金鳳煤礦011805工作面運輸巷沿空留巷柔模混凝土墻的穩定性分析

岳立偉

摘 要：011805工作面沿空留巷頂板壓力由頂板、柔模混泥土墻體、煤幫共同承擔，根據不同階段頂板巖層運動及其變形特征對巷旁柔模混凝土墻的作用，建立了相應的巷旁充填支護阻力數學模型，求出最小支護阻力并在充填材料力學性能和巷道高度確定的情況下，合理的確定墻體寬度。

關鍵詞：頂板壓力；沿空留巷；支護阻力；柔模墻寬度

柔模混凝土墻主要起支撐頂板和封閉采空區的作用，是沿空留巷的核心問題，而支撐承載性能往往決定沿空留巷的最終效果，混凝土墻體的穩定性不僅取決于墻體本身，還與巖層賦存條件等因素有關，應充分考慮墻體所處的圍巖環境，柔模混凝土墻的寬度過窄，穩定性較差，受基本頂回轉下沉產生的集中應力下容易破壞、失穩；隨著寬度的增加，墻體的穩定性也增加，但是墻體過寬不僅增加經濟成本，而且也增加輔助運輸和施工勞動量。因此，巷旁支護體有一個合理的寬度也是十分重要的。

一、巷旁柔模墻承載結構的概念與特征

采空區側頂板的斷裂旋轉下沉是巷旁柔模混泥土墻體的主要應力來源，載荷通過巖層傳遞，最終由頂板、墻體和煤壁共同承擔，如圖1所示。承載結構具有以下特征：

1、頂板前期活動階段以旋轉下沉為主，來壓強度較小，充填體的作用力主要是平衡巷道上方直接頂及其懸臂部分巖層的重量。為保持巷道頂板的完整性，增加直接頂的自穩能力，要求充填體與巷內支架共同作用，保持直接頂與老頂的緊貼。

2、頂板巖層過渡期活動階段，老頂破斷、失穩、旋轉下沉劇烈。由于直接頂及一定范圍內的老頂垮落破碎，體積增大，充填采空區后，減少了冒落矸石與老頂之間的間隙，為老頂形成穩定結構提供了條件，老頂巖層在采空區側向破斷失穩后形成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個相互咬合的塊體，塊體Ⅱ的回轉下沉對墻體的施載作用最為關鍵。根據關鍵層理論，老頂斷裂后將帶動上覆數個巖層同期破斷，直接頂和柔模混凝土墻體無法控制這種劇烈下沉，只能被動承受塊體Ⅱ的“給定變形”[1]。因此墻體應具有足夠的支護阻力參與頂板運動及平衡，以縮短過渡期頂板劇烈活動的時間，減少留巷頂板過大下沉量。

3、頂板巖層進入后期活動階段，墻體的作用是維持破斷頂板的穩定，其臨界支護阻力為平衡冒落帶對應范圍內巖層的重量。

二、柔模混凝凝土墻體穩定因素分析

保證沿空留巷系統穩定性，要求充填體具有足夠的支護阻力能避免直接頂嚴重破裂，并使其與上位巖層之間不產生較大的離層，以縮短頂板劇烈活動的時間， 減少頂板的下沉量[2]。但是沿空留巷柔模混凝土墻體難以阻止上位巖層取得平衡之前所產生的頂板沉降，因此要求充填體具有足夠的可縮量以適應頂板的活動，使用高塑性材料通過適當的下縮讓壓，充分發揮圍巖的承載能力[3]。

（一）充填體強度

對柔模混凝土墻穩定性分析，首先要了解保持沿空留巷系統穩定需要墻體提供多少支護阻。根據式（1）[4]沿空留巷每米充填體合理的巷旁支護阻力為：

（1）

（1）式中，p為巷旁支護體需要最小的支護阻力，kN；n為垮落層數；r為第1～ n層的巖層平均容重，MN/m3；h為切頂巖層的分層厚度，m；a為巷道維護寬度，m；α為切頂巖層垮落角的余角；Ln為第n層巖層的垮落頂板巖塊長度，m；Rt為第n層巖層的抗拉強度Mpa。如圖2所示。

關鍵塊體的長度為[5]

（2）

式中，S 為工作面長度，011805工作面長度為290m。為周期來壓步距，通過實測確定為15m～18m，從而得出關鍵塊長度為17.6～20.9m。

直接頂垮落后高度 H=M/（Kp-1） （3）

式中，M為011805工作面煤層的厚度取M=4.3m，Kp為直接頂碎脹系數，取Kp=1.4由（3）式得出直接頂垮落后的充填高度后根據三角函數可以算出切頂巖層垮落角的余角α=6°

取n=2；r=2.4×10-2MN/m3 ；h=8m；a=4.2m；α=6°；Ln=19m；Rt=6Mpa。

可得：P=22.43MN/m

金鳳煤礦011805工作面的地質條件，如表1、表2。

011805沿空留巷支護設計中，混凝土配合比見表3。

根據配比混凝土強度達到C25，由此可知柔模混泥土墻的抗壓強度為25MPa

巷旁支護寬度[6]： B=KP/F （4）

式中，B為巷旁支護平均寬度，m；K為安全系數，一般K=1.1～1.2；P為沿空留巷所需的巷旁支護強度，MN/m；F為巷旁支護體成型后1d的抗壓強度，MPa。

將P=22.43MN/m；K=1.1；F=25MPa帶入（4）式求得柔模混凝土墻的墻體寬度為B=0.98m，那么選擇寬度為1m的柔模混凝土墻能滿足需要的強度。

三、結論

1、采用柔模混凝土充填材料具備早期強度高，增阻速度快的力學特性，能夠及時支護直接頂，控制巷道圍巖的變形，有利于留巷圍巖的穩定。2、基本頂回轉下沉以及直接頂彎曲下沉造成充填體上部受力較大，出現應力集中，采用高塑性材料在充填體上部與頂板之間接頂，能避免應力集中對充填體的破壞。3、通過建立數學模型，計算得出當柔模混凝土墻硬度達到C25時墻寬選用1m能滿足要求。

參考文獻：

[1]韓昌良，張農，李桂臣.覆巖分次垮落時留巷頂板離層形成機制[J].中國礦業大學學報，2012，41（6）：893-899.

[2]張吉雄，李劍，安泰龍.矸石充填綜采覆巖關鍵層變形特征研究[J].煤炭學報，2010，35（3）：357-362.

[3]蘇清政，郝海金.巷旁充填體可縮性對沿空留巷頂板運動的適應性分析[J].焦作工學院學報，2002，21（5）：33-333.

[4]孫恒虎，趙炳利.沿空留巷的理論與實踐[M].北京：煤炭工業出版社，1993.

[5]李學華.綜放沿空掘巷圍巖穩定性控制原理與技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，2008.

[6]黃玉誠，孫恒虎.沿空留巷護巷帶參數的設計方法[J].煤炭學報，1997，22（2）：127-131.endprint