沿空留巷柔膜混凝土支護參數設計研究

范慧盛

（山煤集團煤業管理有限公司，山西 太原 030006）

1 工作面地質條件

霍爾辛赫礦3307大采高綜采工作面位于三盤區，主采3#煤層，煤層厚度4.8～5.7m，平均厚度5.0m。煤層傾角 1°～5°，平均 3°。工作面標高 +407～+437m，地面標高+922～ +937m。走向長度545m，傾斜長度250m。3307工作面東側為五條大巷；西、南側未掘進；北側為3301、3302回采工作面，目前已經回采完。為了加強工作面的通風管理，確保工作面正常回采，根據三進一回通風布置方式，共布置四條巷道：3307運輸順槽、3307進風順槽、3307輔助進風巷、3307回風順槽，需要在進風順槽采空區段進行沿空留巷，在沿空留巷段采用柔模混凝土墻支護技術。33307進風順槽為矩形巷道，設計斷面6.0×4.5m。3307工作面回采范圍內未見大型地質構造，工作面地質與水文地質條件簡單。工作面上部除農作物外，還有小型房屋建筑物，房屋有人居住。村莊均在保護煤柱線內，回采對其無影響。工作面頂底板特性見表1。

表1 圍巖及其特征

2 支護設計方案

2.1 支護體載荷計算

由于沿空留巷巷道受到多次采動影響，支護體上覆巖層破壞比較嚴重，故可將支護體承載結構簡化為上覆巖層中的部分分離巖塊的重量，使用“分離巖塊法”建受力模擬圖（圖1），對支護體載荷進行計算，見式（1）。

式中：

q-支護體承受載荷，kPa；

h-回采工作面長度，取4.0m；

θ-巖石內摩擦角，結合覆巖主要為泥巖，取值26°；

bB-沿空留巷巷道寬度，6.0m；

x-支護體寬度，計算中取1.0m；

bC-支護體采空區側懸露長度，結合覆巖主要為泥巖，取1.0m；

α-煤層傾向角，3°；

γB-工作面覆巖平均容重，26kN/m3。

圖1 分離巖塊法計算模型圖

計算可得支護體寬度為1m時承受的載荷為4040.5kPa。這說明在投影方向上每平方米支護體承受載荷為4040.5kN。

2.2 厚度計算

支護體厚度直接影響了巷道的穩定性與沿空留巷的可行性，在對墻體厚度進行計算時，應當考慮到工作面二次采動、墻體澆筑時的強度降低程度等客觀影響因素。同時，結合我國現有柔膜混凝土沿空留巷的工程實踐，膜內充填體主要為C20混凝土，故本次研究仍然采用C20混凝土作為膜內充填支護體。支護體寬度可按式（2）進行計算。

式中：

w-支護體寬度，m；

k2-墻體支撐強度降低系數，一般取0.3；

F-在投影方向上每平方米支護體承受載荷，考慮一定富裕系數（取中間值1.4），取5.8×106N；

k1-二次采動影響系數，取3；

S-支護體澆筑成型時的強度，取C20混凝土設計強度9.6MPa；

代入計算可知墻體寬度為2.59m。則確定墻體寬度為2.6m。

2.3 支護體承載力驗算

在設計后，還必須對連續混凝土墻的承載能力進行支撐能力驗算，可按式（3）進行驗算。

式中：

N2-每米連續支護體承載能力，kN；

φ-墻體穩定性系數，取1；

fc-C20混凝土抗壓強度，取15.5N/mm2；

S-支護體澆筑成型時的強度，取C20混凝土設計強度9.6MPa；

A-單位截面積，1m2。

帶入計算可得，單位長度連續混凝土墻的承載能力1.34×107N，遠大于單位長度支護體載荷4040.5kN。

由上所述，確定3307工作面留巷支護采用C20柔模混凝土澆筑墻體，澆筑混凝土高4500mm，墻體寬度為2600mm，采用Φ20×2800mm的螺紋鋼錨栓，雙托板雙螺母，兩端絲扣長度各為100mm，托板規格為150×150×8mm，錨桿的間排距為750×600mm。沿空留巷最后斷面應保證寬度6000mm，高度4500mm。巷道支護參數見表2，支護斷面圖見圖2。

表2 巷道現有支護參數

圖2 巷道支護斷面圖

3 巷旁澆筑施工工藝

澆筑混凝土沿空留巷施工主要包括地面干混料的制備與運輸下井、采空區圍護、掛設柔性模板、井下制備和輸送混凝土、澆筑混凝土等環節。

3.1 工藝簡述

3307工作面進風順槽（沿空留巷）采用擋矸支架圍護采空區，采用柔模對澆筑混凝土墻進行初期支撐，采用MJSY-2300G混凝土攪拌機制混一組ZRL26400/31/50D型沿空留巷混凝土漿液，采用HBMG80/16-110SF混凝土輸送泵輸送攪拌好的漿液至柔模內。

3.2 主要流程

移架（擋矸支架）→支模→預制混凝土→澆筑→完成一個循環。

3.3 澆筑工序

第一步：在進入充填地點前，必須先敲幫問頂，觀察煤壁、頂板及臨時支護質量，并做好瓦斯檢測等工作，一切安全正常后方可進入充填點進行作業。

第二步：安設好本班充填框架，掛好柔模袋，上緊錨栓托板和螺母等。

第三步：上述工作按要求完成后，利用對講機通知泵站開泵，并通知泵站本次實際充填高度。

第四步：充填過程中，密切觀察充填袋周圍情況，發現情況及時處理。

第五步：充填完成后，將高壓注漿軟管從充填袋內取出并用細鐵絲捆扎緊充填口。

第六步：沖洗攪拌器及管路，見清水后通知泵站停泵。

4 支護效果監測

為檢測巷道支護效果，在3308工作面即3307接續工作面回采時，對支護體進行了鉆孔窺視，對工作面前方巷道表面位移進行了監測，見圖3。

支護體內部0～2.0m范圍之內，整體性較好，可見支護體形成了一定的穩定的支撐結構，保障了巷道的安全高效使用。

圖3 二次采動時巷道表面位移監測

由圖3（a）巷道頂底板相對移近量圖可以看出，巷道頂底板最大移近量為128.5mm；由圖3（b）巷道兩幫移近量圖可以看出，巷道兩幫移近量最大為31.7mm。巷道變形量均在巷道安全使用范圍之內，由此可見，該種支護體設計與支護方式有效控制了沿空留巷圍巖穩定性。

5 結論

為解決霍爾辛赫礦3307大采高綜采工作面進風順槽柔模混凝土墻沿空留巷的問題，采用分離巖塊法計算得出，水平方向上支護體單位面積所受載荷為4040.5kN；考慮多種因素后，計算得出支護墻體寬度應為2.60m；通過支護體承載力驗算，驗證了支護體設計的合理性，確定了最終的支護方案。在二次采動期間，對沿空巷道進行了鉆孔窺視與圍巖變形測量，支護體整體性較好，說明這種支護方法效果良好，為條件相似礦井的沿空留巷問題提供了工程實踐應用基礎與理論支撐。