放頂煤軟巖巷道柔模混凝土沿空留巷技術研究

趙小男

(山西煤炭進出口集團 左云草垛溝煤業有限公司， 山西 大同 037000)

沿空留巷是合理開發煤炭資源，提高煤炭采出率，減少巷道掘進量，緩解采掘接續緊張狀況，有利于礦井安全生產和提高礦井經濟效益的一項先進的地下開采技術[1-3]. 目前，針對沿空留巷工藝的研究主要集中在中深礦井的薄煤層工作面，對于埋深小于300 m 的淺埋深3.5 m以上厚煤層研究較少[4-7]. 以霍爾辛赫礦厚煤層放軟巖底板頂煤工作面為研究對象，以數值模擬、理論分析、現場試驗的方法研究柔模支護及底鼓控制技術。

1 工程背景

霍爾辛赫礦3605工作面煤層平均厚度5.9 m，埋深為465～525 m，煤層結構簡單，屬穩定型煤層，傾角為5°～18°，平均8°. 偽頂、直接頂、基本頂依次為泥巖、細砂巖、細粒砂巖，厚度依次為0.2 m、12.51 m、8.95 m.

2 爆破切頂卸壓

1) 切頂高度計算。

為使綜放工作面頂板垮落矸石充滿采空區，切頂高度MZ可根據如下公式計算：

C=(1-η)TKm

式中：

MZ—切頂高度，m；

KA—冒落巖層的碎脹系數，取1.25；

H—割煤高度，m，取3.1；

T—頂煤厚度，m，取2.8；

SA—基本頂下位巖梁觸矸處的沉降值，在一般采場SA=0.2H；

C—殘煤厚度，m；

η—放出率，取0.85；

Km—頂煤垮落后的碎脹系數，取1.2；

經計算得：MZ=19.104 m.

2) 切頂高度數值模擬。

模擬切頂高度為20 m時的圍巖應力情況，得到3605工作面順槽巷道圍巖應力的情況，發現當切頂高度20 m時切頂效果較好，見圖1中應力集中形態，應力集中在煤柱內，有利于沿空留巷。

圖1 切頂20 m時應力集中云圖

通過理論計算和FLAC3D數值模擬兩種方法最終確定切頂高度為20 m.

3 巷道支護

1) 巷旁支護方式。

根據分離巖塊法計算沿空留巷壓力：

式中：

q—支護體載荷，MPa；

bB—支護體內側到煤壁的距離，m，本次支護中支護體左側邊緣與巷道右幫在一條鉛垂線上，計算可得該距離為4；

x—支護的寬度，m，取1.5；

bc—支護體外側懸頂距，m，取0.2；

γs—頂板巖塊容重，kN/m3，取27；

h—有效采高，m，取5.9；

θ—剪切角，(°)，根據經驗選取26；

α—煤層傾角，(°)，為8.

計算可得，巷旁支護承受的壓力為：q=12.1 MPa，即單位長度巷旁支護承受的最大壓力為：N=18 216 kN/m.

柔?；炷翂w的承載力計算公式為：

N2=φ(fcc+4σr)A′c

錨栓的約束應力計算公式為：

式中：

N2—柔?；炷翂w的承載能力，kN/m；

φ—素混凝土構件的穩定系數，l0/b=1.5H/b=1.5×5.5÷1.5=5.5，查閱規范可知，素混凝土構件的穩定系數取0.96；

σr—錨栓套箍作用的有效約束應力，MPa；

fcc—素混凝土抗壓強度設計值，MPa，C30混凝土時，取14.6；

A′c—混凝土受壓區的面積；

d—錨栓直徑，mm，取22；

σb—鋼筋抗拉強度設計值，MPa，500號鋼筋取435；

a1a2—錨栓的間排距，mm×mm，取800×750.

計算可得錨栓的約束應力為：

N2=22 608 kN/m

柔?；炷翂w的承載能力為22 608 kN/m，大于作用在墻體上的最大載荷18 216 kN/m，理論計算安全系數為1.24，因此可視支護結構為安全。

2) 巷內支護方式。

巷道內頂板支護方式為：左旋無縱肋螺紋鋼筋d22 mm×2 400 mm，錨桿間排距為1 050 mm×1 100 mm；錨索d22 mm×7 300 mm，間排距為1 700 mm×1 100 mm，“三0三”布置。巷幫支護：左旋無縱肋螺紋鋼筋d22 mm×2 400 mm，錨桿間排距為1 000 mm×1 100 mm. 錨索d22 mm×5 300 mm，間排距為1 700 mm×2 200 mm. 永久加固支護：錨索：d22 mm×5 300 mm，間排距為1 500 mm×2 200 mm. 臨時支護：超前工作面50 m范圍內沿順槽走向采用一梁四柱進行臨時加強支護，滯后工作面150 m范圍內沿順槽走向采用一梁三柱進行臨時加強支護，排距1 100 mm.

3) 高壓噴射注漿加固底板。

采用同軸雙通道二重注漿管復合噴射高壓水泥漿(通常水泥和水比例為1∶1、壓力20～40 MPa)和壓縮空氣(風量3.2 m3/min、風壓0.6～0.8 MPa)兩種介質，以漿液作為噴射流，但在其外圍裹著一圈空氣流成為復合噴射流，加固霍爾辛赫煤礦3605工作面松軟煤底。每延米復合基地的承載力特征值為9 788 kPa.

4 施工工藝

霍爾辛赫煤礦沿空留巷巷旁澆筑工藝流程為：地面制備干混料→運輸至井下濕料制備站→裝巖機將干混料裝卸至上料機→通過上料機將干混料運輸至攪拌機→加水、攪拌均勻→通過混凝土泵和管路將混凝土輸送至柔性模板內。

巷旁支護原材料：42.5普通硅酸鹽水泥；二區中砂，干砂，泥或石粉含量小于1%，含水率小于1%；5～20 mm連續級配碎石，碎石壓碎值指標≤16%；干凈、無污染的礦井水。

巷旁支護用C30混凝土的配合比見表1.

表1 C30混凝土中各組分的摻量表

5 現場試驗監測及分析

為監測沿空留巷巷道圍巖變形布置監測站，從工作面留巷開始，回采70 m時布置第一組測站，回采至150 m時布置第二組測站，回采至采空區見方245 m時布置第三組測站，回采至530 m時布置第四組測站，復雜條件地段布置第五組測站。測站布置見圖2.

圖2 3605工作面沿空留巷測站布置圖

工作面推進前、推進后測站二的沿空留巷圍巖變形量、變形速率隨工作面推進結果見圖3，圖4.

圖3 超前工作面圍巖變形與工作面距離關系曲線圖

圖4 工作面后方圍巖變形與工作面距離關系曲線圖

工作面前方巷道圍巖變形，主要是受超前支承壓力影響。由圖3可知，工作面前方28 m處的巷道圍巖開始有較為明顯的變形，此時，頂底板移近速度約為2.1 mm/d，兩幫移近速度約為1.6 mm/d；超前28 m時，圍巖變形量、速度明顯增加；超前15 m至工作面回采到監測點階段，變形量增加較為明顯，而變形速度較為穩定，沒有大幅增加，頂底板移近量和兩幫變形量分別為56.2 mm、39.6 mm，平均變化速度為14.5 mm/d、9.9 mm/d；支承壓力峰值附近，變形速度有明顯加快。

由圖4可知，工作面后方0～70 m為圍巖變形劇烈區域，在此區域內，出現兩次高峰值，一次低峰值。第一次峰值在工作面后方20 m附近，因回采時發生周期來壓，采空區側直接頂破斷，基本頂開始旋轉下沉，產生擾動，頂底板移近量最大速率為18 mm/d，兩幫移近量最大速率23 mm/d. 工作面采用切頂卸壓，擾動穩定后壓力迅速減小，采空區頂板形成新的穩定承載結構。工作面后方45～55 m，因第二次周期來壓打破新的穩定承載結構加上基本頂發生二次破斷形成新的應力峰值，頂底板移近量最大速率為21 mm/d，兩幫移近量最大速率24 mm/d. 在工作面70 m、80 m之后基本頂上覆巖層活動基本趨于穩定，“大結構”基本不再承受來自上覆巖層的動載影響，變形速度不再呈現波動狀態。

6 結 論

1) 通過分離巖塊法計算沿空留巷圍巖壓力，確定單位長度巷旁支護承受的最大壓力為18 216 kN/m，根據柔?；炷翉秃喜牧显O計理論計算得到柔模混凝土墻體的承載能力為22 608 kN/m，理論計算安全系數為1.24.

2) 采用切頂卸壓和高壓噴射注漿加固底板聯合方法解決巷道底鼓。

3) 工作面后方20 m左右，采空區側直接頂破斷，基本頂開始旋轉下沉，產生擾動，頂底板移近量最大速率為18 mm/d，兩幫移近量最大速率23 mm/d. 工作面后方45～55 m，頂底板移近量最大速率為21 mm/d，兩幫移近量最大速率24 mm/d，基本頂發生二次破斷形成新的應力峰值。