沿空留巷巷旁支護(hù)效果讓壓控制

姜合青 王衍青 崔建忠

（肥城曹莊煤礦有限公司，山東肥城271601）

0 前言

沿空留巷作為新的巷道布置方式在肥城礦業(yè)集團(tuán)曹莊煤礦實(shí)驗(yàn)成功，將作為新技術(shù)加以推廣，巷旁充填體寬度是設(shè)計(jì)巷旁支護(hù)的一個(gè)重要參數(shù)，它不僅影響著巷旁充填體的穩(wěn)定性，而且涉及到巷旁支護(hù)的勞動(dòng)強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)效果。沿空留巷充填體的破壞主要受到老頂旋轉(zhuǎn)下沉產(chǎn)生應(yīng)力集中的破壞，充填體的可縮量不能滿足沿空留巷整體變形量而產(chǎn)生較高的應(yīng)力而破壞，或者被冒落矸石的沖擊等因素破壞。

1 工作面概況

實(shí)驗(yàn)巷道為9503工作面為采區(qū)式布置走向長(zhǎng)壁布置工作面，工作面位于曹莊煤礦井下東三采區(qū)九層煤東翼第二區(qū)段。該面煤9兩極厚1.32m～1.50m，平均厚1.41m，f=1.5，局部含一層炭質(zhì)粉砂巖夾石，f=4，屬結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的穩(wěn)定中厚煤層，上距煤8平均16.36m，至煤10-2平均層間距2.35m，煤10-2下距五灰平均層間距23.51m，五灰下距奧灰平均層間距16.55m。

工作面兩巷頂板支護(hù)：采用金屬錨桿掛冷拔鋼絲網(wǎng)、鋼筋梯作永久支護(hù)。本面采用綜合機(jī)械化采煤工藝。

2 沿空留巷設(shè)計(jì)與實(shí)施

設(shè)計(jì)沿空留巷充填體為厚度1m混凝土墻加矸石帶保護(hù)巷旁支護(hù)形式，支護(hù)方式如圖1所示，混凝土接頂噴實(shí)，巷道經(jīng)初壓開(kāi)始出現(xiàn)噴體開(kāi)裂，充填體變形后留巷頂板有裂隙產(chǎn)生。

圖1 沿空留巷支護(hù)斷面

充填體穩(wěn)定性分析，首先要了解保持沿空留巷系統(tǒng)穩(wěn)定需要充填體提供多少支護(hù)阻力。根據(jù)公式沿空留巷每米充填體合理的巷旁支護(hù)阻力為：

式中：P為巷旁支護(hù)體需要最小的支護(hù)阻力，MN；n為垮落層數(shù)；a為巷道維護(hù)寬度，m；h為切頂巖層的分層厚度，11m；r為第1～n層的巖層平均容重，MN/m3；α為切頂巖層垮落角的余角；Rt為第n層巖層的抗拉強(qiáng)度，MPa。Ln為第n層巖層的垮落頂板巖塊長(zhǎng)度，m。

根據(jù)工作面的地質(zhì)條件，取工作面切頂總高度為6m計(jì)算，將巷道頂板巖層r、h、a等參數(shù)代入公式（1）可得：ΣP=1.5MN/m。

根據(jù)水泥：沙：石子=1：2：2，微量摻入速干劑的混凝土強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，其有效支護(hù)強(qiáng)度為不低于15Mpa。確定沿空留巷的巷旁支護(hù)強(qiáng)度后，就可根據(jù)所需的巷旁支護(hù)強(qiáng)度和巷旁支護(hù)材料的力學(xué)性能，由公式（2）設(shè)計(jì)巷旁支護(hù)寬度。

式中：a1為巷旁支護(hù)平均寬度，m；F為沿空留巷所需的巷旁支護(hù)強(qiáng)度，MN/m；p為巷旁支護(hù)體成型后1d的抗壓強(qiáng)度，MPa；K為安全系數(shù)，一般K=1.1～1.2。代入相關(guān)參數(shù)則充填體寬度不小于A=1.2×1.52/15＝0.12m，那么選擇主充填體寬度為1m具有足夠的強(qiáng)度和安全系數(shù)。

根據(jù)沿空留巷礦壓模型如圖2所示，老頂?shù)较锏赖装逭w變形量為：

式中：h1為老頂回轉(zhuǎn)后觸矸高度h1=k(h-m)，a為巷道寬度，a1為充填體寬度，k為碎脹巖石壓實(shí)系數(shù)，k取1.25，l1為關(guān)鍵塊超前斷裂位置，l為斷裂塊長(zhǎng)度。

根據(jù)工作面實(shí)際，取h=7m，m=1m，l=18m，l1=3m，a=3m，a1=0.5m，b=2.2m。

則根據(jù)公式計(jì)算得：△h＝0．154m

圖2 沿空留巷礦壓模型

根據(jù)公式（1）計(jì)算結(jié)果，頂板加載在充填體上的平均應(yīng)力為：σ＝F/A=1.522MN/m/0.5m=3.04MPa

式中：εb為充填體應(yīng)變,A為充填體墻寬度，Eb為矸石混凝土彈性模量,σ為充填體內(nèi)平均應(yīng)力,△b為充填體縱向變形量。

以上結(jié)果可以看出，如果僅靠矸石混凝土本身的變形量是不能滿足留巷頂板下沉量的要求，必須采取必要措施，否則老頂下沉產(chǎn)生的應(yīng)力集中將破壞矸石混凝土充填體完整性而導(dǎo)致支護(hù)失效。

經(jīng)過(guò)分析查閱資料表明，混凝土墻強(qiáng)度雖高，但適應(yīng)能力差，凝固快，塑性變形能力差，混凝土墻體開(kāi)裂變形明顯，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)安全感，根據(jù)采空區(qū)來(lái)壓給定變形量分析，改變了巷旁支護(hù)方案，在混凝土充填體上方采用方木或者放置矸石袋接頂，可為老頂旋轉(zhuǎn)下沉對(duì)充填體造成的側(cè)向推力以及直接頂彎曲下沉留下橫向變形的空間。巷道來(lái)壓為充填體形成緩沖區(qū)，巷旁支護(hù)開(kāi)裂狀況得到明顯改善。充填放置0.2m厚矸石袋接頂后效果最好，巷旁基本無(wú)開(kāi)裂體產(chǎn)生。

3 結(jié)論

（1）采用混凝土作為充填主要材料具備早期強(qiáng)度較高，增阻速度快的力學(xué)特性，能夠及時(shí)支護(hù)直接頂，控制巷道圍巖的變形，有利于留巷圍巖的穩(wěn)定。

（2）因老頂回轉(zhuǎn)下沉以及直接頂彎曲下沉造成充填體上部受力不均勻，出現(xiàn)應(yīng)力集中。直接剛性抗拒老空來(lái)壓不現(xiàn)實(shí)，由于實(shí)踐中采用可讓壓變形材料在充填體上部與頂板之間接頂，采取讓壓的方法避免應(yīng)力集中對(duì)充填體的破壞，其效果較好。

［1] 張東升,等.充填體接頂質(zhì)量對(duì)綜放沿空留巷圍巖變形的影響[J] .礦山壓力與頂板管理,2001(3).