柔模墻體沿空留巷合理寬度設(shè)計及應(yīng)用

王志強，李 航，，李敬凱，王德秋，林 陸，，李永立

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.中俄動力學(xué)研究中心，北京 100083；3.北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100013)

近年來，為提高煤炭回采率、減少巷道掘進以及降低資源浪費，我國在許多生產(chǎn)地質(zhì)條件適宜的礦井不斷推行沿空留巷開采技術(shù)[1]。許興亮等[2]研究了小煤柱留巷時的覆巖演化，從而提出在煤柱的留設(shè)寬度合理時，可以達到變形很小的沿空留巷效果。張磊等[3]分析了充填體與現(xiàn)場工藝結(jié)合、圍巖實施壓力規(guī)律，認(rèn)為在充填體的支護下可以達到承受頂板來壓的目的。王德超、王衛(wèi)軍等[4，5]研究了在沿空留巷條件下煤柱留設(shè)寬度的計算公式。李勝、康紅普等[6，7]針對沿空留巷頂板下沉問題，研究了沿空留巷礦壓規(guī)律，提出了頂板控制機理與留巷支護技術(shù)?？偨Y(jié)已有研究成果，不同地質(zhì)條件、煤層存賦狀況及技術(shù)裝備水平下，沿空留巷開采技術(shù)各有其針對性[8-10]。柔?；炷裂乜樟粝锛夹g(shù)在實現(xiàn)無煤柱開采的同時不僅能顯著提升生產(chǎn)安全系數(shù)，更能高效實現(xiàn)礦井生產(chǎn)的技術(shù)與經(jīng)濟指標(biāo)[11，12]。何東升、王俊峰等[13，14]提出用柔?；炷链婷褐鶎崿F(xiàn)煤層沿空留巷的效果，證實了柔?；炷磷鳛槌涮铙w的實用性與經(jīng)濟性。郝曉飛和谷麗東等[15，16]研究了柔模混凝土在沿空留巷下的應(yīng)力承受范圍及變化特征，表明窄柔模墻體在臨時支護與超前及時支護的條件下抗壓效果良好。與此同時，隨著煤炭資源開發(fā)往西部礦區(qū)轉(zhuǎn)移，淺埋煤層成為很多礦井的主力開采煤層[17]。相較于傳統(tǒng)工作面，淺埋煤層工作面開采技術(shù)及礦壓顯現(xiàn)等呈現(xiàn)出顯著差異性[18]。因此淺埋煤層柔模混凝土沿空留巷技術(shù)研究與應(yīng)用成為熱點問題。本文以五家溝煤礦15301工作面為工程背景，通過數(shù)值模擬、理論研究與現(xiàn)場工業(yè)性試驗為手段，確定淺埋煤層工作面柔?；炷翂w的合理留設(shè)寬度。研究成果可為相同地質(zhì)及開采技術(shù)條件的礦井提供充分理論及技術(shù)支持。

1 工程概況

五家溝煤礦15301工作面主采5-1號煤，工作面煤層埋深210m左右，屬于淺埋煤層工作面。工作面平均煤厚10.5m，走向長度為1408.3m，傾斜長度為214.5m，采用放頂煤開采工藝，直接垮落法處理頂板。

15301工作面東部為三條大巷；南部為未采區(qū)；西部有19m煤柱區(qū)域；北部為15303設(shè)計工作面(實體煤)，工作面與巷道布置如圖1所示。煤柱支護沿空留巷會造成大量資源損失。為有效解決工作面回采浪費問題，結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對柔模支護墻體寬度進行確定，實現(xiàn)無煤柱開采。

圖1 工作面與巷道布置

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

采用FLAC3D軟件進行沿空留巷數(shù)值模擬分析，以驗證在煤層工作面進行沿空留巷設(shè)計的可靠性，同時確定柔模墻體的合理留設(shè)寬度。數(shù)值模型建立根據(jù)實際工程情況而設(shè)定，模型尺寸306m×100m×155m(長×寬×高)，上邊界為自由邊界，其余邊界均為零位移。根據(jù)煤層埋深施加在模型頂部施加5MPa垂直載荷，煤層層厚10.5m，直接頂厚為4.6m，基本頂厚為29m，直接底及基本底厚為31m，其余上下邊界都按平均巖層來處理。模型各煤巖層地質(zhì)條件參數(shù)見表1。

表1 煤巖層地質(zhì)條件參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬方案

該方案對15301工作面受采動影響下進行數(shù)值模擬：根據(jù)實際工程情況，原巷道寬為6.0m，高為3m，將其賦予空模型，在工作面推進50m時，分別對墻體厚度為1.0m、1.2m、1.5m、2.0m進行數(shù)值模擬。通過工作面開挖后分析模擬不同墻體厚度時的墻體自身應(yīng)力、巷道周邊應(yīng)力及頂?shù)装逦灰魄闆r，得出最適合工況的墻體厚度。

2.3 模擬結(jié)果分析

2.3.1 垂直與水平應(yīng)力分析

隨工作面推進，巷內(nèi)澆筑4種厚度墻體時，對墻體及巷道在工作面回采動壓影響下進行計算機模擬，垂直與水平應(yīng)力模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 應(yīng)力演化云圖

工作面推進50m的過程中，滯后留設(shè)巷旁墻體，通過留巷巷道的垂直與水平應(yīng)力云圖，當(dāng)柔模墻體厚度為1.0m、1.2m、1.5m、2.0m時，巷道頂板中部2m范圍為頂板應(yīng)力釋放區(qū)，垂直應(yīng)力分別為3.5MPa、2.6MPa、1.8MPa、1.5MPa，副幫垂直應(yīng)力集中范圍應(yīng)力分別為22MPa、18MPa、20MPa、21MPa，但副幫水平應(yīng)力偏小，在4.0MPa上下波動，墻體垂直應(yīng)力分別為7MPa、5MPa、3MPa、4MPa，巷道底板應(yīng)力偏小且變化不明顯。巷道副幫垂直應(yīng)力較大，應(yīng)加強兩幫巷道支護。

2.3.2 垂直與水平位移分析

隨工作面推進，巷內(nèi)澆筑4種厚度墻體時，對墻體及巷道在工作面回采動壓影響下進行計算機模擬，垂直與水平位移模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 位移演化云圖

工作面推進50m的過程中，滯后留設(shè)巷旁墻體，通過垂直與水平位移云圖，當(dāng)柔模墻體厚度分別為1.0m、1.2m、1.5m、2.0m時，巷道頂板下沉量分別為50cm、38cm、23cm、20cm，副幫水平位移量分別為22cm、18cm、20cm、17cm。

對四種厚度墻體進行計算機模擬后，通過云圖及分析數(shù)據(jù)可以得出：隨著墻體厚度增大，巷道頂板應(yīng)力集中范圍明顯減小，頂板下沉量普遍降低。但巷道澆筑2.0m的墻體較1.5m時，其頂板應(yīng)力與頂板位移下降幅度大大減小。由于1.5m支護的支撐荷載、頂?shù)装寮皟蓭臀灰屏恳呀?jīng)滿足要求，雖然留設(shè)2.0m墻體后，巷道下沉量變小，考慮到經(jīng)濟因素結(jié)合效果來看，建議選擇1.5m墻體作為留巷巷旁支護。

3 柔模墻體寬度理論驗算

3.1 支護體載荷計算

充填墻體支護的力學(xué)模型如圖4所示，柔模充填體位于工作面煤體高壓與采空區(qū)冒頂中央，冒落矸石的采空區(qū)呈現(xiàn)出關(guān)鍵自由面，巖體會由于下沉在高度H處出現(xiàn)離層，引起巖體沿實煤發(fā)生θ角折斷，成為完全自由狀態(tài)，給充填墻體帶來新的礦壓，對其進行“分離巖塊法”理論計算以驗證充填體合理寬度。“分離巖塊法”認(rèn)為：①巖塊兩邊的剪切角相同；②將支護上層頂板位置的巖塊當(dāng)做合力為零的剛體，在巖塊上三力作用線相互平行；③在力作用面上任意點的力矩相加、平衡抵消。

圖4 理論計算模型

載荷計算如式(1)所示：

(1)

式中，q為支護體載荷，MPa；h為有效采高，取3.85m；θ為剪切角，根據(jù)經(jīng)驗取26°；bB為支護體內(nèi)側(cè)到煤壁的距離，取5.0m；x為支護體的寬度，取1.5m；bC為支護體外側(cè)懸頂距，取0.3m；γs為巖塊重度，取24kN/m3；α為煤層傾角，取3°。

根據(jù)分離巖塊法的計算及15301工作面的相關(guān)參數(shù)，計算可得支護厚度為1.5m時，支護體上的載荷為q=2.1MPa。最終確定支護體寬度取1.5m，動壓影響系數(shù)取3，故頂板作用在柔?；炷翂w上的圍巖壓力為9450kN/m。

3.2 柔?；炷翂Τ休d力驗算

從素混凝土來看，柔?；炷敛粌H剛性較好，且初期的可伸縮性得到提高。在應(yīng)用監(jiān)測到的橫向伸縮變形是因為支護墻體的縱向達到抗壓強度以后引起的，充填墻體的應(yīng)力-應(yīng)變變化正是由于墻體所受應(yīng)力大于自身抗壓強度而發(fā)生變形，故引起強化反應(yīng)。支護墻體的承載力計算公式如下：

N2=0.9(fc+4σr)Acor

(2)

式中，N2為巷旁支護的承載能力，kN；fc為混凝土抗壓強度設(shè)計值，取19.1MPa；σr為錨栓套箍作用產(chǎn)生的有效約束力，MPa；Acor為環(huán)向包裹內(nèi)混凝土面積，取1200m2。

錨栓的約束應(yīng)力計算公式為：

(3)

式中，d為錨栓直徑，取22mm；σb為鋼筋抗拉強度設(shè)計值，取435MPa；a1，a2為錨栓的間排距，分別取700mm、750mm。

計算可得錨栓的約束應(yīng)力σr=0.31MPa，柔?；炷翂w的承載能力為N2=21967.2kN/m。綜上計算，采用“分離巖塊法”理論計算得到巖塊礦壓為9450kN/m，混凝土墻承載力驗算得到墻體的承載能力為21967.2kN/m，大于留巷的最大載荷9450kN/m(安全系數(shù)為2.3)，最終確定柔模充填墻體寬度為1.5m，驗證了數(shù)值模擬研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3 巷旁墻體參數(shù)

根據(jù)15301工作面的地質(zhì)與開采條件，沿空留巷墻體參數(shù)設(shè)置為：沿空留巷墻體澆筑于巷內(nèi)，巷道底板掏槽深200mm并清底到實底，柔模墻體的合理寬度是1.5m。在充填體上裝有錨栓，使得柔模支護不易發(fā)生水平變形，有效控制墻體位移。錨栓規(guī)格為?22mm×1100mm等強錨桿，托板采用200mm×200mm×16mm鋼板，打圓角半徑為50mm。巷旁墻體支護如圖5所示。

圖5 巷旁墻體支護(mm)

4 工程應(yīng)用

4.1 柔?；炷林苽漭斔蜋C組

柔?；炷凛斔头绞接蓛煞矫鏄?gòu)成：一是在地面干料制備站對水泥、砂子、石子等干組成材料進行配比；二是通過巷道在井下運輸至井下制備站進行濕料攪拌，生產(chǎn)能力50m3/h。井下濕料制備輸送站總長30m，寬度1.7m，高度2.2m，總功率220kW，最大出口壓力16MPa，最遠輸送距離600m。

4.2 施工過程及留巷效果

在超前與滯后支護完成后，進行移架并支護澆筑空間，通過單體液壓支柱掛設(shè)柔模模板。經(jīng)地面干料運輸至井下進行配比濕料后泵注混凝土，之后對柔模充填墻體進行留巷監(jiān)測，支護穩(wěn)定以后滯后段開始回柱，隨即進入下個循環(huán)。

4.3 沿空留巷礦井系統(tǒng)技術(shù)

4.3.1 Y型通風(fēng)技術(shù)

沿空留巷Y型通風(fēng)巷道布置如圖6所示，通過柔模支護技術(shù)進行沿空留巷，形成的三條巷道都用于通風(fēng)系統(tǒng)，從兩巷U型變?yōu)閮蛇M一回“Y型”通風(fēng)方式，相鄰工作面切眼和巷道提前成巷，且已為回采工作面通風(fēng)系統(tǒng)服務(wù)，從兩條運輸平巷進風(fēng)，污風(fēng)從實體煤側(cè)回風(fēng)巷排出。

圖6 沿空留巷Y型通風(fēng)巷道布置

4.3.2 沿空留巷埋管抽采技術(shù)

保持原本煤層預(yù)抽等抽采措施不變。留巷過程中，在墻體上預(yù)埋管，進行低負壓大流量抽采，對回采線后30m周圍的采空區(qū)瓦斯氣體進行抽采，保證隅角瓦斯不超限，滯后30m以后采用混凝土充填預(yù)埋管。墻體預(yù)埋管直徑為?219mm，壁厚不小于5mm。預(yù)埋管采空區(qū)側(cè)設(shè)置鋼筋網(wǎng)隔柵，留巷側(cè)設(shè)置法蘭，內(nèi)外表面噴涂防火漆，埋管間距3～6m。

4.3.3 埋管排水技術(shù)

由于煤礦的地質(zhì)條件，存在頂板淋水的問題，故確保埋管排水技術(shù)的高效應(yīng)用成為預(yù)防水害的關(guān)鍵。沿空留巷以后，通過墻體預(yù)埋管將采空區(qū)積水通過管道有序排走，保障受承壓水等影響工作面開采安全。

4.4 經(jīng)濟效益

窄柔?；炷料锱灾ёo實現(xiàn)沿空留巷，有利于提高煤炭采出率、增強巷道支護穩(wěn)定性、促進采掘關(guān)系及提升礦井服務(wù)年限，整體提高礦井安全性與經(jīng)濟性。按煤礦15301工作面留巷長度1400m計算，沿空留巷直接費用6212元/m，新掘進工作面巷道費用平均3500元/m，增加成本380萬元；回收沿空留巷煤柱按10m計算，可回收煤炭資源17.5萬t，煤炭效益230元/t，可創(chuàng)收4025萬元。綜上，柔模支護沿空留巷技術(shù)前期需要購置設(shè)備設(shè)施，投資約602萬元，可產(chǎn)生效益約3043萬元，為礦井帶來很大收益。

5 結(jié) 論

1)結(jié)合煤礦地質(zhì)與工作面現(xiàn)場條件，在采動影響下分別對厚度為1.0m、1.2m、1.5m、2.0m的柔模墻體進行FLAC3D數(shù)值模擬。通過云圖及分析數(shù)據(jù)結(jié)果得到：柔模墻體寬度大于1.5m時，墻體及圍巖應(yīng)力集中情況、巷道圍巖變形量趨于穩(wěn)定，且巷道圍巖穩(wěn)定性較好，綜合考慮經(jīng)濟安全效益，建議選用1.5m墻體作為15301工作面運輸巷留巷墻體厚度。

2)根據(jù)充填墻體支護的力學(xué)模型，對其進行“分離巖塊法”理論計算來對模擬結(jié)果為1.5m的柔模墻寬度進行驗證，經(jīng)計算巖塊礦壓為9450kN/m，由柔模墻承載力驗算得每延米柔模墻的承載能力為21967.2kN/m，故安全系數(shù)為2.3，穩(wěn)定可靠。

3)結(jié)合礦井系統(tǒng)新技術(shù)，五家溝煤礦15301工作面的現(xiàn)場工藝與留巷效果表明，寬度為1.5m的柔?；炷翂w巷旁支護沿空留巷效果顯著，整體提高礦井的安全性。經(jīng)費用計算得，柔模支護沿空留巷技術(shù)可創(chuàng)收約3043萬元，經(jīng)濟效益十分可觀，具有良好的推廣應(yīng)用前景。