沿空留巷柔膜混凝土支護參數(shù)設(shè)計研究

范慧盛

（山煤集團煤業(yè)管理有限公司，山西 太原 030006）

1 工作面地質(zhì)條件

霍爾辛赫礦3307大采高綜采工作面位于三盤區(qū)，主采3#煤層，煤層厚度4.8～5.7m，平均厚度5.0m。煤層傾角 1°～5°，平均 3°。工作面標(biāo)高 +407～+437m，地面標(biāo)高+922～ +937m。走向長度545m，傾斜長度250m。3307工作面東側(cè)為五條大巷；西、南側(cè)未掘進；北側(cè)為3301、3302回采工作面，目前已經(jīng)回采完。為了加強工作面的通風(fēng)管理，確保工作面正常回采，根據(jù)三進一回通風(fēng)布置方式，共布置四條巷道：3307運輸順槽、3307進風(fēng)順槽、3307輔助進風(fēng)巷、3307回風(fēng)順槽，需要在進風(fēng)順槽采空區(qū)段進行沿空留巷，在沿空留巷段采用柔模混凝土墻支護技術(shù)。33307進風(fēng)順槽為矩形巷道，設(shè)計斷面6.0×4.5m。3307工作面回采范圍內(nèi)未見大型地質(zhì)構(gòu)造，工作面地質(zhì)與水文地質(zhì)條件簡單。工作面上部除農(nóng)作物外，還有小型房屋建筑物，房屋有人居住。村莊均在保護煤柱線內(nèi)，回采對其無影響。工作面頂?shù)装逄匦砸姳?。

表1 圍巖及其特征

2 支護設(shè)計方案

2.1 支護體載荷計算

由于沿空留巷巷道受到多次采動影響，支護體上覆巖層破壞比較嚴(yán)重，故可將支護體承載結(jié)構(gòu)簡化為上覆巖層中的部分分離巖塊的重量，使用“分離巖塊法”建受力模擬圖（圖1），對支護體載荷進行計算，見式（1）。

式中：

q-支護體承受載荷，kPa；

h-回采工作面長度，取4.0m；

θ-巖石內(nèi)摩擦角，結(jié)合覆巖主要為泥巖，取值26°；

bB-沿空留巷巷道寬度，6.0m；

x-支護體寬度，計算中取1.0m；

bC-支護體采空區(qū)側(cè)懸露長度，結(jié)合覆巖主要為泥巖，取1.0m；

α-煤層傾向角，3°；

γB-工作面覆巖平均容重，26kN/m3。

圖1 分離巖塊法計算模型圖

計算可得支護體寬度為1m時承受的載荷為4040.5kPa。這說明在投影方向上每平方米支護體承受載荷為4040.5kN。

2.2 厚度計算

支護體厚度直接影響了巷道的穩(wěn)定性與沿空留巷的可行性，在對墻體厚度進行計算時，應(yīng)當(dāng)考慮到工作面二次采動、墻體澆筑時的強度降低程度等客觀影響因素。同時，結(jié)合我國現(xiàn)有柔膜混凝土沿空留巷的工程實踐，膜內(nèi)充填體主要為C20混凝土，故本次研究仍然采用C20混凝土作為膜內(nèi)充填支護體。支護體寬度可按式（2）進行計算。

式中：

w-支護體寬度，m；

k2-墻體支撐強度降低系數(shù)，一般取0.3；

F-在投影方向上每平方米支護體承受載荷，考慮一定富裕系數(shù)（取中間值1.4），取5.8×106N；

k1-二次采動影響系數(shù)，取3；

S-支護體澆筑成型時的強度，取C20混凝土設(shè)計強度9.6MPa；

代入計算可知墻體寬度為2.59m。則確定墻體寬度為2.6m。

2.3 支護體承載力驗算

在設(shè)計后，還必須對連續(xù)混凝土墻的承載能力進行支撐能力驗算，可按式（3）進行驗算。

式中：

N2-每米連續(xù)支護體承載能力，kN；

φ-墻體穩(wěn)定性系數(shù)，取1；

fc-C20混凝土抗壓強度，取15.5N/mm2；

S-支護體澆筑成型時的強度，取C20混凝土設(shè)計強度9.6MPa；

A-單位截面積，1m2。

帶入計算可得，單位長度連續(xù)混凝土墻的承載能力1.34×107N，遠大于單位長度支護體載荷4040.5kN。

由上所述，確定3307工作面留巷支護采用C20柔模混凝土澆筑墻體，澆筑混凝土高4500mm，墻體寬度為2600mm，采用Φ20×2800mm的螺紋鋼錨栓，雙托板雙螺母，兩端絲扣長度各為100mm，托板規(guī)格為150×150×8mm，錨桿的間排距為750×600mm。沿空留巷最后斷面應(yīng)保證寬度6000mm，高度4500mm。巷道支護參數(shù)見表2，支護斷面圖見圖2。

表2 巷道現(xiàn)有支護參數(shù)

圖2 巷道支護斷面圖

3 巷旁澆筑施工工藝

澆筑混凝土沿空留巷施工主要包括地面干混料的制備與運輸下井、采空區(qū)圍護、掛設(shè)柔性模板、井下制備和輸送混凝土、澆筑混凝土等環(huán)節(jié)。

3.1 工藝簡述

3307工作面進風(fēng)順槽（沿空留巷）采用擋矸支架圍護采空區(qū)，采用柔模對澆筑混凝土墻進行初期支撐，采用MJSY-2300G混凝土攪拌機制混一組ZRL26400/31/50D型沿空留巷混凝土漿液，采用HBMG80/16-110SF混凝土輸送泵輸送攪拌好的漿液至柔模內(nèi)。

3.2 主要流程

移架（擋矸支架）→支模→預(yù)制混凝土→澆筑→完成一個循環(huán)。

3.3 澆筑工序

第一步：在進入充填地點前，必須先敲幫問頂，觀察煤壁、頂板及臨時支護質(zhì)量，并做好瓦斯檢測等工作，一切安全正常后方可進入充填點進行作業(yè)。

第二步：安設(shè)好本班充填框架，掛好柔模袋，上緊錨栓托板和螺母等。

第三步：上述工作按要求完成后，利用對講機通知泵站開泵，并通知泵站本次實際充填高度。

第四步：充填過程中，密切觀察充填袋周圍情況，發(fā)現(xiàn)情況及時處理。

第五步：充填完成后，將高壓注漿軟管從充填袋內(nèi)取出并用細鐵絲捆扎緊充填口。

第六步：沖洗攪拌器及管路，見清水后通知泵站停泵。

4 支護效果監(jiān)測

為檢測巷道支護效果，在3308工作面即3307接續(xù)工作面回采時，對支護體進行了鉆孔窺視，對工作面前方巷道表面位移進行了監(jiān)測，見圖3。

支護體內(nèi)部0～2.0m范圍之內(nèi)，整體性較好，可見支護體形成了一定的穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)，保障了巷道的安全高效使用。

圖3 二次采動時巷道表面位移監(jiān)測

由圖3（a）巷道頂?shù)装逑鄬σ平繄D可以看出，巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?28.5mm；由圖3（b）巷道兩幫移近量圖可以看出，巷道兩幫移近量最大為31.7mm。巷道變形量均在巷道安全使用范圍之內(nèi)，由此可見，該種支護體設(shè)計與支護方式有效控制了沿空留巷圍巖穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

為解決霍爾辛赫礦3307大采高綜采工作面進風(fēng)順槽柔模混凝土墻沿空留巷的問題，采用分離巖塊法計算得出，水平方向上支護體單位面積所受載荷為4040.5kN；考慮多種因素后，計算得出支護墻體寬度應(yīng)為2.60m；通過支護體承載力驗算，驗證了支護體設(shè)計的合理性，確定了最終的支護方案。在二次采動期間，對沿空巷道進行了鉆孔窺視與圍巖變形測量，支護體整體性較好，說明這種支護方法效果良好，為條件相似礦井的沿空留巷問題提供了工程實踐應(yīng)用基礎(chǔ)與理論支撐。