浅埋煤层柔模混凝土沿空留巷支护稳定性分析

姜圣贤

（山西潞安环保能源开发股份有限公司五阳煤矿，山西 长治 046205）

0 引言

五阳煤矿的探矿范围东西长约9.5 km，南北宽度为7.5 km，总面积达64.81 km2。整个煤矿的设计可开采煤矿资源储存量为171.7 Mt，设计生产能力值达到了3.00 Mt，总服务年限为42 a。五阳煤矿处于南景风井工业场区当中，运用了立井开拓结构，整个煤矿开采区域的占地面积为0.246 km2，在该区域当中共设置了一个南陵进风立井，一个南岭回风立井。在对面的辅助基础设施当中设立了联合建筑调度指挥中心变电站、水处理站以及燃气锅炉房等，该辅助场地自东向西，全程长度为0.7 km，同时在进场道路和208国道之间进行衔接。进风口的立井井筒直径大小为8.8 m，井体的净断面面积为60.82 m2，井筒的总长度为804.3 m。在进风立井井筒当中共设置了一套双层加宽的罐笼、一套双层窄罐笼，并且配备了两套动力提升设备，在煤层内部有动力驱动器，设置了一趟φ219消防洒水管道，主要负责整个区域范围内工作人员设备以及材料的提升工作任务，并且在主要的进风口区域设置了相应的安全出口。

1 浅埋煤层沿空留巷数值模拟

1.1 模型建立

通过建立企业模型计算对不同的煤矿巷道支护方案进行分析，结合该煤矿巷道的塑性分布条件，将围岩条件设置成各向同性质的弹性介质，建立数值模型并进行计算，在整个岩层的高度上设置模型为200 m×100 m。为了有效提高整个计算结果的精确性，在沿空巷道的周围区域运用了密集网格来进行设定，在沿空巷道网格密度上设置为逐渐下降的趋势，同时在巷道周边的网格当中，共设置了8 460个不同的构成模块。在该模块当中主要以边界作为地标，周边模型下方设定了边界固定左右水平位移之间保持稳定，模拟操作建立原始的力场巷道开挖以及使用锚索进行支护和回采过程，在混凝土墙的计算和监测过程当中，重点针对混凝土墙体的应力大小进行模拟和分析。

1.2 计算结果及分析

沿空巷道的刚性墙体支护工作当中，主要是将柔模混凝土墙作为一种刚性支护结构来进行设计，该墙体的压缩量可以被忽略不计［1-4］。在煤层正式开放之后对墙体所产生的形变和释放的时间进行忽略，直接对整个混凝土支护结构进行分析，瞬时达到整个标准的墙体支护结构强度，混凝土墙的应力集中比较明显，其中最大的垂直应力达到了30 MPa，超过了总设计强度的C20等级强度，支护强度不能达到相应的支护结构要求，顶板的最大位移量为50 mm，同时在沿空相对的刚性垂直面上位移变化如图1所示。

图1 沿空巷道刚性墙体垂直应力与位移

将混凝土支护墙直接作为一种可压缩性结构，在距混凝土墙的顶部0.2 m的距离范围内设置相应的缓冲层，同时将混凝土的弹性模量直接降低到原有的0.1%，其他的数据保持不变。通过模拟分析可以看出，混凝土墙的应力集中现象相对比较明显，同时最大的垂直应力大小下降到10～15 MPa，应力大小低于50%，整个设计强度小于支护结构的标准强度，顶板的最大位移量设置为150 mm，整个沿空巷道和墙体之间的水平应力所产生的位移变化如图2所示。

图2 沿空巷道让压墙体垂直应力与位移

在回采工作完成之后，运用刚性混凝土墙来进行支护操作。在混凝土强度达到设计的标准弹性模量之后，可以看出整个混凝土墙所产生的压缩性相对较小，基本上没有过多的可压缩空间，在此过程中混凝土墙体所受到的压力大小保持在30 MPa以上。墙体产生的破坏问题不利于整个煤矿巷道的稳定性和安全性，因此，为充分保证整个墙体的支护能力符合煤矿开采工作的安全标准，混凝土墙的支护强度需要在2 h范围内达到设计总长度的60%以上［5-8］。依照模拟支护计算结果，其中墙体施工混凝土材料选择C20等级，可以满足整个工程的施工标准，同时在2 h内其强度可以达到12 MPa以上，在6～7 h的时间段内整个混凝土墙的结构需要达到C20等级的支护结构标准。

2 沿空留巷支护稳定性分析

2.1 原巷支护

在五阳煤矿工作面的开采过程当中，其中运输巷的宽度设定为5.5 m，高度为2.1 m，使用的是钢网索支护方式，锚索的规格设定为15 mm×5 000 mm，间排之间的距离设定为3 m×3 m，每间隔两根锚索的距离进行一次设定。煤矿巷道的内部支护结构都采用的是516 mm×1 800 mm一次性的支护锚杆，该支护锚杆在顶部区域共设置了一排6根，形成一种对称分布，锚杆的间排距离设定为1 m，近距分别设定为1.1 m、1.2 m和1.5 m，托盘选择规格为120 mm×120 mm×80 mm的钢筋托盘，钢筋网片的规格设定为6.5 mm×1 200 mm×5 000 mm。

2.2 锚索补强支护

由于原煤矿巷道内部的支护结构强度不符合标准，因此需要对沿空巷道进行补强支护，其中使用的是22 mm×6 500 mm的锚索，共设定了一排4根，深度设定为1.5 m和2.5 m，使用230 mm×3 mm的钢索进行连接。配钢托板的规格设定为300 mm×300 mm×15 mm，通过预应力测量，整个加固结构符合沿空留巷支护的标准要求。为了充分保证顶板锚索不会受到压力的破坏，在每一个端头的顶部区域范围内共设置了2个4.5 m长度的长梁结构，同时在巷道设置当中对量体两端的区域设置为可移动式结构。

2.3 巷旁支护

在巷道旁边支护结构当中，主要使用的是柔模混凝土墙支护结构，在支护结果当中混凝土墙的厚度设定为1 m，标号为C20，在支护墙体当中设定了20 mm×1 100 mm的锚杆。同时在锚杆的两端各自设定了150 mm×150 mm×10 mm的托板来进行加固，锚杆相互之间的间距设定为0.9 m×1.5 m。在进行柔模混凝土墙的施工过程当中，将混凝土墙的高度设定为2.5 m，并且按3 m或2 m长度划分成一个支护模块，柔性混凝土模板具有良好的透水性、自成型、支护速度较快以及不回收等特性。在实际的制作过程中，对尺寸的要求标准较高，柔模混凝土结构为自密实性混凝土材料。在实际的使用过程当中所使用的材料配置主要分为碎石、砂石、水泥以及粉煤灰等各种不同的外加剂，通过相应的实验配比充分混合之后，使用混凝土泵直接进行材料输送，在整个材料的物理学性能上达到了支护结构的应力要求［9-12］。在实际的施工过程当中，混凝土的运输距离超过了400 m，同时在施工过程中的沿空巷道1 500 m范围之内，未发现管道堵塞的不良问题，同时在混凝土材料在1 h、2 h、3 h范围内，分别达到了10 MPa、15 MPa、20 MPa的强度。在柔性混凝土的40 min泵注施工当中，柔模混凝土墙体在浇筑完成之后，充分满足了整个煤矿回采的速度要求，以此来保证整个巷道支护工作的稳定性。

2.4 临时支护

在沿空巷道的临时支护工作中，由于受到煤矿剧烈开采的影响，在工作中前后方的某一段区域会随着工作面开采距离的增加，采动所形成的干扰在不断降低。因此，不需要对整条煤矿巷道都按照最强烈的振动要求来进行加固和支护，只需要进行临时性支护结构则可以完成标准要求，在临时性支护结构当中主要使用的是单体11号工字钢梁支护结构，距离为1 m，临时支护长度为150 m。

3 结论

（1）在36～150 m范围内的浅埋煤层的支护结构当中，需要设定支护墙体的厚度在1 m以上，通过这种设计方式可以有效地避免整个顶板出现压碎等问题。

（2）依照压力观测，混凝土的压力最大值为10 MPa时，整个支护安全系数可符合安全支护标准。

（3）使用超前工作面的补打锚索时，顶板围岩下沉量达到20 mm，并且在未浇筑的柔模墙区域、沿空巷道内部都应进行超前工作面加固施工。