王金紅

(中煤華晉集團韓咀煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 043700)

中國作為產(chǎn)煤大國，同時又是煤炭消耗大國，煤炭資源回收率卻依然低于其他發(fā)達國家。因此，提高煤炭回收率是我國煤炭行業(yè)目前急需解決的問題。沿空留巷技術(shù)對解決這一問題有重要的現(xiàn)實意義[1]，沿空留巷是指在上一工作面回采完成后，對回采遺留的巷道進行維護，為下一工作面提供生產(chǎn)回采所需巷道，充分對煤柱進行回采，保證煤炭資源的回收率。目前沿空留巷主要技術(shù)問題是對巷道的支護及維護。國內(nèi)外學(xué)者對近水平綜采及綜放開采的沿空留巷頂板活動規(guī)律、巷旁支護方式、沿空留巷工藝及留巷圍巖控制進行了研究[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規(guī)律、巷旁支護方式是有一定差異的。本文通過對唐安煤礦3307工作面做沿空留巷試驗，針對柔?；炷翂w的支護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3號煤層進行開采，該煤層上下巖層巖性如表1所示。3號煤層采用綜合機械化采煤法，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)，考慮到時間因素，因此三盤區(qū)只能從3307工作面開始進行沿空留巷試驗，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 巷旁支護設(shè)計

2.1 沿空留巷壓力計算

為對沿空留巷進行支護設(shè)計，需要對巷道頂板壓力進行計算，通過采用分離巖塊法來對沿空留巷上覆巖層所產(chǎn)生的應(yīng)力進行計算，該方法的依據(jù)為對沿空留巷及巷旁支護上覆巖層進行分離，計算巷旁支護體上覆載荷。巷旁支護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)提供了一個主要的自由表面。沿空留巷巷旁支護礦壓計算模型如圖1所示。

圖1 分離巖塊法計算模型

計算公式為：

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為巷旁支護外側(cè)懸頂距，取0.5 m；x為巷旁支護寬度，取1.4 m；bB實體煤距巷旁支護的距離，即留巷寬度取4.4 m；q巷旁支護體所受載荷；計算可得，巷旁支護承受的載荷為：

Q1=4 127 kN/m

巷道兩側(cè)支護體上的荷載來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)引起的動壓，傳統(tǒng)的觀點是通過實測的方法測量所謂的動荷系數(shù)η。根據(jù)綜采經(jīng)驗數(shù)據(jù)，η一般情況下為1 ～ 2，沿空留巷邊支護設(shè)計為2，因此巷道邊支護的最大載荷為:

Q2=2Q1=2×4 127=8 254 kN/m

2.2 墻體承載力驗算

柔?；炷潦侵饕ㄟ^混合纖維來增加其延展性及抗壓強度，因此柔?；炷恋暮诵牟糠钟杉s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，從而使得錨桿對墻體產(chǎn)生一個橫向的約束力，此時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?；炷僚c一般混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系基本相同，但在應(yīng)力達到一般混凝土載荷上限時，柔模混凝土的曲線會繼續(xù)上升，而不會發(fā)生破碎，最后以較為穩(wěn)定的趨勢下降。由于柔?；炷林挥性诔鲆话慊炷恋妮d荷上限時，才會表現(xiàn)出的較大差異，即為強化作用。因此柔?；炷翂Φ挠嬎悴捎萌缦鹿剑?/p>

N2=0.9(fc+4σr)Acor

錨栓的約束應(yīng)力計算公式為：

式中：α1，α2為錨栓的間排距，mm；σb為鋼筋抗拉強度設(shè)計值,MPa；d為錨栓直徑，mm；fc為混凝土抗壓強度設(shè)計值,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為錨栓對巷旁支護體產(chǎn)生的最大約束力，kN；N2為巷旁支護所能承載最大載荷，MPa；計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?；炷裂乜樟粝镌谄渌V井的實踐經(jīng)驗，按照分離巖塊法計算所得的圍巖壓力與留巷圍巖活動穩(wěn)定后墻體承受的荷載接近，為8 254 kN/m；工作面局部異常來壓時(采空區(qū)見方或進入充分采動階段)，墻體承受的荷載與疊加層板法計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壓時的最大載荷15 425 kN(安全系數(shù)1.2)，上述計算尚未考慮頂板錨網(wǎng)索支護結(jié)構(gòu)對巷旁支護的分擔荷載作用，實際安全系數(shù)更高，因此可視巷旁支護強度滿足支護要求。

2.3 巷旁支護參數(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，設(shè)計沿空留巷尺寸為4 400 mm×4 200 mm，巷旁柔?；炷翂挾葹? 400 mm，混凝土強度等級為C30，為了控制混凝土墻體發(fā)生橫向形變，需對墻體進行錨桿支護，根據(jù)相關(guān)資料文獻，確定采用D20 mm×1 550 mm的高強度錨桿，支護板尺寸為150 mm×150 mm×10 mm，雙支護板雙螺母，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，巷道柔模混凝土側(cè)支護橫截面如圖2所示。

圖2 沿空留巷支護橫斷面(mm)

2.4 軌道巷支護強度驗算

經(jīng)專業(yè)機構(gòu)認證，唐安煤礦三盤區(qū)軌道巷圍巖等效為IV級。

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，圍巖壓力增加率，以B=5的圍巖垂直均布壓力為準；當B<5 m時，取i=0.2；當B>5時，取i=0.1；Bt為沿空留巷實際寬度，m；w為沿空留巷寬度系數(shù)；s為巷道圍巖強度等級；r為上覆巖層容重，24 kN/m3；p為上覆巖層對巷道產(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，因此理論計算的錨索長度不得小于3.9+1.5+0.3=5.7 m，而實際錨索長度為8.3 m，滿足計算要求。

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

3 工程應(yīng)用

根據(jù)上述分析結(jié)果，在3307工作面運輸巷實施此項技術(shù)，具體各項施工參數(shù)及施工工藝如前文所述，柔模混凝土墻體實際使用如圖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3309工作面進行回采準備，在回采時，對巷道進行測點布置用了監(jiān)測回采作業(yè)下巷道圍壓變形情況，測站設(shè)置在距3309工作面開切眼60 m處。

圖3(b)為巷道位移監(jiān)測站數(shù)據(jù)匯總。當測站與工作面距離為50～60 m 時，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)，巷道的實體煤幫處的變形較為明顯；測站與工作面距離為30～50 m時，此時巷道變形速率較大，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控制圍巖變形的效果，但實體煤壁位移不緩慢，隨著工作面推進仍保持較高的增加幅度。最后，在距工作面0 m 處，實體煤壁位移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

1) 通過計算巷旁支護上的最大載荷為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壓時的最大載荷15 425 kN，因此柔?；炷翂w的承載能力滿足支護要求。

2) 頂板錨索的支護強度為1 222 kN/m，錨桿和錨索支護強度合計為2 000 kN/m，遠大于圍巖荷載522 kN/m，因此軌道巷支護強度滿足要求。

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