緩傾斜綜放工作面沿空留巷圍巖控制技術(shù)研究

任 貴 成

（孝義市自然資源局，山西 呂梁032300）

1 工程概況

山西汾西正幫煤業(yè)11101 工作面所采煤層為11# 煤層，屬穩(wěn)定可采厚煤層，結(jié)構(gòu)復雜，煤層結(jié)構(gòu)1.20（0.20）3.03，煤層總厚為3.80～4.80m，平均厚度為4.43m，煤層傾角0～21°，平均傾角為12°，為緩傾斜煤層，工作面對應(yīng)位置地面標高+1238m～+1359m，井下位于+910m 水平，采用綜放開采，滾筒割煤高度為2.5m，采放比1：0.78。11101 工作面位于一采區(qū)左翼，11101 軌道巷西北側(cè)實體間隔19.1m為11102 運輸巷，11101 軌道巷掘進斷面為倒梯形，巷道寬度為4.6m，左側(cè)巷幫高度為3.27m，右側(cè)高度為1.6m，沿11# 煤層底板掘進，巷道頂?shù)装鍘r性特征詳見表1，現(xiàn)欲將11101 軌道巷留作11102 工作面的專用回風巷使用，基于此展開相關(guān)研究。

表1 11#煤頂?shù)装鍘r性特征表

2 旁巷支護體參數(shù)研究

2.1 巷旁支護體載荷預算

現(xiàn)階段采用柔模泵注混凝土巷旁支護沿空留巷技術(shù)已非常成熟，該技術(shù)具有強度高、施工速度快、成本相對較低等優(yōu)點[1]，故設(shè)計在11101 軌道巷采用柔?；炷吝B續(xù)墻作為巷旁支護體。充分考慮煤層傾角的影響，建立圖1 所示的覆巖結(jié)構(gòu)和計算模型。

圖1 沿空留巷礦壓計算模型

沿空巷道頂板巖層力矩平衡：

則巷旁充填體對于頂板的支撐力q 需滿足：

式中：q 為巷旁充填體承受的壓力，單位：kN/m2；X 為巷旁充填體寬度，單位：m；L 為巷道頂板巖塊長度，單位：m；bB- 巷道寬度，單位：m；bc為巷旁充填體外頂板懸露長度，單位：m；Σh 為煤層厚度，單位：m；H 為巷道頂板垮落厚度，單位：m；H 為頂煤厚度，單位：m；γA為煤體容重，單位：kN/m3；γB為頂板巖層容重，單位：kN/m3；θ 為頂板巖層剪切角，單位：°；α 為煤層平均傾角，單位：°。

根據(jù)正幫煤業(yè)11101 工作面詳細的地質(zhì)條件，參考臨近礦井的生產(chǎn)實例，假設(shè)巷旁充填體的寬度為1.2m，巷道寬度為3.4m，巷旁充填體靠近采空區(qū)側(cè)頂板懸露長度為0.8m，巷道頂板巖塊長度L=bB+x+bc=5.4m，煤體容重為14kN/m3，頂板巖層容重為26.5kN/m3，煤層厚度為4.43m，頂煤厚度為1.93m，頂板垮落高度為8 倍煤層厚度，為35.44m，頂板巖層剪切角為27.5°，煤層傾角為12°，將以上詳細的參數(shù)代入式（2）計算可得巷旁支護體承受壓力q=7.25MPa。根據(jù)11101 軌道巷的實際情況，巷道頂?shù)装鍍A斜角度為12°，巷旁支護體給予頂板的支承力垂直于頂板巖層，則支護體在水平方向和豎直方向所需承受的壓力為：

則單位長度充填體上需承受的垂直和水平應(yīng)力分別為：

巷旁支護體所受到的壓力主要來源于巷道頂板巖層的回轉(zhuǎn)下沉，工作面采動和老頂下沉均會形成一定的動壓，根據(jù)現(xiàn)有研究所得到的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，巷道頂板下沉動載系數(shù)為1.6，則支護體在垂直方向和水平方向最大載荷為：

2.2 巷旁支護體基本參數(shù)設(shè)計

11101 軌道巷設(shè)計采用柔模泵注混凝土巷旁支護，根據(jù)上文計算的載荷對巷旁充填的詳細參數(shù)進行設(shè)計，充填體寬度計算公式[2]：

式中：w 為充填體寬度，單位：m；k1為充填體強度降低系數(shù)，單位：1：；k2為動壓影響系數(shù)，單位：1；K3為安全系數(shù)，單位：1；S 為混凝土強度，單位：MPa；

11101 軌道巷巷旁充填采用C30 混凝土，強度為30MPa，安全系數(shù)取2，動壓影響系數(shù)為1.6，墻體強度降低系數(shù)取0.25，將以上參數(shù)代入計算的w=1.17m，參考相似條件礦井實踐經(jīng)驗及效果，取充填體寬度為1.2m。

11101 軌道巷原設(shè)計斷面尺寸為4.6×2.2（3.27）m，高幫側(cè)高度為3.27m，11101 工作面采用“三八”制，工作面每天推進2.4m，為便于施工設(shè)計柔模長度為2.4m，每天澆筑充填體的長度為2.4m。11101 軌道巷為倒梯形斷面，工作面回采側(cè)煤幫高度為3.27m，頂板傾角為12°，留巷內(nèi)側(cè)墻體高度為3.02m，工作面回采后頂板會凹凸不平，為了取得更好的接頂效果，強度高度預留0.3m 的富余量，故設(shè)計柔模的高度為3.3m(巷道內(nèi)側(cè))和3.6m 巷道外側(cè)，柔模袋的截面為梯形，尺寸長寬高為2.4×1.2×3.3（3.6m）。巷旁澆筑采用C30 混凝土，抗壓強度標準值fc=20N/mm2（20MPa），為進一步提高充填體的承載力，每個柔模在高度方向布置4 個錨栓孔，最下部的距巷道底板0.3m，錨栓孔間距為800mm，排距為800mm，每個柔模布置3 排，兩側(cè)的距邊界400mm，錨栓采用Φ20×1300mm 的高強螺紋鋼，澆筑時控制錨栓兩端托盤間距為1200mm。

2.3 巷旁充填體承載力驗算

內(nèi)置錨栓巷旁澆筑支護體承載力的計算公式[3]：

式中：N2為巷旁充填體承載能力，單位：kN/m；σr為錨栓軸向有效約束力，MPa；fc為混凝土抗壓強度標準值，單位：N/mm2；d 為錨栓直徑，單位：mm；σb為錨栓單軸抗拉強度設(shè)計值，單位N/mm2；Acor為錨栓環(huán)向包裹內(nèi)截面面積，Acor=bh；a1, a2- 錨栓的間排距，單位：mm。

11101 軌道巷沿空留巷充填體加固錨栓直徑為20mm，錨栓單軸抗拉強度設(shè)計值為300MPa，間排距為800mm，C30 混凝土強度標準值30MPa，Acor=1.2×103，帶入式（6） 計算得錨栓的約束力為0.158MPa，帶入式（7）得混凝土墻的承載能力為33548.7kN/m，巷道頂板給予巷旁充填體最大的壓力為12892.8kN/m，安全系數(shù)為2.6，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗及相關(guān)標準，安全系數(shù)大于1.2 即滿足要求，因此設(shè)計的巷旁支護能夠滿足安全生產(chǎn)的要求。

3 沿空留巷數(shù)值模擬研究

3.1 11101 軌道巷巷內(nèi)支護詳情

11101 軌道巷巷內(nèi)基本支護采用錨網(wǎng)索支護，頂板錨桿規(guī)格為Φ20×2500mm 的螺紋鋼錨索，間排距為850×800mm，靠近回采幫的錨桿向采空區(qū)傾斜15°施工，其余垂直頂板安裝，頂板錨索采用規(guī)格為Φ18.9×6800mm 的預應(yīng)力鋼絞線，采用“二三二”布置方式，間排距為1700×800mm，靠近回采幫的錨桿向采空區(qū)傾斜15°安裝，其余垂直頂板施工；回采幫錨桿規(guī)格為Φ20×2200mm，每排4 根，非回采幫錨桿規(guī)格Φ22×2400mm，每排3 根，間排距均為800×800mm，均垂直煤壁施工，非回采幫距離底板1600mm 處施工一根Φ18.9×5200mm 的錨索，排距為1600mm。11101 軌道巷支護詳情見圖2所示。

圖2 11101 軌道巷巷內(nèi)支護示意圖

3.2 留巷效果模擬研究

為具體的研究11101 軌道巷采用柔模混凝土澆筑巷旁充填體沿空留巷技術(shù)的可行性和效果，依據(jù)工作面詳細的地質(zhì)條件建立FLAC3D 三維數(shù)值模型[4]，模擬分析工作面回采期間沿空巷道的圍巖穩(wěn)定性，得到圖3 所示的結(jié)果。根據(jù)圖3（a）所示結(jié)果可知，11101 軌道巷掘巷和采動影響下，僅淺部圍巖出現(xiàn)明顯的塑性破壞，留巷后非回采幫頂角處圍巖塑性破壞區(qū)略有增大，但未超出錨桿的有效錨固范圍；根據(jù)圖3（b）所示結(jié)果可知，工作面前方11101 軌道巷圍巖位移量很小且穩(wěn)定，留巷后巷道變形逐漸增大，最終穩(wěn)定在合理范圍內(nèi)，且錨桿和錨索錨固區(qū)離層量穩(wěn)定；綜上可得，11101 軌道巷采用柔模泵注混凝土巷旁支護預計將取得良好的圍巖控制效果。

圖3 初次采動影響下圍巖穩(wěn)定性模擬結(jié)果

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

11101 軌道巷留巷期間圍巖位移監(jiān)測結(jié)果如圖4 所示，與數(shù)值模擬結(jié)果類似，采煤工作面前方巷道圍巖穩(wěn)定，基本無明顯的圍巖，留巷支護完成后，前期圍巖位移迅速增大，而后變形速度逐漸減小并趨近于零，頂板相對移近量最大達283mm，兩幫移近量最大達305mm，均處于安全允許范圍內(nèi)，經(jīng)過簡單的維護修復后可以很好的復用。

圖4 11101 軌道巷圍巖位移規(guī)律

5 結(jié) 論

為保證正幫煤業(yè)11101 軌道巷沿空留巷期間圍巖的穩(wěn)定，通過理論分析、數(shù)值計算對柔模泵送混凝土巷旁充填體具體的參數(shù)進行設(shè)計，充填體的寬度確定為1.2m，單個柔模長度為2.4m，加固錨栓間排距為800mm，數(shù)值模擬研究結(jié)果表明該方案的合理性和可行性，工程應(yīng)用期間進行圍巖位移現(xiàn)場監(jiān)測，頂板相對移近量最大達283mm，兩幫移近量最大達305mm，11101 軌道巷留巷期間圍巖位移處于合理范圍內(nèi)，取得了良好的支護效果，最終成功的應(yīng)用了沿空留巷技術(shù)。