淺埋煤層柔模混凝土沿空留巷支護穩定性分析

姜圣賢

（山西潞安環保能源開發股份有限公司五陽煤礦，山西 長治 046205）

0 引言

五陽煤礦的探礦范圍東西長約9.5 km，南北寬度為7.5 km，總面積達64.81 km2。整個煤礦的設計可開采煤礦資源儲存量為171.7 Mt，設計生產能力值達到了3.00 Mt，總服務年限為42 a。五陽煤礦處于南景風井工業場區當中，運用了立井開拓結構，整個煤礦開采區域的占地面積為0.246 km2，在該區域當中共設置了一個南陵進風立井，一個南嶺回風立井。在對面的輔助基礎設施當中設立了聯合建筑調度指揮中心變電站、水處理站以及燃氣鍋爐房等，該輔助場地自東向西，全程長度為0.7 km，同時在進場道路和208國道之間進行銜接。進風口的立井井筒直徑大小為8.8 m，井體的凈斷面面積為60.82 m2，井筒的總長度為804.3 m。在進風立井井筒當中共設置了一套雙層加寬的罐籠、一套雙層窄罐籠，并且配備了兩套動力提升設備，在煤層內部有動力驅動器，設置了一趟φ219消防灑水管道，主要負責整個區域范圍內工作人員設備以及材料的提升工作任務，并且在主要的進風口區域設置了相應的安全出口。

1 淺埋煤層沿空留巷數值模擬

1.1 模型建立

通過建立企業模型計算對不同的煤礦巷道支護方案進行分析，結合該煤礦巷道的塑性分布條件，將圍巖條件設置成各向同性質的彈性介質，建立數值模型并進行計算，在整個巖層的高度上設置模型為200 m×100 m。為了有效提高整個計算結果的精確性，在沿空巷道的周圍區域運用了密集網格來進行設定，在沿空巷道網格密度上設置為逐漸下降的趨勢，同時在巷道周邊的網格當中，共設置了8 460個不同的構成模塊。在該模塊當中主要以邊界作為地標，周邊模型下方設定了邊界固定左右水平位移之間保持穩定，模擬操作建立原始的力場巷道開挖以及使用錨索進行支護和回采過程，在混凝土墻的計算和監測過程當中，重點針對混凝土墻體的應力大小進行模擬和分析。

1.2 計算結果及分析

沿空巷道的剛性墻體支護工作當中，主要是將柔模混凝土墻作為一種剛性支護結構來進行設計，該墻體的壓縮量可以被忽略不計［1-4］。在煤層正式開放之后對墻體所產生的形變和釋放的時間進行忽略，直接對整個混凝土支護結構進行分析，瞬時達到整個標準的墻體支護結構強度，混凝土墻的應力集中比較明顯，其中最大的垂直應力達到了30 MPa，超過了總設計強度的C20等級強度，支護強度不能達到相應的支護結構要求，頂板的最大位移量為50 mm，同時在沿空相對的剛性垂直面上位移變化如圖1所示。

圖1 沿空巷道剛性墻體垂直應力與位移

將混凝土支護墻直接作為一種可壓縮性結構，在距混凝土墻的頂部0.2 m的距離范圍內設置相應的緩沖層，同時將混凝土的彈性模量直接降低到原有的0.1%，其他的數據保持不變。通過模擬分析可以看出，混凝土墻的應力集中現象相對比較明顯，同時最大的垂直應力大小下降到10～15 MPa，應力大小低于50%，整個設計強度小于支護結構的標準強度，頂板的最大位移量設置為150 mm，整個沿空巷道和墻體之間的水平應力所產生的位移變化如圖2所示。

圖2 沿空巷道讓壓墻體垂直應力與位移

在回采工作完成之后，運用剛性混凝土墻來進行支護操作。在混凝土強度達到設計的標準彈性模量之后，可以看出整個混凝土墻所產生的壓縮性相對較小，基本上沒有過多的可壓縮空間，在此過程中混凝土墻體所受到的壓力大小保持在30 MPa以上。墻體產生的破壞問題不利于整個煤礦巷道的穩定性和安全性，因此，為充分保證整個墻體的支護能力符合煤礦開采工作的安全標準，混凝土墻的支護強度需要在2 h范圍內達到設計總長度的60%以上［5-8］。依照模擬支護計算結果，其中墻體施工混凝土材料選擇C20等級，可以滿足整個工程的施工標準，同時在2 h內其強度可以達到12 MPa以上，在6～7 h的時間段內整個混凝土墻的結構需要達到C20等級的支護結構標準。

2 沿空留巷支護穩定性分析

2.1 原巷支護

在五陽煤礦工作面的開采過程當中，其中運輸巷的寬度設定為5.5 m，高度為2.1 m，使用的是鋼網索支護方式，錨索的規格設定為15 mm×5 000 mm，間排之間的距離設定為3 m×3 m，每間隔兩根錨索的距離進行一次設定。煤礦巷道的內部支護結構都采用的是516 mm×1 800 mm一次性的支護錨桿，該支護錨桿在頂部區域共設置了一排6根，形成一種對稱分布，錨桿的間排距離設定為1 m，近距分別設定為1.1 m、1.2 m和1.5 m，托盤選擇規格為120 mm×120 mm×80 mm的鋼筋托盤，鋼筋網片的規格設定為6.5 mm×1 200 mm×5 000 mm。

2.2 錨索補強支護

由于原煤礦巷道內部的支護結構強度不符合標準，因此需要對沿空巷道進行補強支護，其中使用的是22 mm×6 500 mm的錨索，共設定了一排4根，深度設定為1.5 m和2.5 m，使用230 mm×3 mm的鋼索進行連接。配鋼托板的規格設定為300 mm×300 mm×15 mm，通過預應力測量，整個加固結構符合沿空留巷支護的標準要求。為了充分保證頂板錨索不會受到壓力的破壞，在每一個端頭的頂部區域范圍內共設置了2個4.5 m長度的長梁結構，同時在巷道設置當中對量體兩端的區域設置為可移動式結構。

2.3 巷旁支護

在巷道旁邊支護結構當中，主要使用的是柔模混凝土墻支護結構，在支護結果當中混凝土墻的厚度設定為1 m，標號為C20，在支護墻體當中設定了20 mm×1 100 mm的錨桿。同時在錨桿的兩端各自設定了150 mm×150 mm×10 mm的托板來進行加固，錨桿相互之間的間距設定為0.9 m×1.5 m。在進行柔模混凝土墻的施工過程當中，將混凝土墻的高度設定為2.5 m，并且按3 m或2 m長度劃分成一個支護模塊，柔性混凝土模板具有良好的透水性、自成型、支護速度較快以及不回收等特性。在實際的制作過程中，對尺寸的要求標準較高，柔模混凝土結構為自密實性混凝土材料。在實際的使用過程當中所使用的材料配置主要分為碎石、砂石、水泥以及粉煤灰等各種不同的外加劑，通過相應的實驗配比充分混合之后，使用混凝土泵直接進行材料輸送，在整個材料的物理學性能上達到了支護結構的應力要求［9-12］。在實際的施工過程當中，混凝土的運輸距離超過了400 m，同時在施工過程中的沿空巷道1 500 m范圍之內，未發現管道堵塞的不良問題，同時在混凝土材料在1 h、2 h、3 h范圍內，分別達到了10 MPa、15 MPa、20 MPa的強度。在柔性混凝土的40 min泵注施工當中，柔模混凝土墻體在澆筑完成之后，充分滿足了整個煤礦回采的速度要求，以此來保證整個巷道支護工作的穩定性。

2.4 臨時支護

在沿空巷道的臨時支護工作中，由于受到煤礦劇烈開采的影響，在工作中前后方的某一段區域會隨著工作面開采距離的增加，采動所形成的干擾在不斷降低。因此，不需要對整條煤礦巷道都按照最強烈的振動要求來進行加固和支護，只需要進行臨時性支護結構則可以完成標準要求，在臨時性支護結構當中主要使用的是單體11號工字鋼梁支護結構，距離為1 m，臨時支護長度為150 m。

3 結論

（1）在36～150 m范圍內的淺埋煤層的支護結構當中，需要設定支護墻體的厚度在1 m以上，通過這種設計方式可以有效地避免整個頂板出現壓碎等問題。

（2）依照壓力觀測，混凝土的壓力最大值為10 MPa時，整個支護安全系數可符合安全支護標準。

（3）使用超前工作面的補打錨索時，頂板圍巖下沉量達到20 mm，并且在未澆筑的柔模墻區域、沿空巷道內部都應進行超前工作面加固施工。