綜采工作面柔模混凝土沿空留巷力學模型分析與控制技術研究

楊旭明

（山西新景煤業有限責任公司，山西 陽泉 045000）

1 工程概況

陽泉煤業新景礦3107綜采工作面位于525水平，工作面標高583～550m，埋藏深度為496～671m。工作面走向長1384m，傾斜長172m，所采3#煤層平均厚度2.36m，平均傾角5°，總體賦存穩定，結構簡單，一般含1層夾石，煤層上方直接頂為1.11m的灰黑色砂質泥巖，基本頂為6.17m的灰白色的細粒砂巖，直接底為2.48m的灰黑色砂質泥巖，基本底為2.4m的灰黑色細粒砂巖。3207工作面輔助進風巷為沿空留巷試驗巷道，巷道斷面為矩形，凈寬4.0m，凈高2.6m，走向長1384m，沿3#煤層底板掘進。

2 柔模混凝土沿空留巷力學模型

由于巷旁支護體與實煤體幫共同承受上覆巖體的作用力，所以巷旁支護體的穩定對沿空留巷的穩定起決定性作用。把巷旁支護體在不同位置的幾種不同作用原理進行歸納：

（1）工作面回采初期階段。煤層被采出后，巷旁支護起到支撐保護的作用，保證上層巖體受到足夠的支撐力，減少了圍巖的局部變形和破裂[1-2]。

頂板垮落階段。經過工作面剛推階段，巷旁支護和周圍煤體共同承擔上部巖層的壓力，局部會產生較大的變形量，因此需要求巷旁的填充體不僅要具備一定的剛度，還要具備一定的延展性，在承受超過設計要求的壓力值時能夠具備較好的收縮能力。

（3）頂板趨于穩定狀態階段。此時，由三部分共同承擔對上部巖層的支撐力，包括實煤體、巷旁支護體和煤矸石，要求巷旁支護體的阻力能夠使巷道上部巖體下沉量不至過大，同時使整體受力維持在平衡狀態。

柔模混凝土連續墻具有一定的可縮性、支護阻力大等特性，能夠與沿空留巷巷道的圍巖變形相適應，另外柔模混凝土具有早強快等特點[3-4]，根據柔模混凝土巷旁支護的受力特征，并結合相關研究建立柔模混凝土沿空留巷的力學模型如圖1所示。

圖1 柔模混凝土沿空留巷力學模型

通過分析圖1能夠建立力矩平衡和力的平衡方程式如式（1）：

式中：

Q-充填墻的荷載，MPa；

Bb-墻體內側到煤壁的距離，m；

ξ、φ-系數；

γ-上覆每米懸臂巖塊的重量，kN/m；

x-墻體的寬度，m；

q-上覆巖層荷載，MPa；

Bc-墻外側懸頂距，m；

H-承載梁厚度，m；

BM-頂板斷裂線距煤壁的距離,m；

θ-基本頂斷裂線與垂直方向的夾角，°。

通過將式（1）進行變換能夠得出充填墻體載荷的計算公式（2）：

式中各項符號的含義同上。根據3107綜采工作面的具體地質情況確定巷旁充填體的支護厚度x=1m，Bb=4.5m，BM=1.3m，H=5m，θ=26 °，γ=25kN/m，Bc=1m，基于此對支護體的載荷進行計算分析，當外懸臂寬度為1m時，充填墻體的載荷Q=5.2MPa，當墻外懸臂長度為4.5m時，巷旁支護體載荷Q=10.3MPa。

對于支護體承載能力的分析時，將單位厚度和長度均為1m的支護體視為軸心受壓的柱形模型，模型柱的計算如式（3）：

式中：

N2-巷旁支護體的承載能力，kN；

fc-混凝土的軸心極限抗壓強度，MPa；

A-截面面積，106mm2。

根據3107工作面的地質情況可將模型短邊長視為1m，柱高為2.1m，構件的長細比為2.1，C20標號的混凝土fc=15.5N/mm2，構件的穩定性系數φ=1.0，據此能夠計算出巷旁支護體的承載能力N2=13950kN。據此可知對于3107工作面設計單位厚度和長度均為1m，采用C20標號的混凝土時巷旁支護體的承載能力為13950kN，大于支護體所承受的荷載10300kN，并且充填墻體的承載能力為支護體所受載荷的1.4倍。因此采用單位厚度和長度均為1m，C20標號的混凝土作為巷旁支護體時結構安全。

3 沿空留巷支護設計與效果

3.1 圍巖控制方案

（1）巷道基本支護

3107工作面輔助進風巷為矩形斷面，凈寬4.0m，凈高2.6m，沿3#煤層頂底板掘進。根據對3213工作面的具體地質條件進行分析，初步確定巷道的支護方式為錨桿+錨索+W型鋼帶+金屬菱形網的形式。巷道頂板錨桿采用Φ20×2400mm高強錨桿，間排距為780×850mm，頂板錨索采用Φ17.8×7200mm的鋼絞線，間排距為2340×850mm，巷幫錨桿采用Φ18×1800mm的麻花錨桿，間排距為850×850mm。具體巷道支護參數如圖2所示。

（2）柔模混凝土支護

根據3107工作面的地質資料，并考慮到施工誤差與工作面推進速度之間的關系，設計柔模混凝土的長度為兩種，分別為2m和3m的長度。另外為保證柔模混凝土良好的接頂效果，在巷旁充填體的高度方向預留出200mm的富余量。根據柔模混凝土的力學模型分析結果，確定柔模混凝土的高度為2.1m，厚度為1m。

圖2 3107工作面輔助運輸巷基本支護斷面圖

在進行柔模混凝土筑墻作業時，先架設柔模，并在柔模上預留出混凝土的灌注口，且設計的灌注口需帶有自封閉功能。當進行澆筑施工作業時將混凝土的灌注口插入到柔模內部，當澆筑作業完成后灌注口會自動封閉。為方便施工將灌注口設計在距離柔模底部1.5m的位置處。另外為提高柔模混凝土墻的承載力，在混凝土的內部進行植筋，并沿著柔模的高度方向上預設兩排錨栓孔。上下兩排孔間的間距為0.9m，下排錨栓孔距離柔模的底部為0.6m，錨栓孔之間的排距為1m。在柔模混凝土筑墻作業時要嚴格錨栓托盤間的距離為1m，以此確保充填體達到設計的厚度。具體柔模混凝土的尺寸和錨栓的各項參數如圖3所示。

圖3 柔模混凝土和錨栓布置位置示意圖

（3）臨時加強支護

3107工作面回采過程中，輔運巷的臨時加強支護的范圍為超前工作面30m以及之后工作面的100m范圍。采用“一梁三柱”的加強支護方式，棚距為1000mm，π型梁的長度為4000mm，單體支柱的型號為DW28～DW35。在臨時支護結束后，在構筑的混凝土墻兩側打設兩排錨索進行正式支護，錨索規格為Φ21.6×7200mm，預緊力大于250kN，排距為850mm。兩排錨索分別打設在留巷側和落山側，留巷側距離混凝土墻0.3m的位置打設一排錨索，在落山側距離混凝土墻0.2m的位置處打設一排錨索。具體工作面臨時加強支護如圖4所示。

圖4 3107工作面臨時加強支護示意圖

3.2 圍巖控制效果分析

在3107工作面輔運巷進行沿空留巷后，采用十字布點法對留巷的圍巖變形量進行觀測。在超前3107工作面回采位置180m的位置處布置礦壓監測站，隨著工作面回采推進進行持續觀測。根據礦壓監測所得數據，繪制成曲線如圖5所示。

圖5 輔運巷留巷期間圍巖變形曲線圖

通過分析圖5可知，隨著工作面回采作業的推進，沿空留巷圍巖的變形量在逐漸增大。在沿空留巷巷道滯后工作面130m的位置，巷道圍巖的變形量逐漸趨于穩定，此時兩幫的移近量為165mm，靠近實體煤幫側的頂底板移近量為115mm，巷旁充填墻側的頂底板移近量為138mm。在沿空留巷距離回采工作面0～45m的范圍內，巷道圍巖的變形速率增大趨勢較為明顯，其中兩幫的最大移近速度為5mm/d，頂底板的最大移近速度為6.5mm/d。在距離工作面超過50m的范圍后，留巷圍巖受到頂板活動的影響逐漸減弱，圍巖的變形速率逐漸減小，并且在滯后工作面130m的位置處，圍巖的移近速度小于1mm/d，沿空留巷圍巖基本達到穩定。

基于上述分析可知，3107工作面輔運巷沿空留巷期間在現有支護手段下工作面前方圍巖變形量較小。頂底板的最大移近量為172mm，兩幫最大移近量為160mm，頂底板移近量與兩幫移近量相差最大處僅為12mm，滿足留巷巷道的使用要求。

4 結論

根據柔模混凝土巷旁支護的受力特征，建立柔模混凝土沿空留巷的力學模型，得出充填墻體所受載荷的計算公式，結合3107工作面的具體地質情況確定巷旁充填體單位厚度和長度為1m，采用C20標號的混凝土作為充填體，并對沿空留巷的圍巖控制技術的各項參數進行具體設計。根據礦壓監測結果得知，圍巖控制方案實施后，頂底板的最大移近量為172mm，兩幫最大移近量為160mm，保障了沿空留巷圍巖的穩定。