柔模混凝土沿空留巷圍巖活動規律與支護研究

摘要：隨著錨桿支護技術及綜采（放）技術的全面推廣和應用，一方面錨桿支護在控制巷道圍巖穩定的同時，卻會使采空區漏風嚴重；另一方面工作面瓦斯涌出量急劇增大，給煤礦安全生產造成安全隱患。采用沿空留巷技術不僅可以發揮錨桿支護控制圍巖穩定的優勢，而且能夠改變采空區的風流及瓦斯運移規律，大大提高了瓦斯難抽放、易自燃煤層工作面的單產水平。沿空留巷技術是煤礦安全開采技術的一項重大突破，具有巨大的社會經濟效益與安全高效開采效益。

關鍵詞：柔模混凝土；煤炭開采；錨桿支護；圍巖穩定；沿空留巷 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD353 文章編號：1009-2374（2015）05-0121-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0392

1 概述

我國是世界上產煤第一大國，目前中國的煤炭年產量占世界全部年產量的46%，煤炭為我國各行各業提供了近70%的能源；即使到2050年中國形成能源的多元結構，煤炭仍然要在我國能源結構中占40%以上的份額。我國《能源中長期發展規劃綱要（2004～2020年）》中已經確定，中國將堅持“以煤炭為主體、電力為中心、油氣和新能源全面發展的能源戰略”。中國煤炭工業將繼續保持強勁的發展趨勢，在今后相當長一段時期內，煤炭作為我國主導能源與基礎能源的地位都無法替代。

隨著我國煤礦巷道支護技術的發展，特別是高強度、高預應力錨桿與銷索支護技術的迅速發展，使大斷面回采巷道的使用成為可能。沿空留巷技術是煤礦開采發展方向之一。煤礦瓦斯治理是世界性難題，美國、英國、德國、俄羅斯等國家多次發生瓦斯爆炸事故。沿空留巷技術是煤礦開采及回釆巷道支護技術的一項重大改革，對提高煤炭資源回收率、降低巷道掘進率、緩減采掘緊張關系和實現礦井集約化生產有顯著效果，并為高效抽采采動卸壓煤層氣、治理煤層群瓦斯提供最佳的工作空間。因此，對深井大斷面沿空留巷圍巖穩定控制機理進行深入研究可以為深部礦井的煤與瓦斯共采和我國煤炭資源的綠色開采奠定基礎。

2 圍巖活動規律分析

留巷圍巖變形在采動影響下由不穩定變為穩定，具體過程如下：首先在回采工作面超前支承壓力作用下，煤壁前方的留巷頂板發生變形、破壞。其次當回采工作面推進到巷道其中的某一斷面時，靠近已經工作面側失去煤幫的支撐，因此留巷頂板急劇下沉，并且急劇向采空區側傾斜。當直接頂垮落充滿采空區后，又對老頂位態進行了限制，裂隙帶巖層得以支撐，使得留巷頂板變形緩和。最后采空區矸石被進一步壓實后，留巷圍巖變形又得以穩定。

沿空巷道頂板移動規律受采場覆巖破斷規律的影響，特別是采空區側的頂板運動規律留巷圍巖的活動起到決定作用。工作面推進一定距離后，采空區老頂將形成“O-X”型破斷。由于老頂的本身厚度、抗拉強度、墊層（煤層和直接頂）、載荷層厚度等因素的影響，老頂一般在煤體內斷裂。理論和實測沿空留巷礦山壓力研究結果表明，柔模混凝土留巷圍巖結構模型的建立是基于截面單位寬度進行的。

3 沿空留巷圍巖與支護剛度匹配分析

3.1 直接頂剛度分析

留巷直接頂在單軸載荷作用下，其剛度為：

3.2 巷旁支護剛度分析

混凝土支護剛度：

混凝土支護彈性模量：

3.3 留巷底板剛度研究

不同于采場底板，由于留巷底板暴露時間比較長，采動影響后裂隙非常發育，在長期通風、排水等因素作用下，圍巖進一步老化。現場勘察表明，底板下部0.6m范圍內，圍巖受到破壞，幾乎沒有承載能力。滿足溫克爾假設條件，地基系數可近似表示為：，其中，H代表直接底的厚度，m；Es代表直接底的壓縮

模量。

直接底變形模量與壓縮模量之間可通過下式描述：

分析上述公式發現，可以通過降低直接底板的厚度或提高底板的強度來提高底板剛度。

4 動壓巷道圍巖變形規律及破裂范圍

井下開采時，巷道穩定性受多種因素影響，主要包括：（1）巷道受到的應力；（2）巖石自身力學性質，包括單向抗壓極限強度、應變軟化程度（系數）和殘余強度等；（3）支護，包括巷道掘進半徑和支護阻力。破裂區范圍越大，彈塑性變形誘導的巷道收斂就越小，破裂膨脹變形誘導的巷道收斂就越大。巷道礦山壓力控制主要是控制圍巖的破裂區范圍，通過數值模擬和現場實測手段，結合理論計算結果，分析2307輔助進風巷破裂范圍以及工作面礦壓出現規律，并由此確定巷道礦壓控制原則和控制措施。

沿空留巷頂板巖層活動劇烈，因此必須通過巷內支護手段控制圍巖大變形。巷內支護一方面是主動控制頂板垮落帶范圍內巖層的橫向剪切錯動，另一方面是主動控制頂板垮落帶范圍內巖層的縱向碎脹變形，即將頂板垮落帶范圍內的巖層錨固成一個“組合剛性頂板”，提高頂板剛度，確保留巷頂板與柔模混凝土巷旁支護的剛度匹配，更好地控制圍巖變形。被動支護不具有這種能力，只能通過高強度、高剛度和高預應力的錨桿（索）主動支護來實現。

基于“組合剛性頂板”理論的支護設計方法：在沿空留巷的工程實踐基礎上，結合理論研究，提出了沿空留巷巷內支護的“組合剛性頂板”理論。該理論的主要思想就是當錨桿（索）長度、預應力和支護強度大到一定程度時，沿空留巷垮落帶范圍內的頂板離層和橫向剪切錯動得以消除，使巷道頂板形成“組合剛性頂板”，不考慮巷旁支護的影響，該頂板本身也是一個“自承結構”。基于“組合剛性頂板”理論的三步驟巷內錨桿（索）支護設計流程為：圍巖地質力學評估→錨桿（索）設計→支護參數優化。

5 結語

沿空留巷直接頂板的剛度與其整體強度和控頂距（巷道寬度和巷旁支護寬度之和）之積成正比，與直接頂板厚度成反比。柔模混凝土沿空留巷巷旁支護剛度與柔模混凝土的強度和巷旁支護寬度之積成正比，與巷旁支護高度成反比。巷道圍巖隨著開采深度增大或受動壓影響，切向應力峰值位置向巷道圍巖深部轉移，而巷道周邊巖體的承載能力逐漸降低。同時，開采深度增加或受動壓影響，巷道圍巖應力增大，導致巷道圍巖破裂范圍增大，從而使得巷道圍巖穩定性大大降低。沿空留巷頂板巖層活動劇烈，因此必須通過巷內支護手段控制圍巖大變形，而被動支護不具有這種能力。因此，只能通過高強度、高剛度和高預應力的錨桿（索）主動支護來實現。

參考文獻

[1] 馮光明.超高水充填材料及其充填開采技術研究與應用[D].中國礦業大學，2009.

[2] 王淮海.我國能源結構與資源利用效率分析[N].中國信息報，2006-04-26.

[3] 康紅普，王金華，林健.煤礦巷道錨桿支護應用實例分析[J].巖石力學與工程學報，2010，29（4）.

[4] N G Baxter，T P Watson，B N Whittaker.A study of the application of T-H support systems in coal mine gate roadways in the UK[J].Mining Science and Technology，1990，10（2）.

作者簡介：賀化平（1979-），男，河南永城人，河南理工大學能源科學與工程學院工程師，碩士，研究方向：技術

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（責任編輯：陳 倩）