柔?；炷裂乜樟粝锛夹g(shù)研究與應(yīng)用

（山西坤龍煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 03300)

1 工程概況

坤龍煤業(yè)4102綜采工作面位于+849水平，埋藏深度為450～490m，工作面主采4#煤層，煤層厚度為1.62～2.88m，均厚2.5m，平均傾角6°，4#煤層頂?shù)装迩闆r見表1。4102工作面第一輔助進(jìn)風(fēng)巷采用沿空留巷技術(shù)方案。

表1 4#煤層頂?shù)装逄卣?/p>

2 巷內(nèi)圍巖支護(hù)原理

2.1 留巷圍巖控制關(guān)鍵部位

由于沿空留巷會受到兩次超前采動應(yīng)力的影響，巷道塑性區(qū)及破碎區(qū)的范圍較大，因此對于巷道圍巖的控制難度較大。當(dāng)留巷工作面回采時(shí)，在工作面超前采動應(yīng)力的作用下，工作面上方基本頂會在工作面后方的實(shí)體煤側(cè)發(fā)生第一次破斷。隨著工作面的向前推進(jìn)，基本頂初次來壓會形成“O-X”破斷，周期來壓時(shí)工作面端頭會形成弧形三角塊，當(dāng)弧形三角塊到達(dá)極限跨度時(shí)，此時(shí)巷旁充填體的支撐作用較小，此時(shí)弧形三角塊會在實(shí)體煤側(cè)發(fā)生第一次破斷，形成關(guān)鍵塊B[1]見圖1（a）。

隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn)，采空區(qū)范圍會進(jìn)一步增大，基本頂會進(jìn)一步向采空區(qū)垮落的矸石移動，當(dāng)巷旁充填體達(dá)到最大承載力時(shí)，關(guān)鍵塊B達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度，關(guān)鍵塊B會沿著采空區(qū)側(cè)發(fā)生再次切斷，形成位于巷道上方的關(guān)鍵塊B1和位于采空區(qū)的關(guān)鍵塊B2，關(guān)鍵塊B發(fā)生第二次破斷時(shí)，巷道的變形量將進(jìn)一步增大，但當(dāng)關(guān)鍵塊B破斷成關(guān)鍵塊B1和B2時(shí)，更上方的巖層會在采空區(qū)側(cè)觸矸而迅速的趨于穩(wěn)定狀態(tài)，這樣就會大大的減小上覆巖層對于沿空巷道的影響，從而使得沿空巷道位于低應(yīng)力區(qū)域，使得沿空留巷圍巖變形量較小，有利于巷道的維護(hù)見圖1（b）?；谏鲜龇治隹芍?，在進(jìn)行沿空留巷作業(yè)時(shí)，圍巖控制的關(guān)鍵部位即為充填區(qū)域上方頂板的巖層。

式中:q為巷旁充填體的載荷，kN/m；bB為巷旁充填體內(nèi)側(cè)到煤幫的距離，即4102第一輔助進(jìn)風(fēng)巷的寬度，取4.3 m；x為巷旁充填體的寬度，m；θ為剪切角，根據(jù)相關(guān)礦井留巷經(jīng)驗(yàn)，選取26°；bC為巷旁充填體外側(cè)懸頂距，取1m，承載梁的最大長度等于一個(gè)周期來壓步距，巷旁充填體外側(cè)懸頂距=承載梁長度-伸入煤壁長度-留巷寬度-墻體寬度；γB為頂板分離巖塊容重，根據(jù)頂板巖石的巖性，容重取26 kN/m3；h為采高，取2.5 m。

將單位長度為1000 mm，厚度為1200 mm的巷旁充填體視為軸心受壓柱模型，模型柱的高度為2.5m，構(gòu)件的高長比為2.5/1=2.5，通過查閱相關(guān)資料可得構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)為1。

圖1 巷道圍巖變形破壞

式中：N為混凝土墻體的承載能力；φ為混凝土構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，取1.0；fc為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，C30混凝土?xí)rfc為15.8MPa，A為混凝土墻體的截面面積，1200 mm×1000 mm[3]。

由式（2）計(jì)算可得混凝土墻體的承載能力為：

N=0.9×1.0×15.8×1200×1000=16740 kN

結(jié)合坤龍煤業(yè)4102工作面的具體地質(zhì)條件，并基于式（1）和（2）計(jì)算得出，巷旁充填體承受圍巖壓力為4671 kN/m；墻體的承載能力N=16740 kN，遠(yuǎn)大于作用在墻體上的最大載荷4671 kN，理論計(jì)算安全系數(shù)為3.6，因此可視寬度為1.2m的巷旁充填體支護(hù)強(qiáng)度滿足安全要求，同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)需要最終確定巷旁充填體的寬度為1.2 m。

2.2 巷旁支護(hù)阻力分析

3 沿空留巷圍巖控制技術(shù)

傳統(tǒng)沿空留巷巷旁支護(hù)體荷載計(jì)算采用“分離巖塊法”，該方法的理論依據(jù)是，沿空巷道和支護(hù)體上方一定范圍內(nèi)分離巖塊的重量構(gòu)成了隔離墻載荷，上覆巖層可能在一定高度上產(chǎn)生離層，導(dǎo)致巖塊沿煤壁以θ角斷裂，成為隔離墻的載荷，計(jì)算模型見圖2[2]。

3.1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

圖2 沿空留巷礦壓計(jì)算模型

(1)基本支護(hù)

4102工作面第一輔助進(jìn)風(fēng)巷的斷面為矩形，凈寬×凈高=4000 mm×2600 mm，巷道沿著煤層底板掘進(jìn)，巷道內(nèi)的基本支護(hù)為錨網(wǎng)索支護(hù)；頂板錨桿采用Φ20 mm×2400 mm螺紋鋼錨桿，間排距為780 mm×850 mm，錨桿托盤為140 mm×120 mm×10 mm的槽型托盤；錨索采用Φ17.8 mm×7200 mm的1×7股鋼絞線，間排距為780 mm×850 mm；巷道幫部錨桿采用Φ18 mm1800 mm麻花錨桿，設(shè)置間排距為850 mm×850 mm；巷道基本支護(hù)形式見圖3。

圖3 巷內(nèi)基本支護(hù)

（2)巷旁支護(hù)

在4102工作面回采期間，滯后工作面約10 m進(jìn)行臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)及構(gòu)筑柔?；炷翂ψ鳂I(yè)，第一輔助進(jìn)風(fēng)巷沿空留巷的寬度為4300 mm，根據(jù)上述理論計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)巷旁支護(hù)體寬度為1200 mm，高度為2500 mm。采用C30 柔?；炷?，以2 m長為1個(gè)模塊。柔?；炷翂?nèi)預(yù)置Φ20 mm×1300 mm的高強(qiáng)螺紋鋼錨栓，托板的尺寸參數(shù)為150 mm×150 mm×10 mm，兩端絲扣的長度為100 mm，錨栓的間排距為750 mm×1000 mm，同時(shí)將混凝土高度內(nèi)的4根錨栓用鋼帶連接在一起，并在鋼帶背部掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片，柔?；炷翂ι系闹ёo(hù)形式見圖4。

圖4 巷旁支護(hù)柔模墻體結(jié)構(gòu)

（3)加強(qiáng)支護(hù)

在留巷期間為有效控制巷道圍巖的變形量，在超前工作面30 m及滯后工作面100m范圍內(nèi)采用“一梁三柱”進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，棚距為1000 mm，π型鋼梁長度為4000 mm，單體支柱的型號為DW28～DW35[4]。根據(jù)前文分析可知，巷道圍巖控制的主要區(qū)域?yàn)槌涮顗w上方頂板巖層。因此，臨時(shí)支護(hù)結(jié)束后，在構(gòu)筑的混凝土墻兩側(cè)各打設(shè)1排錨索進(jìn)行正式支護(hù)，在留巷側(cè)距離混凝土墻0.59m的位置打設(shè)1排錨索，在落山側(cè)距離混凝土墻1.6m的位置處打設(shè)1排錨索，錨索規(guī)格為：Φ21.6 mm×7200 mm，錨索預(yù)緊力要求不小于250 kN，排距850 mm見圖5。

留巷作業(yè)操作流程為：鋪網(wǎng)→割煤→移機(jī)尾過渡支架、擋矸支架→架后落山側(cè)臨時(shí)支護(hù)→架后正式支護(hù)→校對中線→支?！米⒒炷粒ǖ?小時(shí)墻體凝固達(dá)到設(shè)計(jì)支撐強(qiáng)度）→拉移支撐支架→留巷滯后支護(hù)。

圖5 4102工作面永久加強(qiáng)與臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)

3.2 效果分析

為有效分析沿空留巷圍巖的控制效果，從4102工作面切眼開始，在距離切眼10～110m的范圍內(nèi)每隔10 m布置一個(gè)測點(diǎn)，以后每隔50 m布置一個(gè)，連續(xù)布置10個(gè)，對巷道圍巖變形量進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，圍巖變形情況—距工作面距離關(guān)系曲線見圖6。

圖6 沿空留巷圍巖變形曲線

分析圖6可知，沿空留巷期間巷道圍巖的變形可大致分為三個(gè)階段，第一階段為監(jiān)測點(diǎn)滯后工作面0～10m的范圍，在該階段巷道基本頂受到單體支柱、實(shí)體煤及前方煤體的支撐未出現(xiàn)破壞，此階段圍巖變形相對平緩，該階段圍巖的最大移近速率為10 mm/d；第二階段為監(jiān)測點(diǎn)滯后工作面10～60m的范圍，在該階段巷道圍巖的變形速度相對較大，其中兩幫及頂?shù)装宓淖畲笞冃嗡俾史謩e為18 mm/d和22.8 mm/d，該階段頂?shù)装搴蛢蓭鸵平糠謩e達(dá)到398 mm和318 mm；第三階段為監(jiān)測點(diǎn)滯后工作面60 m后，此時(shí)巷道圍巖基本穩(wěn)定，此時(shí)巷道兩幫及頂?shù)装宓淖冃嗡俾示档椭?.3 mm/d；基于上述分析可知，在現(xiàn)有支護(hù)方式下沿空留巷圍巖變形量滿足巷道的安全使用要求。

4 結(jié)語

1）根據(jù)沿空留巷巷內(nèi)支護(hù)原理可知，留巷時(shí)上覆巖層的關(guān)鍵塊B會發(fā)生兩次破斷，且留巷時(shí)對圍巖控制有著重要影響的關(guān)鍵部位為充填區(qū)域上方頂板的巖層。

2）由分離巖塊法計(jì)算可得，巷旁充填體的寬度為1.2m時(shí)，能夠滿足安全的要求。

3）結(jié)合4102工作面的具體地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)巷旁支護(hù)體寬度為1.2m，在此基礎(chǔ)上，對沿空留巷的基本支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)及補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)。

4）礦壓監(jiān)測結(jié)果表明，現(xiàn)有支護(hù)方式下，沿空留巷-4102工作面第一輔助進(jìn)風(fēng)巷頂?shù)装寮皟蓭妥畲笠平糠謩e為398 mm和318 mm，滿足巷道的安全使用要求。