大柳塔煤礦沿空留巷柔模砼墻支護(hù)阻力核定及失穩(wěn)判據(jù)研究

摘要：柔模砼墻沿空留巷工作面覆巖垮落結(jié)構(gòu)與砼墻的穩(wěn)定性是留巷成功與否的關(guān)鍵。以大柳塔煤礦52606 工作面為研究對象，通過相似材料模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在52605 工作面和52606 工作面回采結(jié)束后，砼墻上方覆巖垮落呈短懸臂梁結(jié)構(gòu)，且砼墻側(cè)垮落角均大于煤壁側(cè)垮落角，二次采動后2 個工作面裂隙貫通向地表發(fā)育，砼墻上方地面出現(xiàn)略微沉降。針對上述情況，通過分析覆巖垮落結(jié)構(gòu)特征，確定了沿空巷道頂板第1 次斷裂位置位于采空區(qū)上方充填體一側(cè)，第2 次斷裂位置位于采空區(qū)形成懸臂梁結(jié)構(gòu)的巖層中靠近煤壁側(cè)，并結(jié)合理論分析得到柔模砼墻沿空留巷應(yīng)力分布特征。根據(jù)沿空巷道不同使用階段門式支架是否撤出，提出留巷階段砼墻的支護(hù)阻力采用分離巖塊法計(jì)算，巷道復(fù)用階段砼墻的支護(hù)阻力采用傾斜巖梁法計(jì)算；柔模砼墻的穩(wěn)定性與安全系數(shù)有關(guān)，工作面回采過程中保證安全系數(shù)大于1，則砼墻不會發(fā)生失穩(wěn)破壞。實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果表明：該留巷工作面使用門式支架做臨時支護(hù)時，為保證砼墻的安全系數(shù)大于2，需保證砼墻強(qiáng)度達(dá)到5.4 MPa 以上；撤出門式支架后，斷裂巖塊及其覆巖載荷由砼墻承擔(dān)，且采動引起的動載不斷對砼墻產(chǎn)生影響，但砼墻的安全系數(shù)為3.9，砼墻仍相對穩(wěn)定；砼墻應(yīng)力雖然是不斷變化的，但變化幅度都不大，均未出現(xiàn)應(yīng)力急劇增大或減小的現(xiàn)象，這說明砼墻可有效支撐頂板，且砼墻一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：沿空留巷；柔模砼墻；砼墻安全系數(shù)；門式支架；采動階段；覆巖運(yùn)移規(guī)律；支護(hù)阻力

中圖分類號：TD322.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

沿空留巷是指在井下采煤工作面回采時，對工作面后方巷道加強(qiáng)巷內(nèi)支護(hù)，并在采空區(qū)邊緣采用澆筑、砌筑、充填、堆砌、支撐等方法設(shè)置柱、墻等結(jié)構(gòu)，以隔離采空區(qū)、支撐頂板，保留回采巷道，以便下一工作面再次使用的巷道布置方法。相較于傳統(tǒng)的煤柱護(hù)巷，沿空留巷不僅有助于緩解采掘接替緊張問題，還能提高煤炭資源采出率。此外，沿空留巷布置在應(yīng)力降低區(qū)，有效消除煤柱導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而降低由此引發(fā)沖擊地壓等動力災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。目前，充填式沿空留巷[1]和無煤柱切頂沿空留巷（即110 工法）[2]已成為我國主要礦區(qū)采用的留巷工藝。

許多學(xué)者對留巷圍巖變形特征、工作面礦壓規(guī)律、巷旁支護(hù)形式及巷內(nèi)基本支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了大量研究。何滿朝等[3]提出“切頂短壁梁”理論，在頂板進(jìn)行定向預(yù)裂切縫，切斷了部分頂板礦山壓力傳遞，采用恒阻錨索將低位巖體懸掛在上方堅(jiān)硬巖體上，從而實(shí)現(xiàn)自動成巷和無煤柱開采。孫靖康等[4]依據(jù)煤體分區(qū)破壞特征建立切頂前后沿空巷道圍巖力學(xué)模型，得到切頂前后巷道底鼓解析解。王方田等[5]基于頂板回轉(zhuǎn)下沉彎矩疊加理論，構(gòu)建動壓區(qū)沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，結(jié)合不同支護(hù)方案確定巷道頂板下沉量。嚴(yán)超超等[6]基于頂板載荷條帶分割法，建立沿空留巷底板等效載荷分布模型，獲得計(jì)算巷道底板最大底鼓量方法。康志鵬等[7]研究厚煤層沿空留巷圍巖變形破壞機(jī)制，提出控制頂板、限制煤幫、讓壓底板的“三位一體”圍巖控制方案，通過補(bǔ)打短錨索，將極限平衡區(qū)煤層與深部彈性承載層連接，有效降低巷旁充填體支護(hù)阻力。華心祝等[8]基于對留巷圍巖變形分析，建立考慮巷幫煤體承載作用和巷旁錨索加強(qiáng)作用的沿空留巷力學(xué)模型，確定留巷修復(fù)治理的最佳時機(jī)與修復(fù)工藝，提出巷旁錨索與巷內(nèi)錨桿聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù)的方法。總之，巷旁充填體的穩(wěn)定性是沿空巷道留巷成功與否的關(guān)鍵。許多學(xué)者基于沿空留巷覆巖垮落結(jié)構(gòu)，提出了多種砼墻支護(hù)阻力的計(jì)算方法，但由于井下開采條件的復(fù)雜性，在計(jì)算砼墻支護(hù)阻力及判斷其穩(wěn)定性時，無法獲得直接頂、基本頂巖塊長度等關(guān)鍵參數(shù)。

本文以國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司大柳塔煤礦52606 工作面為工程背景，結(jié)合相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，分析了柔模砼墻沿空留巷工作面在不同采動階段的覆巖運(yùn)移規(guī)律，針對砼墻不同使用階段的支護(hù)阻力進(jìn)行深入研究，確定砼墻安全系數(shù)的計(jì)算方法并利用現(xiàn)場及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程背景

1.1 留巷概況

大柳塔煤礦52606 工作面采用柔模砼墻沿空留巷工藝，通過對52605 工作面運(yùn)輸巷進(jìn)行巷內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，并在采空區(qū)邊緣澆筑柔模砼墻密閉采空區(qū)，將該巷道保留下來作為52606 工作面的輔助運(yùn)輸巷（輔運(yùn)巷）使用，工作面位置關(guān)系如圖1 所示。該工作面回采5?2 煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤厚4.1～4.6 m，平均厚度為4.3 m，傾角為1～ 3°，直接頂以粉砂巖為主，局部含細(xì)粒砂巖薄層；基本頂以細(xì)粒砂巖為主，主要成分為石英，各煤巖層柱狀圖及巖性如圖2 所示。其所對應(yīng)的地面標(biāo)高為+1 144 ～ +1 287 m，底板標(biāo)高為+1 042 ～ +1 076 m，工作面走向長4 193.5 m，傾向長365.6 m，采高為4.3 m，回采速度為12 m/d，于2022 年4 月開始回采，2023 年5 月結(jié)束回采。