馬蘭礦沿空留巷巷旁充填體加固技術研究

鄧國濤

(西山煤電集團 馬蘭礦，山西 太原 030205)

1 工程概況

馬蘭礦10604工作面位于南六采區(qū)，主采02號煤層。02號煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組，煤層傾角1～8°，煤層厚度1.66～2.69 m，平均2.25 m，煤層結構復雜，結構為1.17(0.19)0.89，屬穩(wěn)定可采中厚煤層，普氏系數(shù)為2.0，埋深415～468 m.煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

10604工作面位于南六采區(qū)左翼，西南側間隔20 m、41 m、70 m分別為南六膠帶下山、東二回風大巷、南九進風大巷；東北側實體間隔18.27～37.58 m分別為10503、10505采空區(qū)。10604工作面兩巷開口于南六軌道下山，工作面膠帶巷走向長1 709 m，軌道巷走向長1 709 m，傾斜長176 m.

為盡可能回收煤炭資源，決定在10604軌道巷開展高水充填沿空留巷技術，留巷斷面4.2 m×2.6 m(寬×高)，充填墻體完全置于采空區(qū)，充填墻體外側與采煤幫保持一條線，充填體斷面為2.2 m×2.6 m(寬×高)。

2 巷旁充填體加固機理

隨著工作面的推進，沿空留巷上方基本頂逐步破斷，并在工作面后方形成較大的支承壓力，充填體在高應力作用下，裂隙逐漸擴展發(fā)育，嚴重影響了其完整性及承載性，進而影響巷道的穩(wěn)定性。因此，充填體需具有較高的強度提高承載性，同時具有一定的延展性能，以吸收頂板下沉的壓力。根據(jù)前人的研究成果，總結出以下4個充填體的加固機理：①充填體變形一般由自由面開始，可在自由面上施加圍壓；②通過材料屬性提高充填體的物理力學參數(shù)；③提高充填體內(nèi)部的完整性，使其具有較強的承載能力；④提高充填體的可塑性，使其具有一定的讓壓能力，降低其破壞程度。

3 充填體加固技術數(shù)值模擬分析

3.1 建立模型

為確定巷旁充填體合理的物理力學參數(shù)，采用UDEC6.0數(shù)值模擬軟件的Trigon模塊建立高水充填材料的試塊模型。模型高200 mm、寬100 mm，采用應變軟化模型進行模擬。通過不斷調(diào)整參數(shù)，以使數(shù)值模擬得出的單軸壓縮應力應變曲線最接近于實驗得出的應力應變曲線，如圖1所示，最終確定出模擬時合理的巷旁充填體物理力學參數(shù)，如表2所示。

圖1 單軸壓縮試塊應力應變曲線

表2 充填體物理力學參數(shù)

3.2 充填體加固影響因素分析

為分析鋼筋梯子梁及錨桿參數(shù)對充填體加固的影響，通過UDEC6.0建立高度為2 m、寬度為1 m的充填體模型，并采用表2的校正參數(shù)進行賦參。模擬中，采用PLANE單元模型模擬鋼筋梯子梁及錨桿。

3.2.1 鋼筋梯子梁直徑對充填體的影響

為分析不同鋼筋梯子梁直徑下的充填體穩(wěn)定性變化，建立3組對比模型，鋼筋梯子梁的直徑分別為0 mm、14 mm及16 mm，鋼筋梯子梁寬度均為60 mm，充填體中均不設置錨桿。圖2為不同鋼筋梯子梁直徑下充填體的應力應變曲線。

圖2 不同鋼筋梯子梁直徑下充填體應力應變曲線

由圖2可知，充填體無鋼筋梯子梁支護時(即鋼筋梯子梁直徑為0 mm)，充填體最大應力值為14.5 MPa，此時的應變?yōu)?.07；當充填體鋼筋梯子梁直徑為14 mm時，充填體最大應力值為16 MPa，較無鋼筋梯子梁支護時增加了10.3%，此時的應變?yōu)?.08；當充填體鋼筋梯子梁直徑為16 mm時，充填體最大應力值為17.6 MPa，較無鋼筋梯子梁支護時增加了21.4%，此時的應變?yōu)?.3.由此可以得出，在鋼筋梯子梁的支護小，充填體的承載能力得到了提升，當充填體應變超過0.3時，16 mm鋼筋梯子梁對充填體的加固效果最佳。

3.2.2 錨桿數(shù)量對充填體的影響

為分析每排錨桿數(shù)量對充填體穩(wěn)定性的影響，建立3組對比模型，每排錨桿的數(shù)量分別為2根、3根、4根，鋼筋梯子梁直徑均為16 mm，錨桿直徑均為22 mm.圖3為不同錨桿數(shù)量下充填體的應力應變曲線。

圖3 不同錨桿數(shù)量下充填體的應力應變曲線

由圖3可知，每排加固錨桿數(shù)量為2時，充填體最大應力值為15.4 MPa，此時的應變?yōu)?.08；當每排加固錨桿數(shù)量為3時，充填體最大應力值為17.6 MPa，較2根錨桿支護時增加了14.3%，此時的應變?yōu)?.3；當每排加固錨桿數(shù)量增加至4時，充填體最大應力值為18 MPa，較2根錨桿支護時增加了16.9%，此時的應變?yōu)?.12.由模擬結果可知，充填體的承載能力隨著每排錨桿數(shù)量的增加而逐漸增強，由于3根錨桿與4根錨桿的支護效果相差不大，為降低成本，考慮采用3根錨桿的支護方式進行支護。

3.2.3 錨桿直徑對充填體的影響

為分析錨桿直徑對充填體穩(wěn)定性的影響，建立3組對比模型，錨桿的直徑分別為18 mm、20 mm、22 mm，鋼筋梯子梁直徑均為16 mm，每排錨桿數(shù)量為3根。圖4為不同錨桿直徑下充填體的應力應變曲線。

圖4 不同錨桿直徑下充填體的應力應變曲線

由圖4可知，錨桿直徑為18 mm時，充填體最大應力值為15 MPa，此時的應變?yōu)?.07；當錨桿直徑為20 mm時，充填體最大應力值為16.2 MPa，較18 mm直徑錨桿支護時增加了8%，此時的應變?yōu)?.08；當錨桿直徑為22 mm時，充填體最大應力值為17.5 MPa，較18 mm直徑錨桿支護時增加了16.7%，此時的應變?yōu)?.3.

由模擬結果可知，充填體的承載能力會隨著錨桿直徑的增大而逐漸增強，考慮選用22 mm的錨桿；另外，隨著應變的逐漸增大，充填體的應力均會不同程度地降低，出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。

4 現(xiàn)場實踐分析

4.1 巷道補強支護

頂板補強：在原頂板兩排錨索之間補打錨索(原頂板有錨索的不再補打)，錨索為普通鋼絞線錨索，每排3根，間排距1 600 mm×1 000 mm，錨索型號D21.8 mm×6 300 mm，錨索托板采用高強度蝶形托板，規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm，錨索垂直頂板打設，錨索預緊力不低于250 kN.

采煤幫支護：采用補打短錨索方式進行加強支護，在原兩排錨桿之間補打1排3根D17.8 mm×4 300 mm的鋼絞線錨索配合D14 mm鋼筋焊制的2 200 mm×60 mm托梁加強支護，錨索間排距1 000 mm×1 000 mm，錨索托板采用高強度蝶形托板，規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm，錨索垂直巷幫打設，錨索預緊力不低于250 kN.

巷旁充填體補強加固：充填體內(nèi)每排補打3根螺紋鋼錨桿，錨桿直徑為22 mm，長度為1 700 mm，上下兩排錨桿分別距頂?shù)装?50 mm，錨桿間距800 mm，排距為800 mm，每排錨桿后方被直徑16 mm的鋼筋梯子梁及鋼筋網(wǎng)加固支護。具體加固方式如圖5所示。

圖5 巷旁充填體加固示意(mm)

4.2 應用效果分析

選取巷旁充填體中間一排錨桿進行軸力分析，如圖6所示，充填體剛過工作面時，錨桿的軸力約為13 kN，隨著工作面的推進，后方頂板逐漸破斷下沉，錨桿軸力在距工作面0～50 m范圍內(nèi)迅速增大，最終穩(wěn)定在84 kN左右不再變化，表明加固后的充填體未發(fā)生破壞，承載性能較強。巷道穩(wěn)定后的頂板最大下沉量為240 mm，充填體最大變形量為100 mm，表明加固技術能夠保證充填體的穩(wěn)定性，且適應性較強。

圖6 巷旁支護體錨桿受力變化曲線

5 結 語

1) 通過UDEC6.0數(shù)值模擬軟件，分析了鋼筋梯子梁直徑對充填體穩(wěn)定性的影響，確定直徑16 mm的鋼筋梯子梁對充填體的加固效果最佳。

2) 通過UDEC6.0數(shù)值模擬軟件，分析了補強錨桿數(shù)量及直徑對充填體穩(wěn)定性的影響，確定充填體支護錨桿直徑為22 mm，每排數(shù)量為3根。

3) 根據(jù)模擬結果結合現(xiàn)場實際對巷道補強支護進行了設計，現(xiàn)場應用結果表明：巷道穩(wěn)定后頂板最大下沉量為240 mm，充填體最大變形量為100 mm，取得了良好的應用效果。