金凤煤矿011805工作面运输巷沿空留巷柔模混凝土墙的稳定性分析

岳立伟

摘 要：011805工作面沿空留巷顶板压力由顶板、柔模混泥土墙体、煤帮共同承担，根据不同阶段顶板岩层运动及其变形特征对巷旁柔模混凝土墙的作用，建立了相应的巷旁充填支护阻力数学模型，求出最小支护阻力并在充填材料力学性能和巷道高度确定的情况下，合理的确定墙体宽度。

关键词：顶板压力；沿空留巷；支护阻力；柔模墙宽度

柔模混凝土墙主要起支撑顶板和封闭采空区的作用，是沿空留巷的核心问题，而支撑承载性能往往决定沿空留巷的最终效果，混凝土墙体的稳定性不仅取决于墙体本身，还与岩层赋存条件等因素有关，应充分考虑墙体所处的围岩环境，柔模混凝土墙的宽度过窄，稳定性较差，受基本顶回转下沉产生的集中应力下容易破坏、失稳；随着宽度的增加，墙体的稳定性也增加，但是墙体过宽不仅增加经济成本，而且也增加辅助运输和施工劳动量。因此，巷旁支护体有一个合理的宽度也是十分重要的。

一、巷旁柔模墙承载结构的概念与特征

采空区侧顶板的断裂旋转下沉是巷旁柔模混泥土墙体的主要应力来源，载荷通过岩层传递，最终由顶板、墙体和煤壁共同承担，如图1所示。承载结构具有以下特征：

1、顶板前期活动阶段以旋转下沉为主，来压强度较小，充填体的作用力主要是平衡巷道上方直接顶及其悬臂部分岩层的重量。为保持巷道顶板的完整性，增加直接顶的自稳能力，要求充填体与巷内支架共同作用，保持直接顶与老顶的紧贴。

2、顶板岩层过渡期活动阶段，老顶破断、失稳、旋转下沉剧烈。由于直接顶及一定范围内的老顶垮落破碎，体积增大，充填采空区后，减少了冒落矸石与老顶之间的间隙，为老顶形成稳定结构提供了条件，老顶岩层在采空区侧向破断失稳后形成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个相互咬合的块体，块体Ⅱ的回转下沉对墙体的施载作用最为关键。根据关键层理论，老顶断裂后将带动上覆数个岩层同期破断，直接顶和柔模混凝土墙体无法控制这种剧烈下沉，只能被动承受块体Ⅱ的“给定变形”[1]。因此墙体应具有足够的支护阻力参与顶板运动及平衡，以缩短过渡期顶板剧烈活动的时间，减少留巷顶板过大下沉量。

3、顶板岩层进入后期活动阶段，墙体的作用是维持破断顶板的稳定，其临界支护阻力为平衡冒落带对应范围内岩层的重量。

二、柔模混凝凝土墙体稳定因素分析

保证沿空留巷系统稳定性，要求充填体具有足够的支护阻力能避免直接顶严重破裂，并使其与上位岩层之间不产生较大的离层，以缩短顶板剧烈活动的时间， 减少顶板的下沉量[2]。但是沿空留巷柔模混凝土墙体难以阻止上位岩层取得平衡之前所产生的顶板沉降，因此要求充填体具有足够的可缩量以适应顶板的活动，使用高塑性材料通过适当的下缩让压，充分发挥围岩的承载能力[3]。

（一）充填体强度

对柔模混凝土墙稳定性分析，首先要了解保持沿空留巷系统稳定需要墙体提供多少支护阻。根据式（1）[4]沿空留巷每米充填体合理的巷旁支护阻力为：

（1）

（1）式中，p为巷旁支护体需要最小的支护阻力，kN；n为垮落层数；r为第1～ n层的岩层平均容重，MN/m3；h为切顶岩层的分层厚度，m；a为巷道维护宽度，m；α为切顶岩层垮落角的余角；Ln为第n层岩层的垮落顶板岩块长度，m；Rt为第n层岩层的抗拉强度Mpa。如图2所示。

关键块体的长度为[5]

（2）

式中，S 为工作面长度，011805工作面长度为290m。为周期来压步距，通过实测确定为15m～18m，从而得出关键块长度为17.6～20.9m。

直接顶垮落后高度 H=M/（Kp-1） （3）

式中，M为011805工作面煤层的厚度取M=4.3m，Kp为直接顶碎胀系数，取Kp=1.4由（3）式得出直接顶垮落后的充填高度后根据三角函数可以算出切顶岩层垮落角的余角α=6°

取n=2；r=2.4×10-2MN/m3 ；h=8m；a=4.2m；α=6°；Ln=19m；Rt=6Mpa。

可得：P=22.43MN/m

金凤煤矿011805工作面的地质条件，如表1、表2。

011805沿空留巷支护设计中，混凝土配合比见表3。

根据配比混凝土强度达到C25，由此可知柔模混泥土墙的抗压强度为25MPa

巷旁支护宽度[6]： B=KP/F （4）

式中，B为巷旁支护平均宽度，m；K为安全系数，一般K=1.1～1.2；P为沿空留巷所需的巷旁支护强度，MN/m；F为巷旁支护体成型后1d的抗压强度，MPa。

将P=22.43MN/m；K=1.1；F=25MPa带入（4）式求得柔模混凝土墙的墙体宽度为B=0.98m，那么选择宽度为1m的柔模混凝土墙能满足需要的强度。

三、結论

1、采用柔模混凝土充填材料具备早期强度高，增阻速度快的力学特性，能够及时支护直接顶，控制巷道围岩的变形，有利于留巷围岩的稳定。2、基本顶回转下沉以及直接顶弯曲下沉造成充填体上部受力较大，出现应力集中，采用高塑性材料在充填体上部与顶板之间接顶，能避免应力集中对充填体的破坏。3、通过建立数学模型，计算得出当柔模混凝土墙硬度达到C25时墙宽选用1m能满足要求。

参考文献：

[1]韩昌良，张农，李桂臣.覆岩分次垮落时留巷顶板离层形成机制[J].中国矿业大学学报，2012，41（6）：893-899.

[2]张吉雄，李剑，安泰龙.矸石充填综采覆岩关键层变形特征研究[J].煤炭学报，2010，35（3）：357-362.

[3]苏清政，郝海金.巷旁充填体可缩性对沿空留巷顶板运动的适应性分析[J].焦作工学院学报，2002，21（5）：33-333.

[4]孙恒虎，赵炳利.沿空留巷的理论与实践[M].北京：煤炭工业出版社，1993.

[5]李学华.综放沿空掘巷围岩稳定性控制原理与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008.

[6]黄玉诚，孙恒虎.沿空留巷护巷带参数的设计方法[J].煤炭学报，1997，22（2）：127-131.endprint