任 貴 成

（孝義市自然資源局，山西 呂梁032300）

1 工程概況

山西汾西正幫煤業(yè)11101 工作面所采煤層為11# 煤層，屬穩(wěn)定可采厚煤層，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層結(jié)構(gòu)1.20（0.20）3.03，煤層總厚為3.80～4.80m，平均厚度為4.43m，煤層傾角0～21°，平均傾角為12°，為緩傾斜煤層，工作面對(duì)應(yīng)位置地面標(biāo)高+1238m～+1359m，井下位于+910m 水平，采用綜放開采，滾筒割煤高度為2.5m，采放比1：0.78。11101 工作面位于一采區(qū)左翼，11101 軌道巷西北側(cè)實(shí)體間隔19.1m為11102 運(yùn)輸巷，11101 軌道巷掘進(jìn)斷面為倒梯形，巷道寬度為4.6m，左側(cè)巷幫高度為3.27m，右側(cè)高度為1.6m，沿11# 煤層底板掘進(jìn)，巷道頂?shù)装鍘r性特征詳見表1，現(xiàn)欲將11101 軌道巷留作11102 工作面的專用回風(fēng)巷使用，基于此展開相關(guān)研究。

表1 11#煤頂?shù)装鍘r性特征表

2 旁巷支護(hù)體參數(shù)研究

2.1 巷旁支護(hù)體載荷預(yù)算

現(xiàn)階段采用柔模泵注混凝土巷旁支護(hù)沿空留巷技術(shù)已非常成熟，該技術(shù)具有強(qiáng)度高、施工速度快、成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)[1]，故設(shè)計(jì)在11101 軌道巷采用柔?；炷吝B續(xù)墻作為巷旁支護(hù)體。充分考慮煤層傾角的影響，建立圖1 所示的覆巖結(jié)構(gòu)和計(jì)算模型。

圖1 沿空留巷礦壓計(jì)算模型

沿空巷道頂板巖層力矩平衡：

則巷旁充填體對(duì)于頂板的支撐力q 需滿足：

式中：q 為巷旁充填體承受的壓力，單位：kN/m2；X 為巷旁充填體寬度，單位：m；L 為巷道頂板巖塊長度，單位：m；bB- 巷道寬度，單位：m；bc為巷旁充填體外頂板懸露長度，單位：m；Σh 為煤層厚度，單位：m；H 為巷道頂板垮落厚度，單位：m；H 為頂煤厚度，單位：m；γA為煤體容重，單位：kN/m3；γB為頂板巖層容重，單位：kN/m3；θ 為頂板巖層剪切角，單位：°；α 為煤層平均傾角，單位：°。

根據(jù)正幫煤業(yè)11101 工作面詳細(xì)的地質(zhì)條件，參考臨近礦井的生產(chǎn)實(shí)例，假設(shè)巷旁充填體的寬度為1.2m，巷道寬度為3.4m，巷旁充填體靠近采空區(qū)側(cè)頂板懸露長度為0.8m，巷道頂板巖塊長度L=bB+x+bc=5.4m，煤體容重為14kN/m3，頂板巖層容重為26.5kN/m3，煤層厚度為4.43m，頂煤厚度為1.93m，頂板垮落高度為8 倍煤層厚度，為35.44m，頂板巖層剪切角為27.5°，煤層傾角為12°，將以上詳細(xì)的參數(shù)代入式（2）計(jì)算可得巷旁支護(hù)體承受壓力q=7.25MPa。根據(jù)11101 軌道巷的實(shí)際情況，巷道頂?shù)装鍍A斜角度為12°，巷旁支護(hù)體給予頂板的支承力垂直于頂板巖層，則支護(hù)體在水平方向和豎直方向所需承受的壓力為：

則單位長度充填體上需承受的垂直和水平應(yīng)力分別為：

巷旁支護(hù)體所受到的壓力主要來源于巷道頂板巖層的回轉(zhuǎn)下沉，工作面采動(dòng)和老頂下沉均會(huì)形成一定的動(dòng)壓，根據(jù)現(xiàn)有研究所得到的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，巷道頂板下沉動(dòng)載系數(shù)為1.6，則支護(hù)體在垂直方向和水平方向最大載荷為：

2.2 巷旁支護(hù)體基本參數(shù)設(shè)計(jì)

11101 軌道巷設(shè)計(jì)采用柔模泵注混凝土巷旁支護(hù)，根據(jù)上文計(jì)算的載荷對(duì)巷旁充填的詳細(xì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，充填體寬度計(jì)算公式[2]：

式中：w 為充填體寬度，單位：m；k1為充填體強(qiáng)度降低系數(shù)，單位：1：；k2為動(dòng)壓影響系數(shù)，單位：1；K3為安全系數(shù)，單位：1；S 為混凝土強(qiáng)度，單位：MPa；

11101 軌道巷巷旁充填采用C30 混凝土，強(qiáng)度為30MPa，安全系數(shù)取2，動(dòng)壓影響系數(shù)為1.6，墻體強(qiáng)度降低系數(shù)取0.25，將以上參數(shù)代入計(jì)算的w=1.17m，參考相似條件礦井實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及效果，取充填體寬度為1.2m。

11101 軌道巷原設(shè)計(jì)斷面尺寸為4.6×2.2（3.27）m，高幫側(cè)高度為3.27m，11101 工作面采用“三八”制，工作面每天推進(jìn)2.4m，為便于施工設(shè)計(jì)柔模長度為2.4m，每天澆筑充填體的長度為2.4m。11101 軌道巷為倒梯形斷面，工作面回采側(cè)煤幫高度為3.27m，頂板傾角為12°，留巷內(nèi)側(cè)墻體高度為3.02m，工作面回采后頂板會(huì)凹凸不平，為了取得更好的接頂效果，強(qiáng)度高度預(yù)留0.3m 的富余量，故設(shè)計(jì)柔模的高度為3.3m(巷道內(nèi)側(cè))和3.6m 巷道外側(cè)，柔模袋的截面為梯形，尺寸長寬高為2.4×1.2×3.3（3.6m）。巷旁澆筑采用C30 混凝土，抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fc=20N/mm2（20MPa），為進(jìn)一步提高充填體的承載力，每個(gè)柔模在高度方向布置4 個(gè)錨栓孔，最下部的距巷道底板0.3m，錨栓孔間距為800mm，排距為800mm，每個(gè)柔模布置3 排，兩側(cè)的距邊界400mm，錨栓采用Φ20×1300mm 的高強(qiáng)螺紋鋼，澆筑時(shí)控制錨栓兩端托盤間距為1200mm。

2.3 巷旁充填體承載力驗(yàn)算

內(nèi)置錨栓巷旁澆筑支護(hù)體承載力的計(jì)算公式[3]：

式中：N2為巷旁充填體承載能力，單位：kN/m；σr為錨栓軸向有效約束力，MPa；fc為混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，單位：N/mm2；d 為錨栓直徑，單位：mm；σb為錨栓單軸抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，單位N/mm2；Acor為錨栓環(huán)向包裹內(nèi)截面面積，Acor=bh；a1, a2- 錨栓的間排距，單位：mm。

11101 軌道巷沿空留巷充填體加固錨栓直徑為20mm，錨栓單軸抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為300MPa，間排距為800mm，C30 混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值30MPa，Acor=1.2×103，帶入式（6） 計(jì)算得錨栓的約束力為0.158MPa，帶入式（7）得混凝土墻的承載能力為33548.7kN/m，巷道頂板給予巷旁充填體最大的壓力為12892.8kN/m，安全系數(shù)為2.6，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，安全系數(shù)大于1.2 即滿足要求，因此設(shè)計(jì)的巷旁支護(hù)能夠滿足安全生產(chǎn)的要求。

3 沿空留巷數(shù)值模擬研究

3.1 11101 軌道巷巷內(nèi)支護(hù)詳情

11101 軌道巷巷內(nèi)基本支護(hù)采用錨網(wǎng)索支護(hù)，頂板錨桿規(guī)格為Φ20×2500mm 的螺紋鋼錨索，間排距為850×800mm，靠近回采幫的錨桿向采空區(qū)傾斜15°施工，其余垂直頂板安裝，頂板錨索采用規(guī)格為Φ18.9×6800mm 的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，采用“二三二”布置方式，間排距為1700×800mm，靠近回采幫的錨桿向采空區(qū)傾斜15°安裝，其余垂直頂板施工；回采幫錨桿規(guī)格為Φ20×2200mm，每排4 根，非回采幫錨桿規(guī)格Φ22×2400mm，每排3 根，間排距均為800×800mm，均垂直煤壁施工，非回采幫距離底板1600mm 處施工一根Φ18.9×5200mm 的錨索，排距為1600mm。11101 軌道巷支護(hù)詳情見圖2所示。

圖2 11101 軌道巷巷內(nèi)支護(hù)示意圖

3.2 留巷效果模擬研究

為具體的研究11101 軌道巷采用柔模混凝土澆筑巷旁充填體沿空留巷技術(shù)的可行性和效果，依據(jù)工作面詳細(xì)的地質(zhì)條件建立FLAC3D 三維數(shù)值模型[4]，模擬分析工作面回采期間沿空巷道的圍巖穩(wěn)定性，得到圖3 所示的結(jié)果。根據(jù)圖3（a）所示結(jié)果可知，11101 軌道巷掘巷和采動(dòng)影響下，僅淺部圍巖出現(xiàn)明顯的塑性破壞，留巷后非回采幫頂角處圍巖塑性破壞區(qū)略有增大，但未超出錨桿的有效錨固范圍；根據(jù)圖3（b）所示結(jié)果可知，工作面前方11101 軌道巷圍巖位移量很小且穩(wěn)定，留巷后巷道變形逐漸增大，最終穩(wěn)定在合理范圍內(nèi)，且錨桿和錨索錨固區(qū)離層量穩(wěn)定；綜上可得，11101 軌道巷采用柔模泵注混凝土巷旁支護(hù)預(yù)計(jì)將取得良好的圍巖控制效果。

圖3 初次采動(dòng)影響下圍巖穩(wěn)定性模擬結(jié)果

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

11101 軌道巷留巷期間圍巖位移監(jiān)測結(jié)果如圖4 所示，與數(shù)值模擬結(jié)果類似，采煤工作面前方巷道圍巖穩(wěn)定，基本無明顯的圍巖，留巷支護(hù)完成后，前期圍巖位移迅速增大，而后變形速度逐漸減小并趨近于零，頂板相對(duì)移近量最大達(dá)283mm，兩幫移近量最大達(dá)305mm，均處于安全允許范圍內(nèi)，經(jīng)過簡單的維護(hù)修復(fù)后可以很好的復(fù)用。

圖4 11101 軌道巷圍巖位移規(guī)律

5 結(jié) 論

為保證正幫煤業(yè)11101 軌道巷沿空留巷期間圍巖的穩(wěn)定，通過理論分析、數(shù)值計(jì)算對(duì)柔模泵送混凝土巷旁充填體具體的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，充填體的寬度確定為1.2m，單個(gè)柔模長度為2.4m，加固錨栓間排距為800mm，數(shù)值模擬研究結(jié)果表明該方案的合理性和可行性，工程應(yīng)用期間進(jìn)行圍巖位移現(xiàn)場監(jiān)測，頂板相對(duì)移近量最大達(dá)283mm，兩幫移近量最大達(dá)305mm，11101 軌道巷留巷期間圍巖位移處于合理范圍內(nèi)，取得了良好的支護(hù)效果，最終成功的應(yīng)用了沿空留巷技術(shù)。