金达矿柔模混凝土沿空留巷巷旁支护技术应用研究

庞启云

（山西煤炭运销集团金达煤业有限公司 山西孝义032300）

随着开采强度的不断增大，煤炭资源越来越少，为提高矿井服务年限，越来越多矿区开始使用沿空留巷工艺[1-3]。为进一步提高煤炭资源的采出率，延长矿井服务年限，山西煤炭运销集团金达煤业采用柔模混凝土隔离墙体沿空留巷技术，代替传统的区段煤柱护巷方案，本文以10401运输顺槽为预留巷道为研究背景，校核了沿空留巷巷旁支护强度，并通过工程实践进行验证性研究。

1 工作面概况

10401综放工作面回采巷道位于四采区南翼轨道巷东侧，工作面所采煤层属石炭系下统太原组10号煤层，煤层平均埋深452 m，平均厚度为7.4 m，含多层夹矸，工作面走向长度1 020 m，切眼长164 m，煤层顶板为泥岩、砂质泥岩，抗压强度21.10 MPa，厚度6.9 m～8.5 m；煤层底板为泥岩、砂质泥岩，抗压强度16.85 MPa，厚度6.6 m。

10401运输顺槽为预留巷道，巷道设计为矩形断面，沿底掘进，巷道宽5.4 m，高2.8 m，留巷长度为1 020 m，隔离墙体宽度为1 m。顶板采用ϕ20×2 400 mm型左旋无纵筋螺纹钢锚杆，每排布置5根，间距及排距均为1 000 mm，垂直于顶板打设；两帮采用ϕ20×2 000 mm型左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间距为1 200 mm，排距为1 000 mm。锚索采用ϕ17.8×5 300 mm型高强度钢绞线，每排布置2根锚索，间距为1 800 mm，排距为2 000 mm，垂直于顶板打设。

图1巷道支护断面图

2 巷旁支护载荷分析

采用柔模混凝土隔离墙体沿空留巷技术时，混凝土隔离墙体支护强度对留巷围岩稳定性具有十分重要的意义，根据金达煤矿10401运输顺槽顶板岩层赋存情况，建立如下力学模型：

图2巷旁支护载荷计算模型

隔离墙体支护载荷可按照下式计算：

式中：p为支护体载荷；h为采高，取2.4 m，θ为剪切角，根据测量，取26°；x为支护体的宽度，可有效支护沿空巷道的充填体宽度，取1 m；bB为支护体内侧到煤壁的距离，取留巷宽度，3.3 m；bC为支护体外侧悬顶距，取0.3 m；γs为岩块重度，取24 kN/m3；α为煤层倾角，取4°。

将各参数带入式(1)，得，留巷宽为3.3 m、支护厚度为1 m时支护体的载荷为：p=1 271.65 kN/m

考虑到工作面回采动压的影响系数2～4，这里取3，沿空留巷期间，顶板作用在柔模混凝土上的最大支护载荷为p=3 814.96 kN/m。

3 隔离墙体支护载荷

沿空留巷隔离墙体采用柔模混凝土，是一种纤维包裹加筋的预应力复合材料结构体。在轴向压力作用下，被约束的核心混凝土产生横向扩容变形，使得锚栓产生拉伸变形，从而形成了作用于核心混凝土的横向约束力，核心混凝土处于三向受压应力状态[4-5]。柔模混凝土墙体的承载力计算公式为：

隔离墙体侧向约束力按下式计算：

式中：N为巷旁支护的承载能力，kN/m；σr为锚栓套箍作用产生的有效约束力；Acor为环向包裹内混凝土面积，矩形截面Acor=b∙h；fc为混凝土抗压强度设计值，按C30混凝土设计值为15 N/mm2；d为锚杆直径，取20 mm；σb为钢筋抗拉强度，取435 N/mm；a1，a2为锚杆间排距，均取1 000 mm。

代入各参数得，σr=0.67 MPa；N=16 832 kN/m。

根据上述分析，沿空留巷所需的巷旁支护载荷为3 814.96 kN/m，采用柔模混凝土隔离墙体进行巷旁支撑时墙体可以承载的载荷为15 912 kN/m，为巷旁支护所需载荷的4.2倍，可以满足巷旁支护要求。

4 隔离墙体抗滑稳定性分析

采空区冒落矸石堆积在柔模混凝土墙体的侧边，对柔模混凝土墙体有一定的侧压力，垮落矸石对隔离墙体的侧向压力按下式计算[6]：

式中：Ea为矸石对巷旁支护的侧压力；γ为松散矸石的重度，取15 kN/m3；H为散落矸石的高度，取2倍的有效采高，即11 m；φ为散落矸石的内摩擦角，取45°。

代入各参数，得Ea=236.5 kN/m。

工作面为静水平开采，柔模混凝土隔离墙体抗滑稳定性系数按下式计算：

式中：K为抗滑安全系数；G为隔离墙体自重，取107.5 kN/m；F为沿空留巷顶板压力，取为顶板充分垮落后形成的压力，3 814.96 kN/m；μ为隔离墙体与底板之间的摩擦系数，取0.3.

代入各参数，得K=4.98。

根据重力式挡土墙设计规范，墙体抗滑系数不低于1.6，10401运输顺槽隔离墙体抗滑系数为K=4.98，远高于1.6，因此混凝土柔模隔离墙体可以满足抗滑稳定性要求。

5 工程实践

10401运输顺槽采用沿空留巷，巷旁支护采用柔模混凝土墙体，柔性模板由外部加筋纤维布和内部拉筋组成，采用自密实、早强、高强等要求的矿用高性能混凝土，正常地质段采用C30级混凝土，隔离墙体厚度为1 m，煤柱影响区等复杂地段采用C40级混凝土，隔离墙体厚度为1.2 m。目前已留巷400余米，成巷过程中混凝土隔离墙体可基本保持稳定，未发生严重变形破坏，成巷后隔离墙体未发生严重变形破坏，巷旁支护侧最大变形量为236 mm，表明沿空留巷巷旁支护设计合理，可以满足实际生产要求。

6 结语

本文分析校核了金达煤矿10401运输顺槽沿空留巷柔模混凝土墙体巷旁支护的支护强度及抗滑移强度，并通过工程实践进行验证性研究，研究表明沿空留巷柔模混凝土隔离墙体设计合理，留巷期间及成巷后期未发生严重破坏变形，可以满足实际安全生产要求。