沿空留巷柔膜混凝土支护参数设计研究

范慧盛

（山煤集团煤业管理有限公司，山西 太原 030006）

1 工作面地质条件

霍尔辛赫矿3307大采高综采工作面位于三盘区，主采3#煤层，煤层厚度4.8～5.7m，平均厚度5.0m。煤层倾角 1°～5°，平均 3°。工作面标高 +407～+437m，地面标高+922～ +937m。走向长度545m，倾斜长度250m。3307工作面东侧为五条大巷；西、南侧未掘进；北侧为3301、3302回采工作面，目前已经回采完。为了加强工作面的通风管理，确保工作面正常回采，根据三进一回通风布置方式，共布置四条巷道：3307运输顺槽、3307进风顺槽、3307辅助进风巷、3307回风顺槽，需要在进风顺槽采空区段进行沿空留巷，在沿空留巷段采用柔模混凝土墙支护技术。33307进风顺槽为矩形巷道，设计断面6.0×4.5m。3307工作面回采范围内未见大型地质构造，工作面地质与水文地质条件简单。工作面上部除农作物外，还有小型房屋建筑物，房屋有人居住。村庄均在保护煤柱线内，回采对其无影响。工作面顶底板特性见表1。

表1 围岩及其特征

2 支护设计方案

2.1 支护体载荷计算

由于沿空留巷巷道受到多次采动影响，支护体上覆岩层破坏比较严重，故可将支护体承载结构简化为上覆岩层中的部分分离岩块的重量，使用“分离岩块法”建受力模拟图（图1），对支护体载荷进行计算，见式（1）。

式中：

q-支护体承受载荷，kPa；

h-回采工作面长度，取4.0m；

θ-岩石内摩擦角，结合覆岩主要为泥岩，取值26°；

bB-沿空留巷巷道宽度，6.0m；

x-支护体宽度，计算中取1.0m；

bC-支护体采空区侧悬露长度，结合覆岩主要为泥岩，取1.0m；

α-煤层倾向角，3°；

γB-工作面覆岩平均容重，26kN/m3。

图1 分离岩块法计算模型图

计算可得支护体宽度为1m时承受的载荷为4040.5kPa。这说明在投影方向上每平方米支护体承受载荷为4040.5kN。

2.2 厚度计算

支护体厚度直接影响了巷道的稳定性与沿空留巷的可行性，在对墙体厚度进行计算时，应当考虑到工作面二次采动、墙体浇筑时的强度降低程度等客观影响因素。同时，结合我国现有柔膜混凝土沿空留巷的工程实践，膜内充填体主要为C20混凝土，故本次研究仍然采用C20混凝土作为膜内充填支护体。支护体宽度可按式（2）进行计算。

式中：

w-支护体宽度，m；

k2-墙体支撑强度降低系数，一般取0.3；

F-在投影方向上每平方米支护体承受载荷，考虑一定富裕系数（取中间值1.4），取5.8×106N；

k1-二次采动影响系数，取3；

S-支护体浇筑成型时的强度，取C20混凝土设计强度9.6MPa；

代入计算可知墙体宽度为2.59m。则确定墙体宽度为2.6m。

2.3 支护体承载力验算

在设计后，还必须对连续混凝土墙的承载能力进行支撑能力验算，可按式（3）进行验算。

式中：

N2-每米连续支护体承载能力，kN；

φ-墙体稳定性系数，取1；

fc-C20混凝土抗压强度，取15.5N/mm2；

S-支护体浇筑成型时的强度，取C20混凝土设计强度9.6MPa；

A-单位截面积，1m2。

带入计算可得，单位长度连续混凝土墙的承载能力1.34×107N，远大于单位长度支护体载荷4040.5kN。

由上所述，确定3307工作面留巷支护采用C20柔模混凝土浇筑墙体，浇筑混凝土高4500mm，墙体宽度为2600mm，采用Φ20×2800mm的螺纹钢锚栓，双托板双螺母，两端丝扣长度各为100mm，托板规格为150×150×8mm，锚杆的间排距为750×600mm。沿空留巷最后断面应保证宽度6000mm，高度4500mm。巷道支护参数见表2，支护断面图见图2。

表2 巷道现有支护参数

图2 巷道支护断面图

3 巷旁浇筑施工工艺

浇筑混凝土沿空留巷施工主要包括地面干混料的制备与运输下井、采空区围护、挂设柔性模板、井下制备和输送混凝土、浇筑混凝土等环节。

3.1 工艺简述

3307工作面进风顺槽（沿空留巷）采用挡矸支架围护采空区，采用柔模对浇筑混凝土墙进行初期支撑，采用MJSY-2300G混凝土搅拌机制混一组ZRL26400/31/50D型沿空留巷混凝土浆液，采用HBMG80/16-110SF混凝土输送泵输送搅拌好的浆液至柔模内。

3.2 主要流程

移架（挡矸支架）→支模→预制混凝土→浇筑→完成一个循环。

3.3 浇筑工序

第一步：在进入充填地点前，必须先敲帮问顶，观察煤壁、顶板及临时支护质量，并做好瓦斯检测等工作，一切安全正常后方可进入充填点进行作业。

第二步：安设好本班充填框架，挂好柔模袋，上紧锚栓托板和螺母等。

第三步：上述工作按要求完成后，利用对讲机通知泵站开泵，并通知泵站本次实际充填高度。

第四步：充填过程中，密切观察充填袋周围情况，发现情况及时处理。

第五步：充填完成后，将高压注浆软管从充填袋内取出并用细铁丝捆扎紧充填口。

第六步：冲洗搅拌器及管路，见清水后通知泵站停泵。

4 支护效果监测

为检测巷道支护效果，在3308工作面即3307接续工作面回采时，对支护体进行了钻孔窥视，对工作面前方巷道表面位移进行了监测，见图3。

支护体内部0～2.0m范围之内，整体性较好，可见支护体形成了一定的稳定的支撑结构，保障了巷道的安全高效使用。

图3 二次采动时巷道表面位移监测

由图3（a）巷道顶底板相对移近量图可以看出，巷道顶底板最大移近量为128.5mm；由图3（b）巷道两帮移近量图可以看出，巷道两帮移近量最大为31.7mm。巷道变形量均在巷道安全使用范围之内，由此可见，该种支护体设计与支护方式有效控制了沿空留巷围岩稳定性。

5 结论

为解决霍尔辛赫矿3307大采高综采工作面进风顺槽柔模混凝土墙沿空留巷的问题，采用分离岩块法计算得出，水平方向上支护体单位面积所受载荷为4040.5kN；考虑多种因素后，计算得出支护墙体宽度应为2.60m；通过支护体承载力验算，验证了支护体设计的合理性，确定了最终的支护方案。在二次采动期间，对沿空巷道进行了钻孔窥视与围岩变形测量，支护体整体性较好，说明这种支护方法效果良好，为条件相似矿井的沿空留巷问题提供了工程实践应用基础与理论支撑。