傾斜煤層沿空留巷巷旁柔模混凝土墻體寬度設(shè)計

顧國民

(四川廣旺能源發(fā)展(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 四川 廣元 628000)

隨著我國傾斜煤層深部開采強度的增加，沿空留巷技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。在傾斜煤層中，沿空留巷技術(shù)采用巷旁柔?；炷翂w支護(hù)頂板控制圍巖穩(wěn)定的方式不僅可以節(jié)省掘巷成本，而且高效回收了傳統(tǒng)留巷方式中留設(shè)的保護(hù)煤柱。合理的柔?；炷翂w寬度對于維持巷道穩(wěn)定和材料的高效應(yīng)用具有重要意義。

文獻(xiàn)[1-3]闡明了沿空留巷巷旁支護(hù)技術(shù)是指上區(qū)段工作面回采完成后，通過巷旁支護(hù)體加強支護(hù)隔離采空區(qū)，保留上區(qū)段工作面運輸巷作為下區(qū)段工作面回采時回風(fēng)巷的一種支護(hù)技術(shù)，從而節(jié)省了一條巷道的掘進(jìn)時間和成本；魏有貴等[4]通過建立力學(xué)模型分析了沿空留巷柔模支護(hù)技術(shù)的工作原理；陳勇等[5]通過理論計算和數(shù)值模型得到了巷旁支護(hù)體的作用機制，認(rèn)為巷旁支護(hù)體具有快速增阻的力學(xué)特性，可有效保持直接頂?shù)姆€(wěn)定性和承載能力；柏建彪等[6]研究認(rèn)為，采用機械設(shè)備澆筑得到的巷旁支護(hù)充填體具有較高的承載強度，克服了以往巷旁支護(hù)增阻速度慢、初撐力低等不足；李化敏[7]基于充填體與頂板的相互作用原理建立了數(shù)學(xué)模型分析，給出了沿空留巷各階段巷旁支護(hù)充填體支護(hù)阻力的設(shè)計原則。

綜上所述，國內(nèi)許多學(xué)者對巷旁柔模支護(hù)進(jìn)行大量的研究并取得了豐碩的研究成果。但是，對于傾斜煤層沿空留巷巷旁柔模混凝土墻體寬度的具體設(shè)計方法有待深入研究。因此，以川煤集團(tuán)某礦3131工作面為工程背景，計算了傾斜煤層沿空留巷巷旁柔?；炷翂w的寬度，通過數(shù)值模擬結(jié)果確定柔?；炷翂w的最優(yōu)寬度，并進(jìn)行工程試驗。

1 工程背景

川煤集團(tuán)某礦煤層埋深400 m左右，3131工作面煤層厚度0.8～2 m，平均1.6 m，煤層傾角28°～32°，偽頂和直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖，直接頂平均厚度7.0 m，直接底為泥巖、黏土巖、細(xì)砂巖，平均厚度為6.0 m. 回采煤層K1煤層屬于Ⅱ類自然發(fā)火煤層，平均傾角30°. 工作面采用三班制(兩采一準(zhǔn))推進(jìn)作業(yè)，每班進(jìn)刀3個循環(huán)，每循環(huán)進(jìn)度為0.5 m，日推進(jìn)度為3.0 m. 3131工作面巷道布置平面圖見圖1.

圖1 3131工作面回采巷道布置平面圖

2 巷旁柔?；炷翂w寬度力學(xué)模型

在工程分析中，支護(hù)體載荷最常用的計算方法為“分離塊體法”，該方法認(rèn)為沿空巷道和支護(hù)體上方一定范圍內(nèi)分離巖塊的重量構(gòu)成了支護(hù)體載荷。本文亦選擇“分離塊體法”計算方法分析巷旁柔?；炷翂w受力情況，見圖2.

圖2 巷旁充填體受力計算模型圖

圖2中，q為巷旁支護(hù)體載荷，kN/m2；bB為巷旁支護(hù)內(nèi)側(cè)到煤幫的距離(即留巷寬度)，取4.5 m；x為巷旁支護(hù)墻體厚度，取0.5 m；bC為巷旁支護(hù)外側(cè)懸頂距，取0.5 m；h為采高，取2.5 m；H為頂板垮落高度，H=(4～8)∑h，取8.8 m；θ為剪切角，取26°；α為煤層傾角，取30°.

巷旁支護(hù)體載荷計算公式如下：

(1)

式中,L為頂板分離巖塊的長度，L=bB+x+bC，m；γs為直接頂容重，N/m3，取24.

經(jīng)計算可得，q=15 817 kN/m2.

柔模墻體寬度計算公式如下：

(2)

式中,ω為混凝土墻體寬度，m；Q1為直接頂垂直作用載荷，kN/m2；k3為設(shè)計墻體安全系數(shù),取1.35；k2為動壓影響可靠性系數(shù)，取1.2；k1為墻體強度的降低系數(shù)，通常取0.25；s為混凝土墻體的終凝強度，MPa，取25.

經(jīng)計算可得，ω=0.592 m.

在保證巷旁柔模混凝土墻支護(hù)效果的前提下對其安全系數(shù)加以考慮，設(shè)計柔模混凝土墻體寬度為0.6 m. 在下文通過數(shù)值模擬計算方法分別對0.6 m、0.8 m、1 m柔模體寬度進(jìn)行分析，得到最優(yōu)設(shè)計寬度。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

根據(jù)1313綜采工作面的地質(zhì)條件，利用FLAC3D5.0數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型，見圖3.

圖3 數(shù)值計算模型圖

圖3所示數(shù)值模型尺寸長50 m×寬50 m×高50 m. 對模型的四周施加水平方向約束，模型底部施加垂直方向約束，按照實際埋深情況在模型上表面施加10 MPa等效載荷，側(cè)壓系數(shù)取1.3. 該數(shù)值模型采用彈塑性本構(gòu)模型，破壞準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。模型中的巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 模擬結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，分析工作面回采前后巷道圍巖應(yīng)力和位移分布特征，揭示巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)規(guī)律；對比不同寬度柔模體的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，得到最佳柔模體寬度尺寸。

1) 工作面回采前巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

工作面回采前巷道圍巖礦壓分布規(guī)律見圖4. 從圖4可以看出，工作面回采前，巷道兩幫最大應(yīng)力為13.4 MPa，為原巖應(yīng)力的1.34倍，最大應(yīng)力出現(xiàn)在煤壁內(nèi)2 m處；巷道兩幫發(fā)生不同程度的變形，高幫變形量大于矮幫變形量，頂板下沉量11.1 cm，底板底鼓量5.3 cm.

圖4 工作面回采前巷道圍巖礦壓分布規(guī)律圖

2) 不同柔模體寬度支護(hù)下礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析。

根據(jù)理論計算結(jié)果并結(jié)合實際條件，分別模擬柔模體寬度為1 m、0.8 m、0.6 m條件下巷道、采空區(qū)及柔模體的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，數(shù)值模擬結(jié)果見圖5. 從圖5可以看出，隨著柔模體寬度的改變，圍巖應(yīng)力分布特征和位移演化規(guī)律未發(fā)生明顯變化。柔模體最大承載應(yīng)力為16.8 MPa，巷道矮幫應(yīng)力為12～16 MPa，巷道頂?shù)装鍛?yīng)力為4～12 MPa，采空區(qū)頂?shù)装鍛?yīng)力為1.1～2 MPa；柔模體位移變形量為5～15 cm，巷道頂板下沉量為15～20 cm，巷道底鼓量為5～10 cm，采空區(qū)頂板下沉量為20～25 cm，采空區(qū)底板底鼓量為10～13 cm.

圖5 不同寬度柔模體條件下巷道圍巖礦壓分布規(guī)律圖

以上數(shù)值模擬結(jié)果表明,該礦1313工作面回采后較回采前，巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)更劇烈，表現(xiàn)為圍巖應(yīng)力和變形量的增大；在不同寬度柔模體支護(hù)條件下，柔模體、采空區(qū)、巷道的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律未發(fā)生明顯變化；在保證巷道圍巖安全穩(wěn)定的前提下，根據(jù)最優(yōu)經(jīng)濟效益原則選取柔模體寬度為0.6 m.

4 工程應(yīng)用

4.1 施工概況及支護(hù)方案

在該礦3131機巷進(jìn)行了巷旁柔?；炷翂w支護(hù)試驗，柔?；炷翂w以石粉水泥漿為基本原材料，尺寸為長3.0 m×寬0.6 m×高2.4 m，墻體邊緣距巷道上幫煤壁側(cè)不小于0.8 m，見圖6. 具體工藝流程為：地面制備干混料→運輸至3131工作面機巷柔?；炷林苽漭斔蜋C組后方→通過上料機將干混料運輸至攪拌機→加水、攪拌均勻→通過混凝土泵和管路將混凝土輸送至柔性模板內(nèi)。為了增強混凝土墻的承載力，在柔模袋上進(jìn)行植筋，在柔模內(nèi)預(yù)留錨栓孔，澆注混凝土?xí)r在墻體內(nèi)預(yù)置錨栓，錨栓用錨桿制成，抑制混凝土的側(cè)向變形。

圖6 沿空留巷支護(hù)斷面圖

4.2 現(xiàn)場試驗效果

在3131機巷頂板布置A、B兩個測站，A測站位于工作面前方20 m處，B測站距離A測站65 m. 采用深基點位移計進(jìn)行監(jiān)測，測量頂板離層量，深基點8 m，淺基點3 m. 監(jiān)測結(jié)果見圖7.

圖7 頂板離層監(jiān)測曲線圖

從圖7可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，巷道頂板的離層量呈現(xiàn)先增加后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。測站A位于工作面前方20 m范圍內(nèi)，巷道頂板離層量呈現(xiàn)增加趨勢；位于工作面后方30 m左右位置時，巷道頂板離層量趨于穩(wěn)定。測站B位于工作面前方60 m范圍內(nèi)，巷道頂板離層量呈現(xiàn)增加趨勢；位于工作面后方140 m左右位置時，巷道頂板離層量趨于穩(wěn)定。

綜上所述，處于留巷階段的頂板離層量趨于穩(wěn)定，不再發(fā)生明顯變化，說明巷旁柔模支護(hù)墻體寬度設(shè)計合理，較好地發(fā)揮了支護(hù)巷道頂板、維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定的作用。

5 結(jié) 論

1) 建立了巷旁柔?；炷翂w寬度的力學(xué)分析模型，根據(jù)充填體寬度的計算公式，并結(jié)合某礦實際地質(zhì)資料參數(shù)得到柔?；炷翂w寬度為0.6 m.

2) 數(shù)值計算模擬結(jié)果表明，在合理的柔模充填體寬度條件下，隨著充填體寬度的變化，巷道礦壓顯現(xiàn)未發(fā)生明顯變化。

3) 工程實踐表明，0.6 m寬度的巷旁柔?；炷翂w能夠發(fā)揮支撐頂板、維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定的作用，為下一個工作面的回采提供安全穩(wěn)定通道。