤礦巷道的塑性分布條件，將圍巖條件設(shè)置成各向同性質(zhì)的彈性介質(zhì)，建立數(shù)值模型并進(jìn)行計(jì)算，在整個(gè)巖層的高度上設(shè)置模型為200 m×100 m。為了有效提高整個(gè)計(jì)算結(jié)果的精確性，在沿空巷道的周圍區(qū)域運(yùn)用了密集網(wǎng)格來進(jìn)行設(shè)定，在沿空巷道網(wǎng)格密度上設(shè)置為逐漸下降的趨勢(shì)，同時(shí)在巷道周邊的網(wǎng)格當(dāng)中，共設(shè)置了8 460個(gè)不同的構(gòu)成模塊。在該模塊當(dāng)中主要以邊界作為地標(biāo)，周邊模型下方設(shè)定了邊界固定左右水平位移之間保持穩(wěn)定，模擬操作建立原始的力場(chǎng)巷道開挖以及使用錨索進(jìn)行支護(hù)和回采過程，在混凝土墻的計(jì)算和監(jiān)測(cè)過程當(dāng)中，重點(diǎn)針對(duì)混凝土墻體的應(yīng)力大小進(jìn)行模擬和分析。

1.2 計(jì)算結(jié)果及分析

沿空巷道的剛性墻體支護(hù)工作當(dāng)中，主要是將柔?；炷翂ψ鳛橐环N剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，該墻體的壓縮量可以被忽略不計(jì)［1-4］。在煤層正式開放之后對(duì)墻體所產(chǎn)生的形變和釋放的時(shí)間進(jìn)行忽略，直接對(duì)整個(gè)混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，瞬時(shí)達(dá)到整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的墻體支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，混凝土墻的應(yīng)力集中比較明顯，其中最大的垂直應(yīng)力達(dá)到了30 MPa，超過了總設(shè)計(jì)強(qiáng)度的C20等級(jí)強(qiáng)度，支護(hù)強(qiáng)度不能達(dá)到相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)要求，頂板的最大位移量為50 mm，同時(shí)在沿空相對(duì)的剛性垂直面上位移變化如圖1所示。

圖1 沿空巷道剛性墻體垂直應(yīng)力與位移

將混凝土支護(hù)墻直接作為一種可壓縮性結(jié)構(gòu)，在距混凝土墻的頂部0.2 m的距離范圍內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的緩沖層，同時(shí)將混凝土的彈性模量直接降低到原有的0.1%，其他的數(shù)據(jù)保持不變。通過模擬分析可以看出，混凝土墻的應(yīng)力集中現(xiàn)象相對(duì)比較明顯，同時(shí)最大的垂直應(yīng)力大小下降到10～15 MPa，應(yīng)力大小低于50%，整個(gè)設(shè)計(jì)強(qiáng)度小于支護(hù)結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度，頂板的最大位移量設(shè)置為150 mm，整個(gè)沿空巷道和墻體之間的水平應(yīng)力所產(chǎn)生的位移變化如圖2所示。

圖2 沿空巷道讓壓墻體垂直應(yīng)力與位移

在回采工作完成之后，運(yùn)用剛性混凝土墻來進(jìn)行支護(hù)操作。在混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)彈性模量之后，可以看出整個(gè)混凝土墻所產(chǎn)生的壓縮性相對(duì)較小，基本上沒有過多的可壓縮空間，在此過程中混凝土墻體所受到的壓力大小保持在30 MPa以上。墻體產(chǎn)生的破壞問題不利于整個(gè)煤礦巷道的穩(wěn)定性和安全性，因此，為充分保證整個(gè)墻體的支護(hù)能力符合煤礦開采工作的安全標(biāo)準(zhǔn)，混凝土墻的支護(hù)強(qiáng)度需要在2 h范圍內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度的60%以上［5-8］。依照模擬支護(hù)計(jì)算結(jié)果，其中墻體施工混凝土材料選擇C20等級(jí)，可以滿足整個(gè)工程的施工標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)在2 h內(nèi)其強(qiáng)度可以達(dá)到12 MPa以上，在6～7 h的時(shí)間段內(nèi)整個(gè)混凝土墻的結(jié)構(gòu)需要達(dá)到C20等級(jí)的支護(hù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。

2 沿空留巷支護(hù)穩(wěn)定性分析

2.1 原巷支護(hù)

在五陽煤礦工作面的開采過程當(dāng)中，其中運(yùn)輸巷的寬度設(shè)定為5.5 m，高度為2.1 m，使用的是鋼網(wǎng)索支護(hù)方式，錨索的規(guī)格設(shè)定為15 mm×5 000 mm，間排之間的距離設(shè)定為3 m×3 m，每間隔兩根錨索的距離進(jìn)行一次設(shè)定。煤礦巷道的內(nèi)部支護(hù)結(jié)構(gòu)都采用的是516 mm×1 800 mm一次性的支護(hù)錨桿，該支護(hù)錨桿在頂部區(qū)域共設(shè)置了一排6根，形成一種對(duì)稱分布，錨桿的間排距離設(shè)定為1 m，近距分別設(shè)定為1.1 m、1.2 m和1.5 m，托盤選擇規(guī)格為120 mm×120 mm×80 mm的鋼筋托盤，鋼筋網(wǎng)片的規(guī)格設(shè)定為6.5 mm×1 200 mm×5 000 mm。

2.2 錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

由于原煤礦巷道內(nèi)部的支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不符合標(biāo)準(zhǔn)，因此需要對(duì)沿空巷道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，其中使用的是22 mm×6 500 mm的錨索，共設(shè)定了一排4根，深度設(shè)定為1.5 m和2.5 m，使用230 mm×3 mm的鋼索進(jìn)行連接。配鋼托板的規(guī)格設(shè)定為300 mm×300 mm×15 mm，通過預(yù)應(yīng)力測(cè)量，整個(gè)加固結(jié)構(gòu)符合沿空留巷支護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)要求。為了充分保證頂板錨索不會(huì)受到壓力的破壞，在每一個(gè)端頭的頂部區(qū)域范圍內(nèi)共設(shè)置了2個(gè)4.5 m長(zhǎng)度的長(zhǎng)梁結(jié)構(gòu)，同時(shí)在巷道設(shè)置當(dāng)中對(duì)量體兩端的區(qū)域設(shè)置為可移動(dòng)式結(jié)構(gòu)。

2.3 巷旁支護(hù)

在巷道旁邊支護(hù)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，主要使用的是柔模混凝土墻支護(hù)結(jié)構(gòu)，在支護(hù)結(jié)果當(dāng)中混凝土墻的厚度設(shè)定為1 m，標(biāo)號(hào)為C20，在支護(hù)墻體當(dāng)中設(shè)定了20 mm×1 100 mm的錨桿。同時(shí)在錨桿的兩端各自設(shè)定了150 mm×150 mm×10 mm的托板來進(jìn)行加固，錨桿相互之間的間距設(shè)定為0.9 m×1.5 m。在進(jìn)行柔?；炷翂Φ氖┕み^程當(dāng)中，將混凝土墻的高度設(shè)定為2.5 m，并且按3 m或2 m長(zhǎng)度劃分成一個(gè)支護(hù)模塊，柔性混凝土模板具有良好的透水性、自成型、支護(hù)速度較快以及不回收等特性。在實(shí)際的制作過程中，對(duì)尺寸的要求標(biāo)準(zhǔn)較高，柔?；炷两Y(jié)構(gòu)為自密實(shí)性混凝土材料。在實(shí)際的使用過程當(dāng)中所使用的材料配置主要分為碎石、砂石、水泥以及粉煤灰等各種不同的外加劑，通過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)配比充分混合之后，使用混凝土泵直接進(jìn)行材料輸送，在整個(gè)材料的物理學(xué)性能上達(dá)到了支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力要求［9-12］。在實(shí)際的施工過程當(dāng)中，混凝土的運(yùn)輸距離超過了400 m，同時(shí)在施工過程中的沿空巷道1 500 m范圍之內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)管道堵塞的不良問題，同時(shí)在混凝土材料在1 h、2 h、3 h范圍內(nèi)，分別達(dá)到了10 MPa、15 MPa、20 MPa的強(qiáng)度。在柔性混凝土的40 min泵注施工當(dāng)中，柔模混凝土墻體在澆筑完成之后，充分滿足了整個(gè)煤礦回采的速度要求，以此來保證整個(gè)巷道支護(hù)工作的穩(wěn)定性。

2.4 臨時(shí)支護(hù)

在沿空巷道的臨時(shí)支護(hù)工作中，由于受到煤礦劇烈開采的影響，在工作中前后方的某一段區(qū)域會(huì)隨著工作面開采距離的增加，采動(dòng)所形成的干擾在不斷降低。因此，不需要對(duì)整條煤礦巷道都按照最強(qiáng)烈的振動(dòng)要求來進(jìn)行加固和支護(hù)，只需要進(jìn)行臨時(shí)性支護(hù)結(jié)構(gòu)則可以完成標(biāo)準(zhǔn)要求，在臨時(shí)性支護(hù)結(jié)構(gòu)當(dāng)中主要使用的是單體11號(hào)工字鋼梁支護(hù)結(jié)構(gòu)，距離為1 m，臨時(shí)支護(hù)長(zhǎng)度為150 m。

3 結(jié)論

（1）在36～150 m范圍內(nèi)的淺埋煤層的支護(hù)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，需要設(shè)定支護(hù)墻體的厚度在1 m以上，通過這種設(shè)計(jì)方式可以有效地避免整個(gè)頂板出現(xiàn)壓碎等問題。

（2）依照壓力觀測(cè)，混凝土的壓力最大值為10 MPa時(shí)，整個(gè)支護(hù)安全系數(shù)可符合安全支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）使用超前工作面的補(bǔ)打錨索時(shí)，頂板圍巖下沉量達(dá)到20 mm，并且在未澆筑的柔模墻區(qū)域、沿空巷道內(nèi)部都應(yīng)進(jìn)行超前工作面加固施工。