大斷面巷道沿空留巷巷旁充填體受力分析與加固

邢繼亮 李永亮 李 崢 李文超 梁遠濤 郭佳浩

（1.中國礦業大學 （北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083；2.山西焦煤五麟煤焦開發有限責任公司，山西省汾陽市，032200）

大斷面巷道沿空留巷巷旁充填體受力分析與加固

邢繼亮1，2李永亮1李 崢1李文超1梁遠濤1郭佳浩1

（1.中國礦業大學 （北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083；2.山西焦煤五麟煤焦開發有限責任公司，山西省汾陽市，032200）

為實現高瓦斯工作面Y型通風，以屯蘭礦18205工作面為工程背景，實施大斷面巷道沿空留巷技術。分別對寬度為2.0 m、2.5 m、3.0 m巷旁充填體在二次采動條件下受力情況進行數值模擬分析，得出合理的充填體寬度為2.5 m，對其進行內部受力分析，呈現剪切破壞現象。加固采用充填體外布置錨帶網，充填體內布置鋼筋網的內外加固措施，現場實測表明沿空巷道礦壓顯現平穩，該充填體能夠滿足生產需要。

大斷面巷道 沿空留巷 充填體 受力分析 加固

西山煤電集團公司是我國的焦煤生產基地，礦區煤層開采以中厚煤層和薄煤層為主。公司所屬屯蘭礦為高瓦斯礦井。8＃煤層相對瓦斯涌出量為8.63～15.49 m3／t，瓦斯壓力值達到1.9 MPa，多工作面同時開采，采掘銜接緊張。區段之間一般留設20 m的護巷煤柱，工作面預留瓦斯尾巷，造成煤炭資源回收率低和瓦斯治理困難。針對屯蘭礦的具體情況，研究適應于屯蘭礦高瓦斯工作面的沿空留巷技術，實現Y型通風，以解決瓦斯治理難題、提高資源回收率、緩解工作面采掘銜接緊張，實現礦井安全、高效、可持續發展。

1 工作面概況

屯蘭礦18205工作面為沿空留巷工作面，該工作面主采8＃煤層，煤厚平均3.29 m，煤層傾角4～6°，煤層老頂為厚4.21 m粉砂巖，直接頂為厚2.42 m石灰巖，直接底為0～1.2 m泥巖，老底為2.08 m中砂巖。工作面走向長1592 m，傾斜長211 m。工作面采用兩巷加一借用巷道的布置方式，3條巷道相互平行，實現工作面Y型通風。軌道巷為沿空留巷巷道，矩形斷面，高3.5 m，寬5.5 m，斷面19.25 m2，錨帶網支護。巷道具體布置方式見圖1。

圖1 沿空留巷工作面巷道布置平面圖

2 巷旁充填體受力數值模擬分析

在采空區與軌道巷之間布置巷旁充填體，為確定充填體合理寬度，根據工作面地質條件，采用FLAC3D數值模擬軟件分別對寬度為2.0 m、2.5 m、3.0 m的充填體在二次采動影響下的受力情況進行分析。

對充填體在二次采動影響下的受力情況進行模擬，得出2.0 m寬充填體在工作面前方30 m、60 m、90 m處的支承壓力分別為33.3 MPa、31.9 MPa、30.1 MPa；2.5 m寬充填體在工作面前方30 m、60 m、90 m處的支承壓力分別為23.2 MPa、22.5 MPa、20.9 MPa；3.0 m寬充填體在工作面前方30 m、60 m、90 m處的支承壓力分別為18.3 MPa、17.1 MPa、15.8 MPa。結合數值模擬二次采動影響下工作面前方破壞區可知，2.0 m、2.5 m、3.0 m種充填墻體在超前支承壓力作用下基本不破壞，均可滿足沿空留巷的要求。2.0 m寬充填墻體工作面前方支承壓力較大，對充填材料強度要求較高。充填墻體的寬度設計為3.0 m時，每個充填步距需要充入的料漿就增多，這樣就增大了成本，且按照目前屯蘭礦充填條件，將多耗費約半小時的充填時間。當墻體的寬度設計為2.5 m時，無論是對充填墻體強度的要求，還是實際充填工作量都更為合理。因此，該沿空留巷工作面的充填墻體寬度設計為2.5 m，對該寬度的充填墻體受力情況作進一步的理論分析。

3 巷旁充填體內部受力分析與加固

3.1 充填體內部受力分析

巷旁充填體為膏體混凝土材料整體澆注而成，每次充填的長度為2.4 m，寬度為2.5 m。充填體在采空區與工作巷道內的寬度分別為1.6 m和0.9 m。混凝土是一種有很多微裂縫的固體，其破壞過程就是這些裂縫的發展過程。混凝土是一種不均勻材料，在骨料和砂漿結合面上常常發生應力集中，這是使混凝土產生開裂的主要原因。混凝土強度破壞準則試驗研究表明，混凝土材料主要有拉伸和剪切兩種破壞形式，國內學者推導出適合于混凝土的抗剪強度計算的表達式為：

式中：ft、fc——為混凝土單拉和單壓強度；

φ——材料的內摩擦角。

根據國內外學者對混凝土破壞強度的實驗結果分析知，混凝土的抗剪強度和抗壓強度之比在0.095～0.121之間，混凝土的劈裂抗拉強度和抗壓強度的比值在0.083～0.167之間，并且抗拉強度小于抗剪強度。將沿空留巷巷旁充填材料膏體混凝土的相關參數和充填體在二次采動條件下受力參數代入混凝土的抗剪強度計算表達式中，充填體內所受到的剪切力為5.2 MPa，而通過試驗分析該混凝土的最大抗剪強度為3.7 MPa，因此，在充填體內將產生剪切破壞，因此要對充填體進行加固，提高其強度，發揮支護效能。

3.2 充填體的加固

3.2.1 充填體外加固

在充填墻體表面，沿巷道走向布置3排長為2.6 m，四孔的?14 mm型托架，每兩根托架相互對接，采用8＃鋼筋網、IV級左旋錨桿專用螺紋鋼超高強預拉力錨桿聯合支護，在墻體不平整處采用菱形金屬網。采用規格為?20 mm×1600 mm的錨桿。錨桿采用一節Z2355型中速樹脂藥卷加長錨固；錨桿的間排距為900 mm×800 mm。錨帶網支護平面圖見圖2。

在錨桿鋼帶鋼筋網聯合加固基礎上，為防止圍巖風化，噴射厚度為50 mm的混凝土密封充填墻體表面。

3.2.2 充填體內加固

為增加充填體的強度，在充填墻體內共放置5片鋼筋網，實現對充填墻體的加固，鋼筋網規格長2250 mm、高3000 mm，采用直徑為8 mm的鋼筋，鋼筋網方格尺寸為150 mm×150 mm。垂直于軌道巷兩幫和底板布置3片鋼筋網，在鋼筋網的中部用直徑為16 mm、長度為2100 mm的螺紋鋼將3片鋼筋網連接起來，使鋼筋網之間的距離為1000 mm，每一片鋼筋網距離兩面模板各200 mm。平行于軌道巷兩幫布置兩片鋼筋網，并用鐵絲使其與之前的3片鋼筋網連成一體。

圖2 充填墻體錨帶網支護參數圖

由于受到巷道頂底板不平整、底板浮煤未及時清理及充填工藝的影響，充填體與頂底板接觸不密實，充填體受力不均使充填體產生縫隙，為了防止采空區瓦斯的泄漏，需要對充填體縫隙進行噴漿密封。

4 巷旁充填體受力現場實測

4.1 充填體受力觀測方案

圖3 工作面充填體受力觀測方案示意圖

沿空留巷充填體的受力觀測為檢驗充填效果提供科學評價依據，根據受力觀測原則及屯蘭礦實際礦壓情況，在距離工作面開切眼10 m處，布置5個相互間隔為10 m的觀測點，緊接著布置5個相互間隔為50 m的觀測點；在每個觀測點處充填體內布置2個液壓枕，使液壓枕距離底板的高度為1.75 m，液壓枕距充填體兩邊邊緣各為1 m。總觀測距離為300 m。充填體受力觀測方案示意圖見圖3。

4.2 充填體受力實測分析

根據充填體受力觀測方案，進行了充填體在首次采動影響下的受力觀測。根據觀測結果可以得出充填體受力為2～4 MPa，充填體中測力錨桿受力為5～25 MPa，說明在首次采動影響下充填體受力較小。結合有關留巷兩幫位移、頂板離層觀測結果，以及瓦斯治理成效，表明在采動影響下沿空巷道整體礦壓顯現比較平穩；Y型通風瓦斯治理效果顯著，設計寬度為2.5 m的膏體混凝土巷旁充填體能夠滿足生產需要。

5 結論

根據對寬度為2.0 m、2.5 m、3.0 m的沿空留巷巷旁充填體在二次采動影響下受力數值模擬分析以及現場生產實際，得出合理的巷旁充填體寬度為2.5 m；現場實測表明采用充填體外布置錨帶網，充填體內布置鋼筋網的內外加固措施，能夠防止充填體產生剪切破壞，提高其強度，發揮支護效能，使沿空巷道礦壓顯現平穩。

［1］石建軍，師皓宇.沿空留巷礦壓顯現規律模擬研究［J］.中國煤炭，2012（10）

［2］陳勇，柏建彪，徐營等.沿空留巷巷旁支護體寬度的合理確定 ［J］.煤炭工程，2012（5）

［3］李宏，劉西拉.基于混凝土破壞準則的抗剪強度計算 ［J］.工程力學，1993（1）

［4］施士昇.混凝土的抗剪強度、剪切模量和彈性模量［J］.土木工程學報，1999（2）

［5］李農，侯端明，卞景強等.復合頂板沿空掘巷支護技術研究與實踐 ［J］.中國煤炭，2011（8）

［6］楊寶貴，孫恒虎，劉華生等.配置鋼筋對高水固結充填體的影響 ［J］.北京科技大學學報，1999（5）

Force analysis and strengthening on filling body beside gob-side entry retained in roadway with large section

Xing Jiliang1，2，Li Yongliang1，Li Zheng1，Li Wenchao1，Liang Yuantao1，Guo Jiahao1
（1.Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining＆Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.Wulin Coal ＆Coke Development Co.，Ltd.，Shanxi Coking Coal Group，Fenyang，Shanxi 032200，China）

In order to achieve the Y-type ventilation in high-gas working face，the 18205 working face in Tunlan Mine being taken as the engineering background，the technology of gobside entry retained in roadway with large section was carried out.Numerical simulation analyses were respectively conducted on the stress status of filling bodies beside roadway with the widths of 2.0m、2.5m and 3.0m under the secondary mining and drew that the reasonable width of filling body is 2.5m.According to its internal stress analysis，there was shear failure in it.The measures of internal and external strengthening were put into use：bolting with mesh was set on the exterior of the filling body and steel mesh was laid in the interior.Field measurements indicated that the ground behavior in gob-side entry was smooth and the filling body met the need of production.

roadway with large section，gob-side entry retained，filling body，stress analysis，strengthening

TD353

A

邢繼亮 （1976-），男，山西平遙人，在讀博士，現任山西焦煤五麟煤焦開發有限責任公司副總經理，主要從事礦山壓力方面研究。

（責任編輯 張毅玲）