柔模混凝土沿空留巷技術研究與應用

（山西坤龍煤業有限公司，山西 呂梁 03300)

1 工程概況

坤龍煤業4102綜采工作面位于+849水平，埋藏深度為450～490m，工作面主采4#煤層，煤層厚度為1.62～2.88m，均厚2.5m，平均傾角6°，4#煤層頂底板情況見表1。4102工作面第一輔助進風巷采用沿空留巷技術方案。

表1 4#煤層頂底板特征

2 巷內圍巖支護原理

2.1 留巷圍巖控制關鍵部位

由于沿空留巷會受到兩次超前采動應力的影響，巷道塑性區及破碎區的范圍較大，因此對于巷道圍巖的控制難度較大。當留巷工作面回采時，在工作面超前采動應力的作用下，工作面上方基本頂會在工作面后方的實體煤側發生第一次破斷。隨著工作面的向前推進，基本頂初次來壓會形成“O-X”破斷，周期來壓時工作面端頭會形成弧形三角塊，當弧形三角塊到達極限跨度時，此時巷旁充填體的支撐作用較小，此時弧形三角塊會在實體煤側發生第一次破斷，形成關鍵塊B[1]見圖1（a）。

隨著工作面的進一步推進，采空區范圍會進一步增大，基本頂會進一步向采空區垮落的矸石移動，當巷旁充填體達到最大承載力時，關鍵塊B達到極限抗拉強度，關鍵塊B會沿著采空區側發生再次切斷，形成位于巷道上方的關鍵塊B1和位于采空區的關鍵塊B2，關鍵塊B發生第二次破斷時，巷道的變形量將進一步增大，但當關鍵塊B破斷成關鍵塊B1和B2時，更上方的巖層會在采空區側觸矸而迅速的趨于穩定狀態，這樣就會大大的減小上覆巖層對于沿空巷道的影響，從而使得沿空巷道位于低應力區域，使得沿空留巷圍巖變形量較小，有利于巷道的維護見圖1（b）。基于上述分析可知，在進行沿空留巷作業時，圍巖控制的關鍵部位即為充填區域上方頂板的巖層。

式中:q為巷旁充填體的載荷，kN/m；bB為巷旁充填體內側到煤幫的距離，即4102第一輔助進風巷的寬度，取4.3 m；x為巷旁充填體的寬度，m；θ為剪切角，根據相關礦井留巷經驗，選取26°；bC為巷旁充填體外側懸頂距，取1m，承載梁的最大長度等于一個周期來壓步距，巷旁充填體外側懸頂距=承載梁長度-伸入煤壁長度-留巷寬度-墻體寬度；γB為頂板分離巖塊容重，根據頂板巖石的巖性，容重取26 kN/m3；h為采高，取2.5 m。

將單位長度為1000 mm，厚度為1200 mm的巷旁充填體視為軸心受壓柱模型，模型柱的高度為2.5m，構件的高長比為2.5/1=2.5，通過查閱相關資料可得構件的穩定系數為1。

圖1 巷道圍巖變形破壞

式中：N為混凝土墻體的承載能力；φ為混凝土構件的穩定系數，取1.0；fc為混凝土抗壓強度設計值，C30混凝土時fc為15.8MPa，A為混凝土墻體的截面面積，1200 mm×1000 mm[3]。

由式（2）計算可得混凝土墻體的承載能力為：

N=0.9×1.0×15.8×1200×1000=16740 kN

結合坤龍煤業4102工作面的具體地質條件，并基于式（1）和（2）計算得出，巷旁充填體承受圍巖壓力為4671 kN/m；墻體的承載能力N=16740 kN，遠大于作用在墻體上的最大載荷4671 kN，理論計算安全系數為3.6，因此可視寬度為1.2m的巷旁充填體支護強度滿足安全要求，同時考慮到經濟和生產需要最終確定巷旁充填體的寬度為1.2 m。

2.2 巷旁支護阻力分析

3 沿空留巷圍巖控制技術

傳統沿空留巷巷旁支護體荷載計算采用“分離巖塊法”，該方法的理論依據是，沿空巷道和支護體上方一定范圍內分離巖塊的重量構成了隔離墻載荷，上覆巖層可能在一定高度上產生離層，導致巖塊沿煤壁以θ角斷裂，成為隔離墻的載荷，計算模型見圖2[2]。

3.1 支護方案設計

圖2 沿空留巷礦壓計算模型

(1)基本支護

4102工作面第一輔助進風巷的斷面為矩形，凈寬×凈高=4000 mm×2600 mm，巷道沿著煤層底板掘進，巷道內的基本支護為錨網索支護；頂板錨桿采用Φ20 mm×2400 mm螺紋鋼錨桿，間排距為780 mm×850 mm，錨桿托盤為140 mm×120 mm×10 mm的槽型托盤；錨索采用Φ17.8 mm×7200 mm的1×7股鋼絞線，間排距為780 mm×850 mm；巷道幫部錨桿采用Φ18 mm1800 mm麻花錨桿，設置間排距為850 mm×850 mm；巷道基本支護形式見圖3。

圖3 巷內基本支護

（2)巷旁支護

在4102工作面回采期間，滯后工作面約10 m進行臨時加強支護及構筑柔模混凝土墻作業，第一輔助進風巷沿空留巷的寬度為4300 mm，根據上述理論計算結果設計巷旁支護體寬度為1200 mm，高度為2500 mm。采用C30 柔模混凝土，以2 m長為1個模塊。柔模混凝土墻內預置Φ20 mm×1300 mm的高強螺紋鋼錨栓，托板的尺寸參數為150 mm×150 mm×10 mm，兩端絲扣的長度為100 mm，錨栓的間排距為750 mm×1000 mm，同時將混凝土高度內的4根錨栓用鋼帶連接在一起，并在鋼帶背部掛設鋼筋網片，柔模混凝土墻上的支護形式見圖4。

圖4 巷旁支護柔模墻體結構

（3)加強支護

在留巷期間為有效控制巷道圍巖的變形量，在超前工作面30 m及滯后工作面100m范圍內采用“一梁三柱”進行臨時支護，棚距為1000 mm，π型鋼梁長度為4000 mm，單體支柱的型號為DW28～DW35[4]。根據前文分析可知，巷道圍巖控制的主要區域為充填墻體上方頂板巖層。因此，臨時支護結束后，在構筑的混凝土墻兩側各打設1排錨索進行正式支護，在留巷側距離混凝土墻0.59m的位置打設1排錨索，在落山側距離混凝土墻1.6m的位置處打設1排錨索，錨索規格為：Φ21.6 mm×7200 mm，錨索預緊力要求不小于250 kN，排距850 mm見圖5。

留巷作業操作流程為：鋪網→割煤→移機尾過渡支架、擋矸支架→架后落山側臨時支護→架后正式支護→校對中線→支模→泵注混凝土（等8小時墻體凝固達到設計支撐強度）→拉移支撐支架→留巷滯后支護。

圖5 4102工作面永久加強與臨時加強支護

3.2 效果分析

為有效分析沿空留巷圍巖的控制效果，從4102工作面切眼開始，在距離切眼10～110m的范圍內每隔10 m布置一個測點，以后每隔50 m布置一個，連續布置10個，對巷道圍巖變形量進行持續監測，圍巖變形情況—距工作面距離關系曲線見圖6。

圖6 沿空留巷圍巖變形曲線

分析圖6可知，沿空留巷期間巷道圍巖的變形可大致分為三個階段，第一階段為監測點滯后工作面0～10m的范圍，在該階段巷道基本頂受到單體支柱、實體煤及前方煤體的支撐未出現破壞，此階段圍巖變形相對平緩，該階段圍巖的最大移近速率為10 mm/d；第二階段為監測點滯后工作面10～60m的范圍，在該階段巷道圍巖的變形速度相對較大，其中兩幫及頂底板的最大變形速率分別為18 mm/d和22.8 mm/d，該階段頂底板和兩幫移近量分別達到398 mm和318 mm；第三階段為監測點滯后工作面60 m后，此時巷道圍巖基本穩定，此時巷道兩幫及頂底板的變形速率均降低至0.3 mm/d；基于上述分析可知，在現有支護方式下沿空留巷圍巖變形量滿足巷道的安全使用要求。

4 結語

1）根據沿空留巷巷內支護原理可知，留巷時上覆巖層的關鍵塊B會發生兩次破斷，且留巷時對圍巖控制有著重要影響的關鍵部位為充填區域上方頂板的巖層。

2）由分離巖塊法計算可得，巷旁充填體的寬度為1.2m時，能夠滿足安全的要求。

3）結合4102工作面的具體地質條件，設計巷旁支護體寬度為1.2m，在此基礎上，對沿空留巷的基本支護、臨時支護及補強支護各項參數進行了具體設計。

4）礦壓監測結果表明，現有支護方式下，沿空留巷-4102工作面第一輔助進風巷頂底板及兩幫最大移近量分別為398 mm和318 mm，滿足巷道的安全使用要求。