李宇龍

(陜煤韓城礦業(yè)有限公司下峪口煤礦，陜西 韓城 715400)

0 引言

沿空留巷技術(shù)在我國(guó)煤礦的應(yīng)用已十分普遍，但巷旁支護(hù)是沿空留巷領(lǐng)域中一直沒(méi)有得到有效解決的難題，其核心是巷內(nèi)支護(hù)與巷旁支護(hù)共同作用力，應(yīng)與沿空巷道的頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律相適應(yīng)，從而達(dá)到控制頂板的效果。文中以下峪口煤礦21210工作面沿空留巷為例，研究柔模泵注混凝土支護(hù)的沿空留巷技術(shù)。

1 柔模泵注混凝土支護(hù)技術(shù)

1.1 支護(hù)原理

柔模泵注混凝土支護(hù)實(shí)質(zhì)是在工作面回采期間，工作面端頭支架支護(hù)效應(yīng)消失前，利用混凝土輸送泵，把高性能自密實(shí)混凝土注入提前固定在巷道幫部的柔性模板中，在采空區(qū)和機(jī)巷之間砌筑一連續(xù)的密閉混凝土墻體，形成一新的支護(hù)體(巷旁支護(hù))，并與原巷內(nèi)支護(hù)形成一個(gè)整體，共同承載各類(lèi)巷道壓力。同時(shí)還可以隔絕有害氣體，避免采空區(qū)自燃，為該巷道用于下一個(gè)工作面回采提供便利。

柔模泵注混凝土巷旁支護(hù)屬于沿空留巷中先柔后剛類(lèi)巷旁支護(hù)，它充分利用了柔?；炷脸跗诰哂械妮^大初撐力和一定的可縮量特性，以及后期的剛性支護(hù)特性。柔?；炷梁笃趧傂韵锱灾ёo(hù)，實(shí)現(xiàn)了切頂卸載，減小了巷道變形量和巷道支架壓力，保障了巷道在服務(wù)期內(nèi)斷面要求。

巷旁充填體支護(hù)的穩(wěn)定性主要受巷旁充填體寬度的影響，一般情況下，充填體所受壓力主要來(lái)自于基本頂旋轉(zhuǎn)下沉產(chǎn)生的集中應(yīng)力，一旦充填體的可縮量不能滿(mǎn)足沿空留巷整體變形量所產(chǎn)生的較高壓力就會(huì)變形破壞，破壞程度并隨著充填體寬度增加而增加。

1.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)及工藝

用混凝土輸送泵，在提前固定在巷道幫部的柔性模板中注入高性能自密實(shí)混凝土。為了使柔模透水不透漿，支護(hù)采用由雙層高強(qiáng)度纖維布縫制而成的一次性纖維柔性模板，將固定柔模的錨桿孔設(shè)在模板上端部?jī)蓚?cè)，掛設(shè)時(shí)，固定鋼筋從預(yù)留錨桿孔穿過(guò)，之后用單體支柱按規(guī)定尺寸把柔模縱向兩端伸出鋼筋余量緊撐于頂板上，最后將橫向錨栓穿入橫向預(yù)留孔洞兩端并固定來(lái)控制柔模的橫向變形。柔模支護(hù)局部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

a-頂部；b-幫部圖1 柔模支護(hù)局部結(jié)構(gòu)示意圖

2 地質(zhì)條件

21210進(jìn)風(fēng)聯(lián)巷及進(jìn)風(fēng)順槽位于二水平一采區(qū)上山北翼中部。該工作面煤層厚度0.2～1.5 m，一般厚度在0.7 m左右，屬不穩(wěn)定的薄煤層。煤層偽頂為0.3～0.5 m的泥巖，直接頂為1.2～2.5 m的薄層狀粉砂巖，老頂為2.5～3.5 m的中厚層狀細(xì)砂巖。煤層底板為厚0.7～1.2 m的粉砂質(zhì)泥巖，該層泥巖下部區(qū)域有一層煤線(xiàn)，煤線(xiàn)厚約0.1 m。地層結(jié)構(gòu)總體呈一單斜構(gòu)造，傾角2°～7°，平均4°，煤層傾角約為+4°。工作面發(fā)現(xiàn)的斷裂構(gòu)造以小型正斷層為主，落差一般為1.0～3.0 m，工作面綜合柱狀圖如圖2所示。

圖2 工作面綜合柱狀圖

3 柔模泵注混凝土沿空留巷支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)工作面三機(jī)配套和回風(fēng)要求，確定工作面沿空留巷的寬度為4 000 mm，沿空留巷支護(hù)斷面圖如圖3所示。

3.1 巷旁支護(hù)設(shè)計(jì)

巷幫混凝土支護(hù)厚度設(shè)計(jì)：采用“分離巖塊法”來(lái)計(jì)算混凝土支護(hù)體載荷，沿空巷道和支護(hù)體上方一定范圍內(nèi)分離巖塊的重量是支護(hù)體載荷的主要來(lái)源，留巷礦壓計(jì)算模型如圖4所示。

式中：q—支護(hù)載荷；bB—支護(hù)體內(nèi)側(cè)至煤壁的距離；x—支護(hù)體寬度；bC—支護(hù)體外側(cè)懸頂距；γs—巖塊容重；h—采高；θ—剪切角；α—煤層傾角；H—冒落高度。

本次支護(hù)采高為1.6 m；冒落高度取4倍采高，為6.4 m；bB設(shè)計(jì)取4 m，x取1 m；bC為0.5 m；γs為直接頂石灰?guī)r的重度，取26.7 kN/m3；另外，據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取剪切角為26°，煤層傾角為4°。

通過(guò)計(jì)算得到，1 m厚的支護(hù)體承載1 749 kPa的載荷(N1=1 750 kN)。由于采動(dòng)影響，計(jì)算混凝土墻寬度：

式中：w—墻體寬度；k3—安全系數(shù)；k2—墻體強(qiáng)度降低系數(shù)；k1—采動(dòng)影響壓力可靠系數(shù)；S—墻體凝固強(qiáng)度。

圖3 沿空留巷支護(hù)斷面圖

圖4 留巷礦壓計(jì)算模型

設(shè)計(jì)中取k3為2；取k2為0.25；取k1為3；取S為C20，極限設(shè)計(jì)強(qiáng)度為15 MPa。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和其他安全因素，取混凝土厚度為1 m。

支護(hù)體承載力驗(yàn)算：模型柱高、短邊長(zhǎng)分別為1.6 m和1.2 m，得到構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比為1.6，并通過(guò)查詢(xún)有關(guān)軸心受壓構(gòu)件的計(jì)算方式的資料，確定穩(wěn)定系數(shù)φ為1.0。

計(jì)算模型柱的承載能力：

N2=0.9φ×fcA

式中：N2—支護(hù)體承載能力;φ—構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù);fc—混凝土軸心抗壓強(qiáng)度;A—截面面積。

其中：混凝土軸心抗壓強(qiáng)度為15 N/mm2，A為1 000 mm×1 000 mm。將各參數(shù)代入計(jì)算可得，模型柱的承載能力為13 500 kN，即單位長(zhǎng)度混凝土連續(xù)墻承載能力為N2=13 500 kN，顯然遠(yuǎn)大于支護(hù)體的載荷5 250 kN，確定安全系數(shù)為2.5，故可認(rèn)為該支護(hù)結(jié)構(gòu)安全。

3.2 巷幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)

巷旁煤體的變形特征對(duì)頂板巖層的控制：巷道開(kāi)挖引起巷道圍巖應(yīng)力的重新分布，一般把巷道圍巖由周邊向內(nèi)依次分為極限平衡區(qū)(包括松動(dòng)區(qū)和塑性區(qū))、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。巷道圍巖的強(qiáng)度與變形特征由彈性變形、塑性軟化變形和流動(dòng)3個(gè)階段構(gòu)成，該特征可以在理想彈塑性軟化模型(圖5(a))中反映出來(lái)。同理，煤體中也相應(yīng)地存在3個(gè)區(qū)域，分別為彈性區(qū)、塑性區(qū)和松動(dòng)區(qū)(圖5(b))。

圖5 煤體變形分區(qū)與極限平衡區(qū)應(yīng)力分布

煤幫采用錨桿支護(hù)：煤幫受到由錨固頭與托板共同作用的托錨力，可以對(duì)其作用范圍內(nèi)的煤體提供軸向約束來(lái)阻止煤體松動(dòng)，提供徑向約束力控制煤體內(nèi)部的剪切破壞作用。煤幫錨桿可以起到控制煤體淺部的變形破壞的作用，與煤體一起組成一個(gè)既能承載頂壓，又能在水平方向上呈整體移動(dòng)的承載層。

由此可知，因剪切破壞而造成巷幫煤體的松動(dòng)和擠出會(huì)在煤幫錨桿的作用下受到抑制，因此，煤幫錨桿既應(yīng)從巷旁煤體的松動(dòng)區(qū)穿過(guò)，也要有充足的長(zhǎng)度L。

L≥L1+x0+L2

式中：L1—錨桿外露長(zhǎng)度；L2—錨桿通過(guò)松動(dòng)區(qū)以外的最小錨固長(zhǎng)度，取L2=350 mm。

副幫巖體內(nèi)在未打設(shè)錨桿段補(bǔ)強(qiáng)錨桿支護(hù)：采用φ18 mm×1 600 mm圓鋼錨桿，間排距800 mm×800 mm，150 mm ×150 mm×10 mm鐵托板，一節(jié)Z2370型中速樹(shù)脂錨固劑錨固。

正幫巖體內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)φ20 mm×2 400 mm螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×800 mm，配14#槽鋼，長(zhǎng)度1 200 mm，槽鋼豎向放置。

3.3 泵注混凝土設(shè)計(jì)

柔模泵注混凝土支護(hù)技術(shù)是充分利用了柔性模板透水不透漿特性的這一創(chuàng)新點(diǎn)。柔模泵注混凝土設(shè)計(jì)相比普通混凝土設(shè)計(jì)，差別較大。首先，砂率要比普通混凝土大，一般在45%～50%之間；其次，合理選擇石子的粒徑，最大粒徑要適應(yīng)輸送管的直徑和柔模厚度，一般情況最大粒徑小于20 mm，一般在5～16 mm之間；另外，攪拌混凝土的最佳水灰比一般在0.5～0.6之間；坍落度最好是在180～220 mm之間?；炷猎O(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C20，泵注混凝土各材料配合比見(jiàn)表1、表2。

表1 泵注混凝土配合比

表2 泵注混凝土施工材料

3.4 沿空留巷的滯后支護(hù)

為了防止回采過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)破壞預(yù)留巷道，根據(jù)下峪口煤礦實(shí)際情況，選用單體支柱配π型梁作為21210工作面回順滯后支護(hù)，一梁三柱，排距和長(zhǎng)度分別為0.8 m和3.5 m，并確定滯后工作面支護(hù)距離在40～60 m之間，如圖6所示。

4 經(jīng)濟(jì)效果分析

下峪口煤礦21210工作面沿空留巷技術(shù)使工作面少掘一條巷道，回收20 m寬煤柱。煤密度1 400 kg/m3，采高0.8 m，留巷長(zhǎng)度467 m，相當(dāng)于1萬(wàn)t煤，按噸煤效益300元計(jì)算，回收煤柱增收300萬(wàn)元。留巷工程材料人工費(fèi)3 031元/m(含單體π型梁)、留巷467 m；與掘一條巷道534 m(4 500元/m)相比，節(jié)省41萬(wàn)元。直接創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益341萬(wàn)元。

圖6 超前與滯后支護(hù)示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

柔模泵注混凝土沿空留巷技術(shù)不僅節(jié)省了一條巷道，降低了巷道掘進(jìn)率，提高了煤炭回收率，緩解了采掘接續(xù)關(guān)系，并為煤礦取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。