傾斜煤層沿空留巷巷旁柔模混凝土墻體寬度設計

顧國民

(四川廣旺能源發展(集團)有限責任公司， 四川 廣元 628000)

隨著我國傾斜煤層深部開采強度的增加，沿空留巷技術得到廣泛應用。在傾斜煤層中，沿空留巷技術采用巷旁柔模混凝土墻體支護頂板控制圍巖穩定的方式不僅可以節省掘巷成本，而且高效回收了傳統留巷方式中留設的保護煤柱。合理的柔模混凝土墻體寬度對于維持巷道穩定和材料的高效應用具有重要意義。

文獻[1-3]闡明了沿空留巷巷旁支護技術是指上區段工作面回采完成后，通過巷旁支護體加強支護隔離采空區，保留上區段工作面運輸巷作為下區段工作面回采時回風巷的一種支護技術，從而節省了一條巷道的掘進時間和成本；魏有貴等[4]通過建立力學模型分析了沿空留巷柔模支護技術的工作原理；陳勇等[5]通過理論計算和數值模型得到了巷旁支護體的作用機制，認為巷旁支護體具有快速增阻的力學特性，可有效保持直接頂的穩定性和承載能力；柏建彪等[6]研究認為，采用機械設備澆筑得到的巷旁支護充填體具有較高的承載強度，克服了以往巷旁支護增阻速度慢、初撐力低等不足；李化敏[7]基于充填體與頂板的相互作用原理建立了數學模型分析，給出了沿空留巷各階段巷旁支護充填體支護阻力的設計原則。

綜上所述，國內許多學者對巷旁柔模支護進行大量的研究并取得了豐碩的研究成果。但是，對于傾斜煤層沿空留巷巷旁柔模混凝土墻體寬度的具體設計方法有待深入研究。因此，以川煤集團某礦3131工作面為工程背景，計算了傾斜煤層沿空留巷巷旁柔模混凝土墻體的寬度，通過數值模擬結果確定柔模混凝土墻體的最優寬度，并進行工程試驗。

1 工程背景

川煤集團某礦煤層埋深400 m左右，3131工作面煤層厚度0.8～2 m，平均1.6 m，煤層傾角28°～32°，偽頂和直接頂為泥巖、砂質泥巖，直接頂平均厚度7.0 m，直接底為泥巖、黏土巖、細砂巖，平均厚度為6.0 m. 回采煤層K1煤層屬于Ⅱ類自然發火煤層，平均傾角30°. 工作面采用三班制(兩采一準)推進作業，每班進刀3個循環，每循環進度為0.5 m，日推進度為3.0 m. 3131工作面巷道布置平面圖見圖1.

圖1 3131工作面回采巷道布置平面圖

2 巷旁柔模混凝土墻體寬度力學模型

在工程分析中，支護體載荷最常用的計算方法為“分離塊體法”，該方法認為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支護體載荷。本文亦選擇“分離塊體法”計算方法分析巷旁柔模混凝土墻體受力情況，見圖2.

圖2 巷旁充填體受力計算模型圖

圖2中，q為巷旁支護體載荷，kN/m2；bB為巷旁支護內側到煤幫的距離(即留巷寬度)，取4.5 m；x為巷旁支護墻體厚度，取0.5 m；bC為巷旁支護外側懸頂距，取0.5 m；h為采高，取2.5 m；H為頂板垮落高度，H=(4～8)∑h，取8.8 m；θ為剪切角，取26°；α為煤層傾角，取30°.

巷旁支護體載荷計算公式如下：

(1)

式中,L為頂板分離巖塊的長度，L=bB+x+bC，m；γs為直接頂容重，N/m3，取24.

經計算可得，q=15 817 kN/m2.

柔模墻體寬度計算公式如下：

(2)

式中,ω為混凝土墻體寬度，m；Q1為直接頂垂直作用載荷，kN/m2；k3為設計墻體安全系數,取1.35；k2為動壓影響可靠性系數，取1.2；k1為墻體強度的降低系數，通常取0.25；s為混凝土墻體的終凝強度，MPa，取25.

經計算可得，ω=0.592 m.

在保證巷旁柔模混凝土墻支護效果的前提下對其安全系數加以考慮，設計柔模混凝土墻體寬度為0.6 m. 在下文通過數值模擬計算方法分別對0.6 m、0.8 m、1 m柔模體寬度進行分析，得到最優設計寬度。

3 數值模擬

3.1 模型建立

根據1313綜采工作面的地質條件，利用FLAC3D5.0數值模擬軟件建立數值模型，見圖3.

圖3 數值計算模型圖

圖3所示數值模型尺寸長50 m×寬50 m×高50 m. 對模型的四周施加水平方向約束，模型底部施加垂直方向約束，按照實際埋深情況在模型上表面施加10 MPa等效載荷，側壓系數取1.3. 該數值模型采用彈塑性本構模型，破壞準則采用Mohr-Coulomb準則。模型中的巖層物理力學參數見表1.

表1 巖層物理力學參數表

3.2 模擬結果分析

根據數值模擬結果，分析工作面回采前后巷道圍巖應力和位移分布特征，揭示巷道圍巖礦壓顯現規律；對比不同寬度柔模體的礦壓顯現規律，得到最佳柔模體寬度尺寸。

1) 工作面回采前巷道圍巖礦壓顯現規律。

工作面回采前巷道圍巖礦壓分布規律見圖4. 從圖4可以看出，工作面回采前，巷道兩幫最大應力為13.4 MPa，為原巖應力的1.34倍，最大應力出現在煤壁內2 m處；巷道兩幫發生不同程度的變形，高幫變形量大于矮幫變形量，頂板下沉量11.1 cm，底板底鼓量5.3 cm.

圖4 工作面回采前巷道圍巖礦壓分布規律圖

2) 不同柔模體寬度支護下礦壓顯現規律分析。

根據理論計算結果并結合實際條件，分別模擬柔模體寬度為1 m、0.8 m、0.6 m條件下巷道、采空區及柔模體的礦壓顯現規律，數值模擬結果見圖5. 從圖5可以看出，隨著柔模體寬度的改變，圍巖應力分布特征和位移演化規律未發生明顯變化。柔模體最大承載應力為16.8 MPa，巷道矮幫應力為12～16 MPa，巷道頂底板應力為4～12 MPa，采空區頂底板應力為1.1～2 MPa；柔模體位移變形量為5～15 cm，巷道頂板下沉量為15～20 cm，巷道底鼓量為5～10 cm，采空區頂板下沉量為20～25 cm，采空區底板底鼓量為10～13 cm.

圖5 不同寬度柔模體條件下巷道圍巖礦壓分布規律圖

以上數值模擬結果表明,該礦1313工作面回采后較回采前，巷道圍巖礦壓顯現更劇烈，表現為圍巖應力和變形量的增大；在不同寬度柔模體支護條件下，柔模體、采空區、巷道的礦壓顯現規律未發生明顯變化；在保證巷道圍巖安全穩定的前提下，根據最優經濟效益原則選取柔模體寬度為0.6 m.

4 工程應用

4.1 施工概況及支護方案

在該礦3131機巷進行了巷旁柔模混凝土墻體支護試驗，柔模混凝土墻體以石粉水泥漿為基本原材料，尺寸為長3.0 m×寬0.6 m×高2.4 m，墻體邊緣距巷道上幫煤壁側不小于0.8 m，見圖6. 具體工藝流程為：地面制備干混料→運輸至3131工作面機巷柔模混凝土制備輸送機組后方→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。為了增強混凝土墻的承載力，在柔模袋上進行植筋，在柔模內預留錨栓孔，澆注混凝土時在墻體內預置錨栓，錨栓用錨桿制成，抑制混凝土的側向變形。

圖6 沿空留巷支護斷面圖

4.2 現場試驗效果

在3131機巷頂板布置A、B兩個測站，A測站位于工作面前方20 m處，B測站距離A測站65 m. 采用深基點位移計進行監測，測量頂板離層量，深基點8 m，淺基點3 m. 監測結果見圖7.

圖7 頂板離層監測曲線圖

從圖7可以看出，隨著工作面的推進，巷道頂板的離層量呈現先增加后趨于穩定的變化趨勢。測站A位于工作面前方20 m范圍內，巷道頂板離層量呈現增加趨勢；位于工作面后方30 m左右位置時，巷道頂板離層量趨于穩定。測站B位于工作面前方60 m范圍內，巷道頂板離層量呈現增加趨勢；位于工作面后方140 m左右位置時，巷道頂板離層量趨于穩定。

綜上所述，處于留巷階段的頂板離層量趨于穩定，不再發生明顯變化，說明巷旁柔模支護墻體寬度設計合理，較好地發揮了支護巷道頂板、維護巷道圍巖穩定的作用。

5 結 論

1) 建立了巷旁柔模混凝土墻體寬度的力學分析模型，根據充填體寬度的計算公式，并結合某礦實際地質資料參數得到柔模混凝土墻體寬度為0.6 m.

2) 數值計算模擬結果表明，在合理的柔模充填體寬度條件下，隨著充填體寬度的變化，巷道礦壓顯現未發生明顯變化。

3) 工程實踐表明，0.6 m寬度的巷旁柔模混凝土墻體能夠發揮支撐頂板、維護巷道圍巖穩定的作用，為下一個工作面的回采提供安全穩定通道。