6m大采高沿空留巷巷旁支护研究

李晓白，潘海兵，石景帅，雷平博

(1.山煤集团霍尔辛赫煤业有限责任公司，山西 长治 046000；2.陕西开拓建筑科技有限公司，陕西 西安 710054)

目前国内沿空留巷巷旁支护方法主要有编织袋装矸石、高水材料充填、钢模板浇筑混凝土、柔模泵注混凝土等多种沿空留巷巷旁支护方法。其中高水材料巷旁支护后存在难接顶、安全性差、易风化、影响采煤等问题；钢模板浇筑混凝土巷旁支护，劳动强度大、施工速度慢、支护强度低，无法有效的支护巷道[1-5]。大采高工作面采场空间大，推进速度快，动压显现强烈等特点，上述工艺无法满足大采高沿空留巷巷旁支护要求。2016年柔模泵注混凝土沿空留巷工艺在霍尔辛赫煤矿3603大采高工作面厚煤层应用，解决了大采高工作面情况下沿空留巷巷旁支护参数、强度及稳定性问题，为相似条件下沿空留巷提供了有益借鉴。

1 工程概况

1.1 煤层情况

霍尔辛赫煤矿3603大采高工作面位于3#煤层六盘区中部，3#煤层特性：黑色，块状，细条带状结构，含静煤条带，暗淡光泽，以亮煤为主，暗煤次之，光亮型煤，参差状断口，中下部夹薄层泥岩，岩性为炭质泥岩，3#煤容重1.4t/m3，煤层平均厚度5.9m，煤层埋深508m，靠近煤层顶板含0.1m泥岩夹矸，煤层倾角为3°～8°，平均5°。3603工作面切眼长度为220m，可采长度为1686m。

1.2 工作面顶底板岩层特征

3603大采高工作面煤层顶底板岩性见表1。

表1 3603工作面煤层顶底板

1.3 开采条件

霍尔辛赫煤矿3603工作面采用倾斜长壁后退式综合机械化一次采全高采煤方法。采用 “三八”制作业，即两个班生产，一个班前半班检修，后半班生产。采用正规循环作业方式组织生产，每班有效工时为8h，每天可进行7个正规循环，日回采推进度为5～6m。浇筑柔模混凝土墙体在检修班施工。

1.4 留巷前巷道支护参数

3603回风巷沿顶板留底煤掘进，巷道净断面5.5m×3.7m。顶板锚杆采用杆体为22#左旋无纵筋螺纹钢筋，钢号为500号，长度2.4m，杆尾螺纹为M24，排距1000mm，每排6根，间距950mm。顶板锚索采用Φ22mm、1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，长度7300mm，锚索间排距为2200mm×2000mm。采用金属网护顶，金属网为10#铁丝编织成的菱形网，网孔规格50mm×50mm，网片规格5600mm×1100mm。顶部网片与帮部网片搭接200mm，网片搭接两边隔孔用16#铁丝绑扎，绑扎间距100mm，要求双丝双扣，扭结三圈。两帮支护均采用杆体为22#左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2.4m，杆尾螺纹为M24。间排距为1050mm×1050mm，每排4根锚杆。外侧帮采用金属网护帮，金属网为10#铁丝编织成的菱形。内侧帮采用塑料网护帮，塑料网为高分子塑料网，两帮网孔规格都为40mm×40mm，网片规格3700mm×1100mm。3603工作面回风巷支护示意图如图1所示。

图1 3603工作面辅助进风巷支护示意图(mm)

2 沿空留巷支护设计与研究

2.1 沿空留巷巷旁支护设计

2.1.1 巷旁支护材料

柔模泵注混凝土沿空留巷技术以一次性纤维柔性模板代替传统钢模板或机械模板，利用柔性模板透水不透浆特性和泵压强制接顶，及时主动支撑顶板，密闭采空区，以便下一个工作面回采应用。该材料是以三维纺织结构柔性模板和对拉锚栓作为增强体、矿用高性能混凝土为基体的复合材料，为封闭的三维纺织结构，外形与支护体相同，是支护体的预成型体，其上设有自闭灌注口和固定装置，具有轻质高强、施工方便等特性。

2.1.2 巷旁支护参数

霍尔辛赫煤矿3603工作面留巷后的宽度为4000mm，巷旁支护体宽度为1500mm。柔模混凝土墙体内预置锚栓，锚栓杆体材质为500号螺纹钢，杆体两端设有丝扣，杆体两端配有高强度托板、调心球形垫和尼龙垫圈。墙体两侧的锚栓和柔模之间，沿纵向和横向铺设钢筋钢带。沿空留巷巷旁支护断面图如图2所示。

图2 沿空留巷巷旁支护断面图(mm)

2.1.3 巷旁支护强度验算

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。因此，柔模混凝土的承载力由约束增强体和核心混凝土两部分组成。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。加载初期，柔模混凝土的应力-应变关系与普通素混凝土的曲线基本一致[6-8]；当应力达到混凝土强度以后，柔模混凝土的曲线仍能保持一定的上升趋势；最终，曲线以较为平缓的下降段结束。柔模混凝土墙体的承载力计算公式为：

锚栓的约束应力计算公式为：

式中，N2为柔模混凝土墙体的承载能力，kN/m；φ为素混凝土构件的稳定系数；σr为锚栓套箍作用产生的有效约束应力，MPa；fcc为素混凝土抗压强度设计值，MPa；d为锚栓直径，取22mm；σb为钢筋抗拉强度设计值，MPa；a1，a2分别为锚栓的间排距，取a1=850mm，a2=750mm。

计算可得锚栓的约束应力为：

柔模混凝土墙体的承载能力为：

(14.6+4×0.259)×1500=24016.89kN/m

2.2 沿空留巷围岩压力计算

采用叠加层板法[1，9，10]计算沿空留巷压力，叠加层板法计算每米沿空留巷压力的公式如下所示：

p=(M1+M2+M3)/a

假设切顶分层厚度相同时，M1，M2，M3的简化计算公式如下：

M2=[a+(n-1)h·tanα]γ·h·Ln

式中，n为总垮落层数；a为巷道维护宽度m；γ为第n层岩层的容重，MN/m3；h为切断岩层的分层厚度，m；α为切顶岩层垮落角的余角，(°)；M1为切顶后残余边界的自重载荷每米弯矩，MN·m；M2为第n层岩层垮落时剪力产生的每米弯矩，MN·m；M3为第n层岩层的每米极限弯矩，MN·m；Ln为第n层岩层垮落顶板岩块长度，m；Rt为第n层岩层的抗拉强度，MPa。

根据3603工作面顶板岩性状况，选取顶板分层厚度平均为h=2m，切顶的总高度为H=20m，切顶层数n=10，α=45°，Ln=5.6m，γ=0.027MN/m3，Rt=1.5MN/m2，留巷宽度4m，巷旁支护宽度1.6m，则a=5.6m。将以上参数带入上述公式中可知：

M2=[a+(n-1)h·tanα]γ·h·Ln=7.14MN·m

M3=Rt·h2/6=0.995MN·m

p=(M1+M2+M3)/a=10892kN

根据叠加层板法的计算结果，沿空留巷的最大每米荷载为10892kN。

3 巷旁支护效果分析

3.1 沿空留巷围岩变形监测

留底煤沿空留巷巷道变形主要体现在顶底板移近量，该矿顶底板移近量在滞后工作面180～215m范围内，顶底板移近量快速增加，从0mm增加到400mm，在滞后工作面216～300m范围内缓慢增加，从400mm增加到750mm，之后趋于稳定，沿空留巷顶底板移近量曲线如图3所示。两帮移近量在滞后工作面180～209m范围内缓慢增加，从0mm增加到150mm，在滞后210～230m范围内，移近量急速增加，从150mm增加到350mm，之后缓慢增长最终趋于一个平稳状态，沿空留巷两帮移近量曲线如图4所示。

图3 沿空留巷顶底板移近量曲线

图4 沿空留巷两帮移近量曲线

3.2 巷旁支护体受力分析

以41#柔模墙体(距工作面切眼大约120m)上的混凝土墙压力监测仪为研究对象，柔模墙体载荷在滞后工作面20～94m范围内，柔模混凝土墙承载力从7MPa增长到13MPa，增长速率缓慢；在滞后工作面95～100m，墙体载荷从13MPa下降到4MPa，分析原因可能是上覆岩层关键层断裂，顶板压力重新分布，在滞后工作面101m以后阶段柔模混凝土墙体压力缓慢增大到13MPa，随后趋于平稳，柔模混凝土墙体压力曲线如图5所示。

图5 柔模混凝土墙体压力曲线

3.3 锚栓受力分析

以40#柔模墙体上的锚栓压力(距切眼大约120m)为例分析：在滞后工作面171～197m的范围内，上、中部锚栓压力急剧增长到15～18MPa，之后锚栓压力稳定在20MPa左右，墙体对拉锚栓压力曲线如图6所示。

图6 墙体对拉锚栓压力曲线

4 结 论

1)通过巷旁支护压力、巷道变形量数据分析可知，大采高工作面沿空留巷巷旁支护压力最大峰值约为13MPa，墙体锚栓压力稳定在20MPa，巷道变形主要体现在底鼓，但变形量不大，间接地说明了巷旁支护参数的合理性。柔模混凝土墙体宽度为1500mm、锚栓间排距满足深井厚煤层大采高工作面的支护要求。矿压监测的整理和分析对大采高工作面沿空留巷后期支护参数的优化与调整至关重要。

2)相对于其他大采高工作面沿空留巷工艺，柔模混凝土沿空留巷强度提升快，施工简单。通过巷旁体强度验算、上覆岩层对巷旁体产生压力的理论计算，验证了柔模混凝土墙体满足大采高工作面生产要求，能及时在老顶来压之前达到支护强度要求，有效支护顶板，解决了目前国内大采高工作面沿空留巷的支护难题。