大倾角中厚煤层综采柔模沿空留巷技术研究与应用

陈长江 赵志刚 王俊超

摘 要：沿空留巷技术目前在缓倾斜中厚煤层开采中已经得到广泛的应用，而在大倾角中厚煤层中成功应用案例则较少。本文以31342采面为例，结合其地质赋存状况以及周边同类似矿井沿空护巷经验，在回采过程中进行柔模沿空留巷工艺试验；同时利用单体液压支柱+铰接顶梁对超前缺口以及机巷进行加强支护，大幅度减少了软弱顶板对作业人员的安全威胁，保障施工安全。工程实践证明，该技术能够较好的控制机巷的围岩变形，保证其围岩稳定性，可以满足上风巷需要，对西南地区大倾角煤层中应用均有借鉴意义。

关键词：沿空留巷；柔模留巷；大倾角中厚煤层；支护

沿空护巷不单单能够较大程度的缓解采掘接替压力，而且还能大幅度减少开采成本[1—3]。然而，在大倾角煤层开采中，由于倾角大，煤层顶底板情况复杂，沿空护巷难度较大，各个矿借鉴的经验又不多；因此，如何成功在大倾角薄煤层中进行沿空护巷技术成为了研究重點，也是亟待解决的关键技术。

1 地质赋存条件

3（13）42工作面范围内13#煤层结构复杂，夹矸层数多，煤质偏硬。该煤层为单斜构造，走向近于

东西，煤层倾角变化不大，一般为38°～40°，平均39°，煤层总厚均为1.98m，纯煤厚均为0.86m，厚度稳定，属不稳定煤层；伪顶为泥岩厚0.2m；直接顶为灰色薄层状粉砂岩和粉砂质泥岩厚1.75m；基本顶由砂岩及上覆泥岩组成，平均厚3.75m，普氏系数7.5；直接底为炭质泥岩，平均厚8.52m，普氏系数3。受断层破碎带和背斜褶曲的影响，地质构造较复杂。

2.沿空留巷支护荷载规律

顶板进入后期巷道上方下位岩层可能冒落，顶板平移或反转下沉引起的煤帮挤出和底鼓量加剧。可见，支护的后期作用是保证下位岩层不垮落，防止煤帮挤出或片帮造成巷道状况恶化；加固煤帮以提高煤帮承载能力、减少后期下沉量，加固底板、减少底鼓量。前期应以顶为主，“顶、让兼顾”的支护原则。设计支护最大载荷以前期为主。后期作用要求具有适当双向承压性能的同时，要求支护具有较大双向可缩性能。后期应以让为主，“让、顶兼顾”的支护原则。设计支护最大变形以后期为主。

3.柔模混凝土沿空留巷支护设计

3.1巷内基本支护设计方法

3.1.1巷内基本支护的作用

沿空留巷顶板岩层活动剧烈，因此必须通过巷内支护手段控制围岩大变形。巷内支护的作用一方面是主动控制顶板垮落带范围内岩层的横向剪切错动，另一方面是主动控制顶板垮落带范围内岩层的的纵向碎胀变形，即将顶板垮落带范围内的岩层锚固成一个“组合刚性顶板”，提高顶板刚度，确保留巷顶板与柔模混凝土巷旁支护的刚度匹配，更好地控制围岩变形。被动支护不具有这种能力，只能通过高强度、高刚度和高预应力的锚杆（索）主动支护来实现。

3.2巷旁支护设计方法

3.2.1巷旁支护作用机理

巷旁支护体有效维护巷道，关键是要有足够的支护强度及适量的可缩量，足够的支护强度能够及时切落采空区侧足够高度的顶板岩层，使更上位岩层得到采空区冒落矸石及侧向煤体支撑，同时，适量的可缩量满足直接位于巷道上方的岩层服从控顶高度以上岩层的旋转下沉，防止在顶板岩层旋转下沉时被破坏，实现控顶载荷向侧向煤体及采空区冒落矸石转移。

3.2.2旁支护设计方法

该理论由英国学者威特克提出，认为，巷旁支护带处于未采动煤体的高压力区和冒落矸石之间，是一个降压区，岩块一边的采空区提供一个主要自由面，因岩块呈层状，可能在一定高度H上产生离层，导致岩块沿煤体以θ角断裂，进入完全自由状态，成为支护体的载荷。

（1）

式中：

q—支护体载荷；bB —支护体内侧到煤壁的距离， m；x —支护体的宽度，m；bc —支护体外侧悬顶距，m；γs —岩块重度，kN/m3；

h —采高，m；θ —剪切角，根据经验选取为26°；

α —煤层倾角；H —冒落高度，根据经验选取4h；板易冒落时，k取1.5—2。

4.工程实践

4.1支护体载荷计算

采用“分离岩块法”计算巷旁支护体上承受的载荷，该方法的理论依据是沿空巷道和支护体上方一定范围内分离岩块的重量构成了支护体载荷。按照式（1）计算。

式中：q —支护体载荷；bB —支护体内侧到煤壁的距离，计算可得4.4m；x —支护体的宽度，分别取1m及0.8m进行计算；bc —支护体外侧悬顶距，取为1m；γs—岩块重度，取24 kN/m3；h—采高，2.2m；

θ—剪切角，根据经验选取为26°；α—煤层倾角，为42°；H —冒落高度，根据经验选取4h，为8.8m。

①x=1m时

② x=0.8m时

由上述计算可知，当支护厚度为1m、0.8m时，长度方向为1m时，支护体上承受的载荷分别为1093kN/m2、1369kN/m2。

（2）支护体整体稳定性验算

采空区冒落的矸石散落后，堆积在混凝土墙式支护体的侧边，对混凝土连续整体式支护体有一定的侧压力，需进行混凝土墙的稳定性验算，验算时取矸石侧压力的最大值，即视为混凝土支护体的采空区一侧堆满矸石。若支护厚度为0.8m时，支护体能保证稳定，则支护体厚度为1m时支护体肯定也能满足稳定性要求，以下以支护体厚度为0.8m时进行稳定性验算。

①计算矸石侧压力。

矸石的侧压力计算如下式所示：

式中：Ea —矸石对支护体的压力；γ —矸石的重度，由于矸石松散体，取为22kN/m3；H —散落矸石的高度，本次支护取2.2m；φ —散落矸石的内摩擦角，取30o。

可得矸石的压力为：

=17.7kN/m

墙体承受的弯矩为：

②倾覆稳定性验算

倾覆稳定性验算如下式所示：

式中：Kt——抗倾覆安全系数；G——支护体每延米自重，1.0×2.2×22=48.4Kn/M ；a ——支护体重心距离支护体失稳点的距离，0.8/2=0.4m ；b ——矸石侧压力距离支护体失稳点的距离，0.8m；α ——煤层倾角，为42o；

z——矸石侧压力作用点与混凝土支护体失稳点的距离，0.8m。

由此得： >抗倾覆安全系数最小值1.5。

由于倾覆计算模型未考虑顶板对其的压力，因此若将顶板压力对其稳定性的影响进行参考，其抗倾覆安全系数定远大于1.5，因此该支护结构可视为安全。

③滑动稳定性验算

滑动稳定性验算如下式所示：

式中：Ka ——抗滑安全系数；μ ——底板对支护体底部的摩擦系数，由于底板较为光滑，摩擦系数较小，μ 取 0.3。

由式得 <抗滑稳定安全系数最小值 1.6。

上述计算中没有考虑顶底板植筋情况，即无植筋时，不会产生墻体倾覆情况，但有可能产生滑移。若对底板进行植筋，则将底板与柔模墙体连为一体，则可取μ=1，此时Ka=3.92 ，即植筋后不会产生滑移现象。

（3）支护体承载力验算

模型高2.2m，短边长0.8m，构件的长细比为2.75，构件的稳定系数 取1。

模型的承载能力计算如下式所示：

式中：N2 —支护体的承载能力； —构件的稳定系数，查阅资料为1；fc —混凝土的轴心抗压强度，C30时为22.5N/mm2；A—截面面积，为800mm×1000mm。

计算可得支护体的承载能力为

即厚度为0.8m，强度为C25每延米混凝土连续墙承载能力为16200kN，远大于支护体的载荷1396×3（动荷系数）=4188kN，因此可视为支护结构安全。

4.2顶底板植筋设计

根据巷旁支护抗滑移计算可知，在顶底板不采取措施情况下，巷旁柔模墙体有滑移的危险，因此，需对柔模墙体浇筑空间顶底板进行植筋。

（1）采用锚杆进行顶板植筋，柔模墙体浇筑空间顶板沿走向打设一排锚杆，锚杆规格φ18×1000mm，排距0.5m；

（2）采用锚杆进行底板植筋，柔模墙体浇筑空间底板沿走向打设2排锚杆，锚杆规格φ18×1000mm，间排距0.5×0.5m。

4.3挡矸系统及参数设计

沿空留巷挡矸系统包括金属网、木点柱、顶底板植筋及挡矸板挡矸。

（1）金属网在工作面液压支架前方连续铺设，起护顶挡矸作用。

（2）在金属网下部打设木点柱，既可以进行挡矸，又可以用来挂设柔模，木点柱直径200mm，间距0.5m。

（3）在1#支架掩护梁处加设挡矸板，挡矸板高度1m，长度3-4m，厚度4cm，采用螺栓固定或焊接方式固定在1#支架尾部或底座上，进行挡矸。

（4）在巷旁墙体浇筑区域的顶底板上植筋，采用树脂锚杆作为植筋，植筋长度1m，外露出顶底板0.5m，巷旁混凝土墙体浇筑时将其刺入柔模内和混凝土浇筑为一体，防止墙体下滑，同时起到挡矸作用。

4.4 超前工作面缺口支护

回采时，在工作面1号支架下作超前缺口。超前工作面煤壁不小于2.4m，采用电煤钻打眼炮掘，从下平巷巷帮往1号支架方向施工缺口：长×宽×高=2400×4300×1200mm，未作超前缺口段靠割煤机截割，工作面正常生产与作超前缺口时的煤炭均通过溜槽进入机巷转载机；1号液压支架外缺口范围内顶板采用单体液压支柱及铰接顶梁进行支护。支护方式为：紧贴1号支架延倾向打设一排密集支柱，间距0.25m，长度不小于2m；再延倾向密集末端后空方向打设一排走向密集支柱，不小于2.4m。

4.5临时滞后支护方式及长度设计

根据代池坝煤矿实际情况滞后支护选用单体带帽支护，单体排距1m，每排2根。若在留巷过程中，后巷压力显现较为明显则采用单体配配π型梁（长钢梁）支护，一梁二柱，排距1m，每排2根，滞后工作面支护距离90m，根据矿压选择合适的滞后支护长度，防止回采过程中矿压显现对留巷巷道造成破坏。

5.工程实践效果

为了观测沿空留巷过程中，随工作面推进，巷内顶板的矿压显现规律，在31342工作面机巷超前20m位置，布置巷内顶板离层测站。

沿空留巷巷道位移观测分析

（1）顶底板移近量如图所示。

图 1 顶底板移近量曲线图

从图1可知：

1）1#测点（距切眼10m）、3#测点（距切眼50m）总体移近量较小，1#测点距切眼较近，初次来压还没来移近量较小；3#测点初次来压已过，顶板围岩活动趋于稳定，来压也较小，因此移近量较小；2#测点位于初次来压步距之间，顶板围岩活动剧烈，因此移近量较大，最大移近量162mm，小于规定值285mm。

2）顶底板移近量初期开始增幅较大，表明初次来压显现，后期顶底板移近量又经历一次较大增幅，表明周期来压显现。

（2）两帮移近量如图2所示。

图 2 两帮移近量曲线图

1#测点（距切眼10m）、2#测点（距切眼30m）两帮移近量总体较小，3#测点（距切眼50m）两帮移近量较大，出现片帮，但总体来说3个测点两帮移近量较小。两帮移近量最大值42mm，片帮最大量173mm，均小于规定值180mm。

6.结 论

（1）对大倾角沿空留巷围岩变形规律进行了研究，为沿空留巷技术方案的设计提供了理论支撑。

（2）给出了柔模沿空留巷设计的详细方法，为项目的实施提供可靠的技术支持。

（3）沿空留巷巷旁柔模墙体与顶板接触密实，具有早强、急増阻特性，有效控制了顶板的完整性。

（4）通过围岩变形观测表明，留巷巷道顶底板及两帮位最大移量均小于设计值285mm和180mm，满足后续生产需要。

综上所述，31342工作面机巷使用柔模沿空留巷技术后，巷道处于稳定状态，巷道变形量小，能满足后续生产需要，取得了良好的效果，达到了预期目标。

参考文献

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[3]张自政，柏建彪，陈勇，李萌. 沿空留巷不均衡承载特征探讨与应用分析[J]. 岩土力学，2015，36（09）：2665-2673.

[4]张农，陈红，陈瑶. 千米深井高地压软岩巷道沿空留巷工程案例[J].煤炭学报，2015，40（03）：494-501.

作者简介：

陈长江（1985-），男，新疆人，大学本科文化，采矿工程师，现任四川广旺集团代池坝煤矿生产技术科副科长，从事生产技术管理.