屯蘭礦沿空留巷巷旁支護體的穩定性研究

羅 中 周昌臺 王志留 杜繼芳

（1.山西焦煤集團西山煤電公司屯蘭礦，山西省古交市，030206；2.中國礦業大學 （北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083）

近年來，隨著無煤柱護巷技術的發展，沿空留巷得到了長足發展和廣泛應用，比傳統的無煤柱護巷具有更好的技術經濟優勢。我國學者對沿空留巷的支護與穩定進行了研究與探索。

由于沿空留巷位于采空區邊緣，沿空留巷處于不穩定的狀態，其中巷旁支護體的穩定不僅是沿空留巷支護的關鍵，而且還關系著沿空留巷圍巖的穩定性。因此本文選取山西焦煤西山煤電集團有限責任公司屯蘭礦18205運輸平巷為研究對象，通過理論推導、數值分析和工程實踐對巷旁支護的穩定性進行研究。

1 地質工程條件

屯蘭礦18205工作面主采8＃煤層，煤巖總厚度2.3～3.74 m，平均厚3.29 m，煤層整體傾向西，傾角4°～6°。工作面煤巖層鉆孔巖性見表1。18205工作面軌道巷為沿空留巷，巷道為矩形斷面，巷道斷面設計高為3.5 m，寬5.5 m，斷面19.25m2。

2 巷旁支護體力學分析

隨著采煤工作面的推進，上覆巖層的結構隨之運動，特別是關鍵層的破斷與移動對沿空留巷的圍巖穩定有關鍵的影響，沿空留巷的圍巖結構圖如圖1所示。

表1 18205工作面煤層頂、底板巖性

圖1 沿空留巷圍巖結構圖

隨著工作面上區段回采工作面的推進，采空區上覆巖發生垮落，老頂形成 “O-X”破斷，同時發生周期性垮落，在沿空留巷旁邊破斷形成弧形三角塊B，弧形三角塊不僅對沿空留巷的上覆巖層的圍巖穩定起到關鍵性作用，而且還對巷旁支護體的穩定起到作用。隨著工作面的推進，冒落矸石不斷堆積，弧形三角塊受煤體和冒落矸石支撐而重新取得平衡，受力分析圖如圖2所示。沿空留巷切頂阻力計算：

圖2 沿空留巷切頂阻力計算模型

應力極限區寬度b可用下式求解：

無矸石支護寬度e可用下式計算：

ΔS 為C 巖塊切斷時巖塊的下沉量ΔSC與基本頂垮落前B 巖塊下沉量ΔSB之差：

式中：P——支護體的支護阻力，MPa；

b——應力極限平衡區寬度，m；

c——巷道寬度，m；

d——充填體的寬度經驗值，m；

e——無矸石支護寬度，m；

g——矸石支撐范圍，m；

h——老頂巖層厚度，m；

qb——直接頂、B 巖塊及上部巖層單位長度的重量，N／m；

Fc——矸石對上覆巖層的支撐力，N；

ΔSB——基本頂垮落前B 巖塊下沉量，m；

ΔSC——C 巖塊切斷時巖塊的下沉量，m；

t——直接頂厚度，m；

Kp——殘余碎脹系數；

f——矸石對巖塊的支撐強度，N／m2；

M0——基本頂B 巖塊殘余彎矩，MN·m；

C0——頂底板與煤層交界面粘聚力，MPa；

φ0——頂底板與煤層交界面粘聚力內摩擦角，（°）；

M——采高，m；

Px——支架對煤幫的支護阻力，N；

A——側壓系數；

H——開采深度，m；

γ——上覆巖層平均容重，N／m3；

k——應力集中系數；

l——基本頂來壓步距，m；

Lm——工作面長度，m；

α——B巖塊與水平面的夾角，（°）。

根據18205工作面軌道巷的基本地質條件，地質參數如下：α=6°，M=3.29 m，H=331.5 m，t=2.42 m，γ=2.5×104N／m3，C0=2.05 MPa，φ0=28°，f=0.25γH，g=1／3e，h=4 m，Px=0.0375 MPa，A=0.8，Kp=1.1，l=23m，Lm=211m，qb=5×104N／m，k=2，c=5.5 m，d=2.5m，b 為間接參量，由式 （5）可求，M0=0（考慮最危險情況），將各參數的值代入上述式中求得各間接參量的值，并由式 （1）計算可得切頂支護阻力為18.802 MPa。

巷旁支護體的寬度主要由切頂支護阻力和充填體強度確定：

式中：w——巷旁充填體的計算寬度，m；

k1——充填體強度降低系數，取0.8～0.9；

σ——充填體強度，MPa。

根據充填材料配比充填體的平均強度可按9.23 MPa考慮，代入式 （9）可以得出充填體的支護寬度為2.26～2.55m。

3 巷旁支護體數值模擬計算

在圍巖結構確定的情況下，巷旁支護體的穩定性與巷旁支護體的充填強度、巷旁支護體的尺寸和巷道支護方式有密切的關系。當充填材料已經確定，那么，巷旁支護的充填強度隨之確定，假設巷道的支護形式也已確定，那么，巷旁支護體的穩定性只與充填體的寬度有關系。

3.1 模型的建立

采用大型工程數值模擬軟件FLAC3D 模擬巷道圍巖變形和應力分布特征。將模型分為7層，模型設計尺寸為150m×150m×37.2m （長×寬×高），垂直應力為8.29 MPa， 水平應力為6.63 MPa，模型兩側水平方向固定，底部垂直方向固定，采用摩爾-庫倫模型。巖層的力學參數見表2。

表2 巖層的力學參數

3.2 模擬方案

為模擬工作面推進過程，采用分步開挖，每步開挖2.4m，模擬工作面每移架3個步距，充填一次，共開挖30步，模擬工作面回采72m，充填高度為3.5 m，分別模擬巷旁支護體寬度為2 m、2.5m、3m 的情況下，巷旁支護體的垂直應力和變形量，在模型中布置測點，監測其變化量。

3.3 模擬結果及分析

分別模擬了3種不同寬度的巷旁支護體支護情況下，垂直應力與距工作面距離的關系、垂直應力與巷旁支護體的寬度的關系以及巷旁支護體下沉量與巷旁充填體距離的關系，見圖3～圖5。

圖3 垂直應力與距工作面距離的關系

（1）如圖3所示，3種不同寬度的巷旁支護體垂直應力隨著距離工作面的變化趨勢一致，均隨著距離工作面的增加而增加，且垂直應力在工作面推進至30 m 后基本保持不變，趨于平穩，分別為14.9 MPa，17.2 MPa，18 MPa；巷旁支護體垂直應力與支護寬度呈正比，支護寬度越大，垂直應力越大。支護寬度為2 m 較1.5 m 垂直應力增加2.3 MPa，2.5m 較2 m 垂直應力增加0.8 MPa，前者的增加幅度是后者的2.875倍。

圖4 垂直應力與巷旁支護體寬度的關系

圖5 巷旁支護體下沉量與巷旁充填體距離的關系

（2）如圖4所示，3種不同寬度的巷旁支護體垂直應力隨著支護體寬度的增加也呈現一致變化趨勢，垂直應力先升高后降低，在巷旁支護體中部達到最大值，垂直應力分布形態呈近三角形分布。隨著巷旁支護體寬度的增大，垂直應力的近三角形分布形態的頂角逐漸變大，因此垂直應力的分布形態隨著支護體寬度的增大從近三角形變為近梯形，承載能力逐漸變大。

（3）如圖5所示，巷旁支護體受上部巖層移動影響而下沉的下沉量與支護體寬度呈反比，支護體寬度越寬下沉量越小，最小下沉量分別為150mm、130mm、120mm，支護體寬度為1.5m 的最小下沉量較支護體寬度為2 m 的最小下沉量增加20 mm，支護體寬度為2m 的最小下沉量較支護體寬度為2.5m 的最小下沉量增加10 mm，前者的下沉量的差值是后者的兩倍，說明當支護體寬度從1.5m 增加到2m 時對最小下沉量影響明顯，而從2m 增加到2.5m 時下沉量變化并不明顯。隨著巷旁支護體寬度變化，3種巷旁支護體的下沉量斜率基本一致，說明巷旁支護體不能改變上覆巖層的基本運動規律，關鍵塊體隨著工作面的推進而移動回轉，造成巷旁支護體在靠近實體煤側的下沉量小于靠近采空區側下沉量。

綜上所述，巷旁支護體的寬度越寬，其承載能力越大，但是成本會相應地增加，當巷旁支護體的寬度為2.5 m 時，巷旁支護體的下沉量和頂板下沉量均較小，支護體和巷道圍巖均處于較穩定的狀態，并且巷道成本較低，因此，確定合理的巷旁支護體寬度為2.5m。

4 工程應用

4.1 巷旁支護體支護參數

針對沿空留巷的巷旁充填體支護問題，分別采用錨帶網和內置鋼筋網對充填體外和充填體自身進行加固。在充填墻體上沿巷道走向布置3 排由?14mm鋼筋焊接而成2.6m 長的托架，每根托架上布置4個孔，每兩根托架進行對接，采用IV 級左旋專用螺紋鋼超高強預拉力錨桿、8＃鋼筋網聯合支護，錨桿規格為?20 mm -M22 mm -1600 mm。每根錨桿采用一節Z2355型中速樹脂藥卷加長錨固，錨桿間距為900 mm，排距為800 mm。充填體外支護平面圖如圖6所示。

在錨帶網加固基礎上，噴射薄層混凝土密封充填墻體表面，防止圍巖表面風化。噴層厚度50mm，混凝土配比為水泥∶黃沙∶石子=1∶2∶2。

采用在充填體內放置鋼筋網的方法對充填體自身進行加固。充填前在充填模內布設鋼筋網，鋼筋直徑為8 mm，鋼筋網的方格尺寸為150 mm×150mm，鋼筋網規格為2250 mm×3000 mm （長×寬）。充填墻體內共放置5片鋼筋網，垂直于軌道巷兩幫和底板布置3片鋼筋網，在鋼筋網的中部以及距頂底板各300mm 處用直徑為16mm、長度為2100mm 的螺紋鋼將3片鋼筋網連接起來，其中鋼筋網間距為1000 mm，每片鋼筋網距離充填模兩面模板各200mm。平行于軌道巷兩幫布置2片鋼筋網，并用鐵絲使其與之前的3片鋼筋網連成一體。

圖6 充填體錨帶網支護圖

4.2 巷旁支護體受力觀測

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，自開切眼10 m 開始布置間隔為10 m的觀測點5個，隨后布置間隔為50 m 的觀測點5個，累積總觀測距離為300m。充填體受力觀測測站布置見圖7 （a）。

在每個觀測點處充填體內布置2個液壓枕，布置高度為1.75m，兩液壓枕距充填體兩邊邊緣為1m，觀測點斷面布置圖見圖7 （b）。

圖7 巷旁充填體受力觀測布置圖

1號檢測點充填體的縱向變形量、縱向變形速度和工作面距離的關系如圖8所示，從圖8中可以得出，充填體明顯經過3個階段達到平穩狀態：

（1）初始階段。在該階段，由于上覆巖層大結構的弧形三角塊未直接接觸巷旁充填體，因此，巷旁充填體的縱向方向的位移較小，變形速度也接近零。

（2）變形劇烈階段。該階段弧形三角塊直接與巷旁支護體發生接觸并且發生轉動，巷旁充填體承受上覆巖層的載荷急劇增加，隨之巷旁充填體的縱向位移和縱向變形速度急劇增加，縱向變形速度可達到12mm／d。

（3）變形穩定階段。由于弧形三角塊與采空區接觸，形成穩定的結構，而巷旁充填體位于穩定的三角區域以下，并且在巷旁充填體充填材料固化后，充填體的材料力學性質趨于穩定，縱向變形量趨于穩定，縱向變形速度重新趨近于零。

最終的巷旁充填體的變形量為184mm，滿足沿空留巷的要求。

圖8 巷旁支護體與距離工作面距離的關系

5 結論

（1）建立沿空留巷的受力模型圖，巷旁支護體的穩定受上部關鍵巖塊運動的影響，巷旁支護體并不能改變頂板運動的狀態，但是合理寬度的巷旁支護體可以有效改善圍巖的穩定性。

（2）通過力學分析和數值模擬分析確定18205工作面軌道巷巷旁支護體的合理寬度為2.5m。

（3）工程實踐表明，確定的巷旁支護體采用錨桿和鋼筋網對墻體加固，巷旁支護體變形量小，服務期間表現穩定，可以適應頂板關鍵巖塊的移動，能夠很好地支護頂板、維護巷道。

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