柔?；炷猎谔瓢裁旱V沿空留巷應(yīng)用研究

王金紅

(中煤華晉集團(tuán)韓咀煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 043700)

中國(guó)作為產(chǎn)煤大國(guó)，同時(shí)又是煤炭消耗大國(guó)，煤炭資源回收率卻依然低于其他發(fā)達(dá)國(guó)家。因此，提高煤炭回收率是我國(guó)煤炭行業(yè)目前急需解決的問(wèn)題。沿空留巷技術(shù)對(duì)解決這一問(wèn)題有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]，沿空留巷是指在上一工作面回采完成后，對(duì)回采遺留的巷道進(jìn)行維護(hù)，為下一工作面提供生產(chǎn)回采所需巷道，充分對(duì)煤柱進(jìn)行回采，保證煤炭資源的回收率。目前沿空留巷主要技術(shù)問(wèn)題是對(duì)巷道的支護(hù)及維護(hù)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)近水平綜采及綜放開采的沿空留巷頂板活動(dòng)規(guī)律、巷旁支護(hù)方式、沿空留巷工藝及留巷圍巖控制進(jìn)行了研究[2-4]，但目前研究所得結(jié)論大多是一些定性的，再加上在不同的地質(zhì)條件下，其沿空留巷頂板活動(dòng)規(guī)律、巷旁支護(hù)方式是有一定差異的。本文通過(guò)對(duì)唐安煤礦3307工作面做沿空留巷試驗(yàn)，針對(duì)柔模混凝土墻體的支護(hù)能力得出一些定量的結(jié)論，并且為類似地質(zhì)條件背景下巷道的錨桿錨索支護(hù)提供了一定的理論依據(jù)。

1 工程概況

唐安煤礦位于高平市馬村鎮(zhèn)境內(nèi)，目前分公司對(duì)3號(hào)煤層進(jìn)行開采，該煤層上下巖層巖性如表1所示。3號(hào)煤層采用綜合機(jī)械化采煤法，三盤區(qū)首采工作面3301正在末采，3308為接續(xù)工作面，3308工作面回采完成后，接續(xù)面為北翼3307工作面。由于留巷必須形成Y型通風(fēng)，考慮到時(shí)間因素，因此三盤區(qū)只能從3307工作面開始進(jìn)行沿空留巷試驗(yàn)，將其軌道巷作為相鄰工作面的膠帶巷。

表1 頂?shù)装逦锢砹W(xué)特性

2 巷旁支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 沿空留巷壓力計(jì)算

為對(duì)沿空留巷進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，需要對(duì)巷道頂板壓力進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)采用分離巖塊法來(lái)對(duì)沿空留巷上覆巖層所產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，該方法的依據(jù)為對(duì)沿空留巷及巷旁支護(hù)上覆巖層進(jìn)行分離，計(jì)算巷旁支護(hù)體上覆載荷。巷旁支護(hù)位于未采煤體高壓區(qū)與垮落煤矸石之間，屬于卸壓區(qū)。塊體一側(cè)的采空區(qū)提供了一個(gè)主要的自由表面。沿空留巷巷旁支護(hù)礦壓計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 分離巖塊法計(jì)算模型

計(jì)算公式為：

式中:H為頂板垮落帶高度，巖層碎脹系數(shù)取1.25，則頂板垮落高度為4 h，即22 m；θ為剪切角，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取26°；h為有效采高，取5.5 m；γ為頂板分離巖塊容重，取25 kN/m3；bC為巷旁支護(hù)外側(cè)懸頂距，取0.5 m；x為巷旁支護(hù)寬度，取1.4 m；bB實(shí)體煤距巷旁支護(hù)的距離，即留巷寬度取4.4 m；q巷旁支護(hù)體所受載荷；計(jì)算可得，巷旁支護(hù)承受的載荷為：

Q1=4 127 kN/m

巷道兩側(cè)支護(hù)體上的荷載來(lái)源于直接頂分離巖塊的重量和直接頂頂板上主頂板旋轉(zhuǎn)引起的動(dòng)壓，傳統(tǒng)的觀點(diǎn)是通過(guò)實(shí)測(cè)的方法測(cè)量所謂的動(dòng)荷系數(shù)η。根據(jù)綜采經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，η一般情況下為1 ～ 2，沿空留巷邊支護(hù)設(shè)計(jì)為2，因此巷道邊支護(hù)的最大載荷為:

Q2=2Q1=2×4 127=8 254 kN/m

2.2 墻體承載力驗(yàn)算

柔?；炷潦侵饕ㄟ^(guò)混合纖維來(lái)增加其延展性及抗壓強(qiáng)度，因此柔模混凝土的核心部分由約束鋼筋與核心混凝土構(gòu)成。核心混凝土?xí)谑艿酱怪睉?yīng)力作用下發(fā)生徑向形變，在混凝土墻的變形下，使得墻內(nèi)錨桿發(fā)生拉伸形變，從而使得錨桿對(duì)墻體產(chǎn)生一個(gè)橫向的約束力，此時(shí)混凝土墻體在上覆巖層與錨桿的相互作用下處于三軸應(yīng)力平衡狀態(tài)。在受力初期，柔模混凝土與一般混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系基本相同，但在應(yīng)力達(dá)到一般混凝土載荷上限時(shí)，柔?；炷恋那€會(huì)繼續(xù)上升，而不會(huì)發(fā)生破碎，最后以較為穩(wěn)定的趨勢(shì)下降。由于柔?；炷林挥性诔鲆话慊炷恋妮d荷上限時(shí)，才會(huì)表現(xiàn)出的較大差異，即為強(qiáng)化作用。因此柔?；炷翂Φ挠?jì)算采用如下公式：

N2=0.9(fc+4σr)Acor

錨栓的約束應(yīng)力計(jì)算公式為：

式中：α1，α2為錨栓的間排距，mm；σb為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,MPa；d為錨栓直徑，mm；fc為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,MPa；Acor為環(huán)向包裹內(nèi)混凝土面積,m2，矩形截面Acor=bh,取1 450 m2；?r為錨栓對(duì)巷旁支護(hù)體產(chǎn)生的最大約束力，kN；N2為巷旁支護(hù)所能承載最大載荷，MPa；計(jì)算可得錨栓的約束應(yīng)力為：

柔?；炷翂w的承載能力為：

N2=0.9(fc+4?r)Acor=0.9(143+4×0.14)×1 450=18 723.6 kN/m

根據(jù)柔模混凝土沿空留巷在其他礦井的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，按照分離巖塊法計(jì)算所得的圍巖壓力與留巷圍巖活動(dòng)穩(wěn)定后墻體承受的荷載接近，為8 254 kN/m；工作面局部異常來(lái)壓時(shí)(采空區(qū)見方或進(jìn)入充分采動(dòng)階段)，墻體承受的荷載與疊加層板法計(jì)算所得的圍巖壓力接近，為15 425 kN/m。

由上所得，每延米柔?；炷翂w的承載能力為18 723.6 kN，大于留巷穩(wěn)定后的墻體荷載8 254 kN(安全系數(shù)2.2)，大于工作面局部異常來(lái)壓時(shí)的最大載荷15 425 kN(安全系數(shù)1.2)，上述計(jì)算尚未考慮頂板錨網(wǎng)索支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)巷旁支護(hù)的分擔(dān)荷載作用，實(shí)際安全系數(shù)更高，因此可視巷旁支護(hù)強(qiáng)度滿足支護(hù)要求。

2.3 巷旁支護(hù)參數(shù)

根據(jù)通風(fēng)要求和留巷后期使用情況，參考其他礦山留巷經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)沿空留巷尺寸為4 400 mm×4 200 mm，巷旁柔?；炷翂挾葹? 400 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，為了控制混凝土墻體發(fā)生橫向形變，需對(duì)墻體進(jìn)行錨桿支護(hù)，根據(jù)相關(guān)資料文獻(xiàn)，確定采用D20 mm×1 550 mm的高強(qiáng)度錨桿，支護(hù)板尺寸為150 mm×150 mm×10 mm，雙支護(hù)板雙螺母，錨桿1 d后，預(yù)緊力矩不小于150 N·m，錨桿間距為900 mm×750 mm，巷道柔?；炷羵?cè)支護(hù)橫截面如圖2所示。

圖2 沿空留巷支護(hù)橫斷面(mm)

2.4 軌道巷支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算

經(jīng)專業(yè)機(jī)構(gòu)認(rèn)證，唐安煤礦三盤區(qū)軌道巷圍巖等效為IV級(jí)。

p=rh

h=0.45×2s-1w
w=1+i(Bt-5)

式中：i為巷道寬度每增加1 m時(shí)，圍巖壓力增加率，以B=5的圍巖垂直均布?jí)毫闇?zhǔn)；當(dāng)B<5 m時(shí)，取i=0.2；當(dāng)B>5時(shí)，取i=0.1；Bt為沿空留巷實(shí)際寬度，m；w為沿空留巷寬度系數(shù)；s為巷道圍巖強(qiáng)度等級(jí)；r為上覆巖層容重，24 kN/m3；p為上覆巖層對(duì)巷道產(chǎn)生的應(yīng)力，kN/m2；巷道最大跨度為5.8 m，則：

w=1.08

h=0.45×2s-1w=3.9 m
p=rh=0.09 MPa

因此，為保證錨索的錨固作用，其伸入穩(wěn)定巖層的長(zhǎng)度不得小于1.5 m，且外部需留有0.3 m的端頭，因此理論計(jì)算的錨索長(zhǎng)度不得小于3.9+1.5+0.3=5.7 m，而實(shí)際錨索長(zhǎng)度為8.3 m，滿足計(jì)算要求。

軌道巷支護(hù)需要承受的最大圍巖荷載為:0.09 MPa×5.8 m=522 kN/m，錨桿與一級(jí)頂板錨索的支護(hù)強(qiáng)度分別為:100 kN/根×7根/0.9 m=778 kN/m、440 kN/根×5根/1.8 m=1 222 kN/m，錨桿和錨索支護(hù)強(qiáng)度合計(jì)為2 000 kN/m，遠(yuǎn)大于圍巖荷載522 kN/m，因此軌道巷支護(hù)強(qiáng)度滿足要求。

3 工程應(yīng)用

根據(jù)上述分析結(jié)果，在3307工作面運(yùn)輸巷實(shí)施此項(xiàng)技術(shù)，具體各項(xiàng)施工參數(shù)及施工工藝如前文所述，柔?；炷翂w實(shí)際使用如圖3(a)所示。目前三盤區(qū)3307工作面已經(jīng)全部回采完畢，礦方正對(duì)3309工作面進(jìn)行回采準(zhǔn)備，在回采時(shí)，對(duì)巷道進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置用了監(jiān)測(cè)回采作業(yè)下巷道圍壓變形情況，測(cè)站設(shè)置在距3309工作面開切眼60 m處。

圖3(b)為巷道位移監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)匯總。當(dāng)測(cè)站與工作面距離為50～60 m 時(shí)，頂板、底板和固體煤壁位移增加不大，巷道圍巖處于較為穩(wěn)定狀態(tài)，巷道的實(shí)體煤幫處的變形較為明顯；測(cè)站與工作面距離為30～50 m時(shí)，此時(shí)巷道變形速率較大，而在距工作面0～30 m的變形速率較小，造成此現(xiàn)象的原因是超前支護(hù)控制圍巖變形的效果，但實(shí)體煤壁位移不緩慢，隨著工作面推進(jìn)仍保持較高的增加幅度。最后，在距工作面0 m 處，實(shí)體煤壁位移145 mm，頂板位移53 mm，底鼓67 mm，頂?shù)装蹇偽灰?20 mm，巷道基本保持穩(wěn)定，可滿足后續(xù)回采工作。

圖3 沿空留巷使用效果

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)計(jì)算巷旁支護(hù)上的最大載荷為8 254 kN/m，而柔模混凝土墻體的承載能力為18 723.6 kN，大于留巷穩(wěn)定后的墻體荷載8 254 kN，大于工作面局部異常來(lái)壓時(shí)的最大載荷15 425 kN，因此柔?；炷翂w的承載能力滿足支護(hù)要求。

2) 頂板錨索的支護(hù)強(qiáng)度為1 222 kN/m，錨桿和錨索支護(hù)強(qiáng)度合計(jì)為2 000 kN/m，遠(yuǎn)大于圍巖荷載522 kN/m，因此軌道巷支護(hù)強(qiáng)度滿足要求。

3) 將上述結(jié)論用于實(shí)際巷道中，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，巷道變形較小，基本穩(wěn)定，滿足實(shí)際需要。