放顶煤软岩巷道柔模混凝土沿空留巷技术研究

赵小男

(山西煤炭进出口集团 左云草垛沟煤业有限公司， 山西 大同 037000)

沿空留巷是合理开发煤炭资源，提高煤炭采出率，减少巷道掘进量，缓解采掘接续紧张状况，有利于矿井安全生产和提高矿井经济效益的一项先进的地下开采技术[1-3]. 目前，针对沿空留巷工艺的研究主要集中在中深矿井的薄煤层工作面，对于埋深小于300 m 的浅埋深3.5 m以上厚煤层研究较少[4-7]. 以霍尔辛赫矿厚煤层放软岩底板顶煤工作面为研究对象，以数值模拟、理论分析、现场试验的方法研究柔模支护及底鼓控制技术。

1 工程背景

霍尔辛赫矿3605工作面煤层平均厚度5.9 m，埋深为465～525 m，煤层结构简单，属稳定型煤层，倾角为5°～18°，平均8°. 伪顶、直接顶、基本顶依次为泥岩、细砂岩、细粒砂岩，厚度依次为0.2 m、12.51 m、8.95 m.

2 爆破切顶卸压

1) 切顶高度计算。

为使综放工作面顶板垮落矸石充满采空区，切顶高度MZ可根据如下公式计算：

C=(1-η)TKm

式中：

MZ—切顶高度，m；

KA—冒落岩层的碎胀系数，取1.25；

H—割煤高度，m，取3.1；

T—顶煤厚度，m，取2.8；

SA—基本顶下位岩梁触矸处的沉降值，在一般采场SA=0.2H；

C—残煤厚度，m；

η—放出率，取0.85；

Km—顶煤垮落后的碎胀系数，取1.2；

经计算得：MZ=19.104 m.

2) 切顶高度数值模拟。

模拟切顶高度为20 m时的围岩应力情况，得到3605工作面顺槽巷道围岩应力的情况，发现当切顶高度20 m时切顶效果较好，见图1中应力集中形态，应力集中在煤柱内，有利于沿空留巷。

图1 切顶20 m时应力集中云图

通过理论计算和FLAC3D数值模拟两种方法最终确定切顶高度为20 m.

3 巷道支护

1) 巷旁支护方式。

根据分离岩块法计算沿空留巷压力：

式中：

q—支护体载荷，MPa；

bB—支护体内侧到煤壁的距离，m，本次支护中支护体左侧边缘与巷道右帮在一条铅垂线上，计算可得该距离为4；

x—支护的宽度，m，取1.5；

bc—支护体外侧悬顶距，m，取0.2；

γs—顶板岩块容重，kN/m3，取27；

h—有效采高，m，取5.9；

θ—剪切角，(°)，根据经验选取26；

α—煤层倾角，(°)，为8.

计算可得，巷旁支护承受的压力为：q=12.1 MPa，即单位长度巷旁支护承受的最大压力为：N=18 216 kN/m.

柔模混凝土墙体的承载力计算公式为：

N2=φ(fcc+4σr)A′c

锚栓的约束应力计算公式为：

式中：

N2—柔模混凝土墙体的承载能力，kN/m；

φ—素混凝土构件的稳定系数，l0/b=1.5H/b=1.5×5.5÷1.5=5.5，查阅规范可知，素混凝土构件的稳定系数取0.96；

σr—锚栓套箍作用的有效约束应力，MPa；

fcc—素混凝土抗压强度设计值，MPa，C30混凝土时，取14.6；

A′c—混凝土受压区的面积；

d—锚栓直径，mm，取22；

σb—钢筋抗拉强度设计值，MPa，500号钢筋取435；

a1a2—锚栓的间排距，mm×mm，取800×750.

计算可得锚栓的约束应力为：

N2=22 608 kN/m

柔模混凝土墙体的承载能力为22 608 kN/m，大于作用在墙体上的最大载荷18 216 kN/m，理论计算安全系数为1.24，因此可视支护结构为安全。

2) 巷内支护方式。

巷道内顶板支护方式为：左旋无纵肋螺纹钢筋d22 mm×2 400 mm，锚杆间排距为1 050 mm×1 100 mm；锚索d22 mm×7 300 mm，间排距为1 700 mm×1 100 mm，“三0三”布置。巷帮支护：左旋无纵肋螺纹钢筋d22 mm×2 400 mm，锚杆间排距为1 000 mm×1 100 mm. 锚索d22 mm×5 300 mm，间排距为1 700 mm×2 200 mm. 永久加固支护：锚索：d22 mm×5 300 mm，间排距为1 500 mm×2 200 mm. 临时支护：超前工作面50 m范围内沿顺槽走向采用一梁四柱进行临时加强支护，滞后工作面150 m范围内沿顺槽走向采用一梁三柱进行临时加强支护，排距1 100 mm.

3) 高压喷射注浆加固底板。

采用同轴双通道二重注浆管复合喷射高压水泥浆(通常水泥和水比例为1∶1、压力20～40 MPa)和压缩空气(风量3.2 m3/min、风压0.6～0.8 MPa)两种介质，以浆液作为喷射流，但在其外围裹着一圈空气流成为复合喷射流，加固霍尔辛赫煤矿3605工作面松软煤底。每延米复合基地的承载力特征值为9 788 kPa.

4 施工工艺

霍尔辛赫煤矿沿空留巷巷旁浇筑工艺流程为：地面制备干混料→运输至井下湿料制备站→装岩机将干混料装卸至上料机→通过上料机将干混料运输至搅拌机→加水、搅拌均匀→通过混凝土泵和管路将混凝土输送至柔性模板内。

巷旁支护原材料：42.5普通硅酸盐水泥；二区中砂，干砂，泥或石粉含量小于1%，含水率小于1%；5～20 mm连续级配碎石，碎石压碎值指标≤16%；干净、无污染的矿井水。

巷旁支护用C30混凝土的配合比见表1.

表1 C30混凝土中各组分的掺量表

5 现场试验监测及分析

为监测沿空留巷巷道围岩变形布置监测站，从工作面留巷开始，回采70 m时布置第一组测站，回采至150 m时布置第二组测站，回采至采空区见方245 m时布置第三组测站，回采至530 m时布置第四组测站，复杂条件地段布置第五组测站。测站布置见图2.

图2 3605工作面沿空留巷测站布置图

工作面推进前、推进后测站二的沿空留巷围岩变形量、变形速率随工作面推进结果见图3，图4.

图3 超前工作面围岩变形与工作面距离关系曲线图

图4 工作面后方围岩变形与工作面距离关系曲线图

工作面前方巷道围岩变形，主要是受超前支承压力影响。由图3可知，工作面前方28 m处的巷道围岩开始有较为明显的变形，此时，顶底板移近速度约为2.1 mm/d，两帮移近速度约为1.6 mm/d；超前28 m时，围岩变形量、速度明显增加；超前15 m至工作面回采到监测点阶段，变形量增加较为明显，而变形速度较为稳定，没有大幅增加，顶底板移近量和两帮变形量分别为56.2 mm、39.6 mm，平均变化速度为14.5 mm/d、9.9 mm/d；支承压力峰值附近，变形速度有明显加快。

由图4可知，工作面后方0～70 m为围岩变形剧烈区域，在此区域内，出现两次高峰值，一次低峰值。第一次峰值在工作面后方20 m附近，因回采时发生周期来压，采空区侧直接顶破断，基本顶开始旋转下沉，产生扰动，顶底板移近量最大速率为18 mm/d，两帮移近量最大速率23 mm/d. 工作面采用切顶卸压，扰动稳定后压力迅速减小，采空区顶板形成新的稳定承载结构。工作面后方45～55 m，因第二次周期来压打破新的稳定承载结构加上基本顶发生二次破断形成新的应力峰值，顶底板移近量最大速率为21 mm/d，两帮移近量最大速率24 mm/d. 在工作面70 m、80 m之后基本顶上覆岩层活动基本趋于稳定，“大结构”基本不再承受来自上覆岩层的动载影响，变形速度不再呈现波动状态。

6 结 论

1) 通过分离岩块法计算沿空留巷围岩压力，确定单位长度巷旁支护承受的最大压力为18 216 kN/m，根据柔模混凝土复合材料设计理论计算得到柔模混凝土墙体的承载能力为22 608 kN/m，理论计算安全系数为1.24.

2) 采用切顶卸压和高压喷射注浆加固底板联合方法解决巷道底鼓。

3) 工作面后方20 m左右，采空区侧直接顶破断，基本顶开始旋转下沉，产生扰动，顶底板移近量最大速率为18 mm/d，两帮移近量最大速率23 mm/d. 工作面后方45～55 m，顶底板移近量最大速率为21 mm/d，两帮移近量最大速率24 mm/d，基本顶发生二次破断形成新的应力峰值。