大断面巷道沿空留巷巷旁充填体受力分析与加固

邢继亮 李永亮 李 峥 李文超 梁远涛 郭佳浩

（1.中国矿业大学 （北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083；2.山西焦煤五麟煤焦开发有限责任公司，山西省汾阳市，032200）

大断面巷道沿空留巷巷旁充填体受力分析与加固

邢继亮1，2李永亮1李 峥1李文超1梁远涛1郭佳浩1

（1.中国矿业大学 （北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083；2.山西焦煤五麟煤焦开发有限责任公司，山西省汾阳市，032200）

为实现高瓦斯工作面Y型通风，以屯兰矿18205工作面为工程背景，实施大断面巷道沿空留巷技术。分别对宽度为2.0 m、2.5 m、3.0 m巷旁充填体在二次采动条件下受力情况进行数值模拟分析，得出合理的充填体宽度为2.5 m，对其进行内部受力分析，呈现剪切破坏现象。加固采用充填体外布置锚带网，充填体内布置钢筋网的内外加固措施，现场实测表明沿空巷道矿压显现平稳，该充填体能够满足生产需要。

大断面巷道 沿空留巷 充填体 受力分析 加固

西山煤电集团公司是我国的焦煤生产基地，矿区煤层开采以中厚煤层和薄煤层为主。公司所属屯兰矿为高瓦斯矿井。8＃煤层相对瓦斯涌出量为8.63～15.49 m3／t，瓦斯压力值达到1.9 MPa，多工作面同时开采，采掘衔接紧张。区段之间一般留设20 m的护巷煤柱，工作面预留瓦斯尾巷，造成煤炭资源回收率低和瓦斯治理困难。针对屯兰矿的具体情况，研究适应于屯兰矿高瓦斯工作面的沿空留巷技术，实现Y型通风，以解决瓦斯治理难题、提高资源回收率、缓解工作面采掘衔接紧张，实现矿井安全、高效、可持续发展。

1 工作面概况

屯兰矿18205工作面为沿空留巷工作面，该工作面主采8＃煤层，煤厚平均3.29 m，煤层倾角4～6°，煤层老顶为厚4.21 m粉砂岩，直接顶为厚2.42 m石灰岩，直接底为0～1.2 m泥岩，老底为2.08 m中砂岩。工作面走向长1592 m，倾斜长211 m。工作面采用两巷加一借用巷道的布置方式，3条巷道相互平行，实现工作面Y型通风。轨道巷为沿空留巷巷道，矩形断面，高3.5 m，宽5.5 m，断面19.25 m2，锚带网支护。巷道具体布置方式见图1。

图1 沿空留巷工作面巷道布置平面图

2 巷旁充填体受力数值模拟分析

在采空区与轨道巷之间布置巷旁充填体，为确定充填体合理宽度，根据工作面地质条件，采用FLAC3D数值模拟软件分别对宽度为2.0 m、2.5 m、3.0 m的充填体在二次采动影响下的受力情况进行分析。

对充填体在二次采动影响下的受力情况进行模拟，得出2.0 m宽充填体在工作面前方30 m、60 m、90 m处的支承压力分别为33.3 MPa、31.9 MPa、30.1 MPa；2.5 m宽充填体在工作面前方30 m、60 m、90 m处的支承压力分别为23.2 MPa、22.5 MPa、20.9 MPa；3.0 m宽充填体在工作面前方30 m、60 m、90 m处的支承压力分别为18.3 MPa、17.1 MPa、15.8 MPa。结合数值模拟二次采动影响下工作面前方破坏区可知，2.0 m、2.5 m、3.0 m种充填墙体在超前支承压力作用下基本不破坏，均可满足沿空留巷的要求。2.0 m宽充填墙体工作面前方支承压力较大，对充填材料强度要求较高。充填墙体的宽度设计为3.0 m时，每个充填步距需要充入的料浆就增多，这样就增大了成本，且按照目前屯兰矿充填条件，将多耗费约半小时的充填时间。当墙体的宽度设计为2.5 m时，无论是对充填墙体强度的要求，还是实际充填工作量都更为合理。因此，该沿空留巷工作面的充填墙体宽度设计为2.5 m，对该宽度的充填墙体受力情况作进一步的理论分析。

3 巷旁充填体内部受力分析与加固

3.1 充填体内部受力分析

巷旁充填体为膏体混凝土材料整体浇注而成，每次充填的长度为2.4 m，宽度为2.5 m。充填体在采空区与工作巷道内的宽度分别为1.6 m和0.9 m。混凝土是一种有很多微裂缝的固体，其破坏过程就是这些裂缝的发展过程。混凝土是一种不均匀材料，在骨料和砂浆结合面上常常发生应力集中，这是使混凝土产生开裂的主要原因。混凝土强度破坏准则试验研究表明，混凝土材料主要有拉伸和剪切两种破坏形式，国内学者推导出适合于混凝土的抗剪强度计算的表达式为：

式中：ft、fc——为混凝土单拉和单压强度；

φ——材料的内摩擦角。

根据国内外学者对混凝土破坏强度的实验结果分析知，混凝土的抗剪强度和抗压强度之比在0.095～0.121之间，混凝土的劈裂抗拉强度和抗压强度的比值在0.083～0.167之间，并且抗拉强度小于抗剪强度。将沿空留巷巷旁充填材料膏体混凝土的相关参数和充填体在二次采动条件下受力参数代入混凝土的抗剪强度计算表达式中，充填体内所受到的剪切力为5.2 MPa，而通过试验分析该混凝土的最大抗剪强度为3.7 MPa，因此，在充填体内将产生剪切破坏，因此要对充填体进行加固，提高其强度，发挥支护效能。

3.2 充填体的加固

3.2.1 充填体外加固

在充填墙体表面，沿巷道走向布置3排长为2.6 m，四孔的ø14 mm型托架，每两根托架相互对接，采用8＃钢筋网、IV级左旋锚杆专用螺纹钢超高强预拉力锚杆联合支护，在墙体不平整处采用菱形金属网。采用规格为ø20 mm×1600 mm的锚杆。锚杆采用一节Z2355型中速树脂药卷加长锚固；锚杆的间排距为900 mm×800 mm。锚带网支护平面图见图2。

在锚杆钢带钢筋网联合加固基础上，为防止围岩风化，喷射厚度为50 mm的混凝土密封充填墙体表面。

3.2.2 充填体内加固

为增加充填体的强度，在充填墙体内共放置5片钢筋网，实现对充填墙体的加固，钢筋网规格长2250 mm、高3000 mm，采用直径为8 mm的钢筋，钢筋网方格尺寸为150 mm×150 mm。垂直于轨道巷两帮和底板布置3片钢筋网，在钢筋网的中部用直径为16 mm、长度为2100 mm的螺纹钢将3片钢筋网连接起来，使钢筋网之间的距离为1000 mm，每一片钢筋网距离两面模板各200 mm。平行于轨道巷两帮布置两片钢筋网，并用铁丝使其与之前的3片钢筋网连成一体。

图2 充填墙体锚带网支护参数图

由于受到巷道顶底板不平整、底板浮煤未及时清理及充填工艺的影响，充填体与顶底板接触不密实，充填体受力不均使充填体产生缝隙，为了防止采空区瓦斯的泄漏，需要对充填体缝隙进行喷浆密封。

4 巷旁充填体受力现场实测

4.1 充填体受力观测方案

图3 工作面充填体受力观测方案示意图

沿空留巷充填体的受力观测为检验充填效果提供科学评价依据，根据受力观测原则及屯兰矿实际矿压情况，在距离工作面开切眼10 m处，布置5个相互间隔为10 m的观测点，紧接着布置5个相互间隔为50 m的观测点；在每个观测点处充填体内布置2个液压枕，使液压枕距离底板的高度为1.75 m，液压枕距充填体两边边缘各为1 m。总观测距离为300 m。充填体受力观测方案示意图见图3。

4.2 充填体受力实测分析

根据充填体受力观测方案，进行了充填体在首次采动影响下的受力观测。根据观测结果可以得出充填体受力为2～4 MPa，充填体中测力锚杆受力为5～25 MPa，说明在首次采动影响下充填体受力较小。结合有关留巷两帮位移、顶板离层观测结果，以及瓦斯治理成效，表明在采动影响下沿空巷道整体矿压显现比较平稳；Y型通风瓦斯治理效果显著，设计宽度为2.5 m的膏体混凝土巷旁充填体能够满足生产需要。

5 结论

根据对宽度为2.0 m、2.5 m、3.0 m的沿空留巷巷旁充填体在二次采动影响下受力数值模拟分析以及现场生产实际，得出合理的巷旁充填体宽度为2.5 m；现场实测表明采用充填体外布置锚带网，充填体内布置钢筋网的内外加固措施，能够防止充填体产生剪切破坏，提高其强度，发挥支护效能，使沿空巷道矿压显现平稳。

［1］石建军，师皓宇.沿空留巷矿压显现规律模拟研究［J］.中国煤炭，2012（10）

［2］陈勇，柏建彪，徐营等.沿空留巷巷旁支护体宽度的合理确定 ［J］.煤炭工程，2012（5）

［3］李宏，刘西拉.基于混凝土破坏准则的抗剪强度计算 ［J］.工程力学，1993（1）

［4］施士昇.混凝土的抗剪强度、剪切模量和弹性模量［J］.土木工程学报，1999（2）

［5］李农，侯端明，卞景强等.复合顶板沿空掘巷支护技术研究与实践 ［J］.中国煤炭，2011（8）

［6］杨宝贵，孙恒虎，刘华生等.配置钢筋对高水固结充填体的影响 ［J］.北京科技大学学报，1999（5）

Force analysis and strengthening on filling body beside gob-side entry retained in roadway with large section

Xing Jiliang1，2，Li Yongliang1，Li Zheng1，Li Wenchao1，Liang Yuantao1，Guo Jiahao1
（1.Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining＆Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.Wulin Coal ＆Coke Development Co.，Ltd.，Shanxi Coking Coal Group，Fenyang，Shanxi 032200，China）

In order to achieve the Y-type ventilation in high-gas working face，the 18205 working face in Tunlan Mine being taken as the engineering background，the technology of gobside entry retained in roadway with large section was carried out.Numerical simulation analyses were respectively conducted on the stress status of filling bodies beside roadway with the widths of 2.0m、2.5m and 3.0m under the secondary mining and drew that the reasonable width of filling body is 2.5m.According to its internal stress analysis，there was shear failure in it.The measures of internal and external strengthening were put into use：bolting with mesh was set on the exterior of the filling body and steel mesh was laid in the interior.Field measurements indicated that the ground behavior in gob-side entry was smooth and the filling body met the need of production.

roadway with large section，gob-side entry retained，filling body，stress analysis，strengthening

TD353

A

邢继亮 （1976-），男，山西平遥人，在读博士，现任山西焦煤五麟煤焦开发有限责任公司副总经理，主要从事矿山压力方面研究。

（责任编辑 张毅玲）