柔模混凝土沿空留巷技术研究与应用

（山西坤龙煤业有限公司，山西 吕梁 03300)

1 工程概况

坤龙煤业4102综采工作面位于+849水平，埋藏深度为450～490m，工作面主采4#煤层，煤层厚度为1.62～2.88m，均厚2.5m，平均倾角6°，4#煤层顶底板情况见表1。4102工作面第一辅助进风巷采用沿空留巷技术方案。

表1 4#煤层顶底板特征

2 巷内围岩支护原理

2.1 留巷围岩控制关键部位

由于沿空留巷会受到两次超前采动应力的影响，巷道塑性区及破碎区的范围较大，因此对于巷道围岩的控制难度较大。当留巷工作面回采时，在工作面超前采动应力的作用下，工作面上方基本顶会在工作面后方的实体煤侧发生第一次破断。随着工作面的向前推进，基本顶初次来压会形成“O-X”破断，周期来压时工作面端头会形成弧形三角块，当弧形三角块到达极限跨度时，此时巷旁充填体的支撑作用较小，此时弧形三角块会在实体煤侧发生第一次破断，形成关键块B[1]见图1（a）。

随着工作面的进一步推进，采空区范围会进一步增大，基本顶会进一步向采空区垮落的矸石移动，当巷旁充填体达到最大承载力时，关键块B达到极限抗拉强度，关键块B会沿着采空区侧发生再次切断，形成位于巷道上方的关键块B1和位于采空区的关键块B2，关键块B发生第二次破断时，巷道的变形量将进一步增大，但当关键块B破断成关键块B1和B2时，更上方的岩层会在采空区侧触矸而迅速的趋于稳定状态，这样就会大大的减小上覆岩层对于沿空巷道的影响，从而使得沿空巷道位于低应力区域，使得沿空留巷围岩变形量较小，有利于巷道的维护见图1（b）。基于上述分析可知，在进行沿空留巷作业时，围岩控制的关键部位即为充填区域上方顶板的岩层。

式中:q为巷旁充填体的载荷，kN/m；bB为巷旁充填体内侧到煤帮的距离，即4102第一辅助进风巷的宽度，取4.3 m；x为巷旁充填体的宽度，m；θ为剪切角，根据相关矿井留巷经验，选取26°；bC为巷旁充填体外侧悬顶距，取1m，承载梁的最大长度等于一个周期来压步距，巷旁充填体外侧悬顶距=承载梁长度-伸入煤壁长度-留巷宽度-墙体宽度；γB为顶板分离岩块容重，根据顶板岩石的岩性，容重取26 kN/m3；h为采高，取2.5 m。

将单位长度为1000 mm，厚度为1200 mm的巷旁充填体视为轴心受压柱模型，模型柱的高度为2.5m，构件的高长比为2.5/1=2.5，通过查阅相关资料可得构件的稳定系数为1。

图1 巷道围岩变形破坏

式中：N为混凝土墙体的承载能力；φ为混凝土构件的稳定系数，取1.0；fc为混凝土抗压强度设计值，C30混凝土时fc为15.8MPa，A为混凝土墙体的截面面积，1200 mm×1000 mm[3]。

由式（2）计算可得混凝土墙体的承载能力为：

N=0.9×1.0×15.8×1200×1000=16740 kN

结合坤龙煤业4102工作面的具体地质条件，并基于式（1）和（2）计算得出，巷旁充填体承受围岩压力为4671 kN/m；墙体的承载能力N=16740 kN，远大于作用在墙体上的最大载荷4671 kN，理论计算安全系数为3.6，因此可视宽度为1.2m的巷旁充填体支护强度满足安全要求，同时考虑到经济和生产需要最终确定巷旁充填体的宽度为1.2 m。

2.2 巷旁支护阻力分析

3 沿空留巷围岩控制技术

传统沿空留巷巷旁支护体荷载计算采用“分离岩块法”，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隔离墙载荷，上覆岩层可能在一定高度上产生离层，导致岩块沿煤壁以θ角断裂，成为隔离墙的载荷，计算模型见图2[2]。

3.1 支护方案设计

图2 沿空留巷矿压计算模型

(1)基本支护

4102工作面第一辅助进风巷的断面为矩形，净宽×净高=4000 mm×2600 mm，巷道沿着煤层底板掘进，巷道内的基本支护为锚网索支护；顶板锚杆采用Φ20 mm×2400 mm螺纹钢锚杆，间排距为780 mm×850 mm，锚杆托盘为140 mm×120 mm×10 mm的槽型托盘；锚索采用Φ17.8 mm×7200 mm的1×7股钢绞线，间排距为780 mm×850 mm；巷道帮部锚杆采用Φ18 mm1800 mm麻花锚杆，设置间排距为850 mm×850 mm；巷道基本支护形式见图3。

图3 巷内基本支护

（2)巷旁支护

在4102工作面回采期间，滞后工作面约10 m进行临时加强支护及构筑柔模混凝土墙作业，第一辅助进风巷沿空留巷的宽度为4300 mm，根据上述理论计算结果设计巷旁支护体宽度为1200 mm，高度为2500 mm。采用C30 柔模混凝土，以2 m长为1个模块。柔模混凝土墙内预置Φ20 mm×1300 mm的高强螺纹钢锚栓，托板的尺寸参数为150 mm×150 mm×10 mm，两端丝扣的长度为100 mm，锚栓的间排距为750 mm×1000 mm，同时将混凝土高度内的4根锚栓用钢带连接在一起，并在钢带背部挂设钢筋网片，柔模混凝土墙上的支护形式见图4。

图4 巷旁支护柔模墙体结构

（3)加强支护

在留巷期间为有效控制巷道围岩的变形量，在超前工作面30 m及滞后工作面100m范围内采用“一梁三柱”进行临时支护，棚距为1000 mm，π型钢梁长度为4000 mm，单体支柱的型号为DW28～DW35[4]。根据前文分析可知，巷道围岩控制的主要区域为充填墙体上方顶板岩层。因此，临时支护结束后，在构筑的混凝土墙两侧各打设1排锚索进行正式支护，在留巷侧距离混凝土墙0.59m的位置打设1排锚索，在落山侧距离混凝土墙1.6m的位置处打设1排锚索，锚索规格为：Φ21.6 mm×7200 mm，锚索预紧力要求不小于250 kN，排距850 mm见图5。

留巷作业操作流程为：铺网→割煤→移机尾过渡支架、挡矸支架→架后落山侧临时支护→架后正式支护→校对中线→支模→泵注混凝土（等8小时墙体凝固达到设计支撑强度）→拉移支撑支架→留巷滞后支护。

图5 4102工作面永久加强与临时加强支护

3.2 效果分析

为有效分析沿空留巷围岩的控制效果，从4102工作面切眼开始，在距离切眼10～110m的范围内每隔10 m布置一个测点，以后每隔50 m布置一个，连续布置10个，对巷道围岩变形量进行持续监测，围岩变形情况—距工作面距离关系曲线见图6。

图6 沿空留巷围岩变形曲线

分析图6可知，沿空留巷期间巷道围岩的变形可大致分为三个阶段，第一阶段为监测点滞后工作面0～10m的范围，在该阶段巷道基本顶受到单体支柱、实体煤及前方煤体的支撑未出现破坏，此阶段围岩变形相对平缓，该阶段围岩的最大移近速率为10 mm/d；第二阶段为监测点滞后工作面10～60m的范围，在该阶段巷道围岩的变形速度相对较大，其中两帮及顶底板的最大变形速率分别为18 mm/d和22.8 mm/d，该阶段顶底板和两帮移近量分别达到398 mm和318 mm；第三阶段为监测点滞后工作面60 m后，此时巷道围岩基本稳定，此时巷道两帮及顶底板的变形速率均降低至0.3 mm/d；基于上述分析可知，在现有支护方式下沿空留巷围岩变形量满足巷道的安全使用要求。

4 结语

1）根据沿空留巷巷内支护原理可知，留巷时上覆岩层的关键块B会发生两次破断，且留巷时对围岩控制有着重要影响的关键部位为充填区域上方顶板的岩层。

2）由分离岩块法计算可得，巷旁充填体的宽度为1.2m时，能够满足安全的要求。

3）结合4102工作面的具体地质条件，设计巷旁支护体宽度为1.2m，在此基础上，对沿空留巷的基本支护、临时支护及补强支护各项参数进行了具体设计。

4）矿压监测结果表明，现有支护方式下，沿空留巷-4102工作面第一辅助进风巷顶底板及两帮最大移近量分别为398 mm和318 mm，满足巷道的安全使用要求。