王 學(xué)

（華潤煤業(yè)有限公司，山西 太原 030000)

1 概況

青龍同昌煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90萬t/a，9107工作面回采長度800m，切眼長度165m，地面標(biāo)高+945.9m～1016.6m，井下工作面頂板標(biāo)高+772m～869m。9號煤層及頂?shù)装迩闆r如表1所示。

9107工作面采用半煤巖巷沿空留巷技術(shù)。當(dāng)煤層較薄時(shí)，由于頂板回轉(zhuǎn)空間小，斷裂難度大，向充填體和煤壁傳遞了大量荷載。為維持巷道圍巖穩(wěn)定，需要在支護(hù)體讓壓的過程中，提升支護(hù)體剛度。在充填體強(qiáng)度極限內(nèi)完成切頂。

2 巷旁支護(hù)體設(shè)計(jì)

2.1 巷旁充填體特征

巷旁支護(hù)體緊跟工作面構(gòu)筑，早期強(qiáng)度增加快，與巷內(nèi)支護(hù)共同減少巷道內(nèi)直接頂與上部基本頂離層。隨著回采面的推進(jìn)，巷旁支護(hù)體在基本頂破斷時(shí)支護(hù)阻力應(yīng)能切斷采空區(qū)側(cè)基本頂。巷旁支護(hù)體具有一定的可縮量，適應(yīng)上位巖層取得平衡前的急劇沉降。巷道圍巖穩(wěn)定后，通過巷旁支護(hù)體后期支護(hù)阻力維持巷道上方已切斷巖層平衡。

表1 9號煤層頂?shù)装鍘r性描述表

2.2 沿空留巷支護(hù)體模型的建立

以板的中間破斷線位置所做的剖面，得到彈性基礎(chǔ)梁模型?？仨敺秶S回采面的推進(jìn)而擴(kuò)大，巷旁支護(hù)體支護(hù)阻力應(yīng)使基本頂最大彎矩達(dá)到極限彎矩，切斷基本頂。由于巷內(nèi)支護(hù)阻力較小忽略不計(jì)，得到模型如圖1。

圖1 巷旁支護(hù)體與頂板作用模型

在巷旁支護(hù)體切斷頂板巖層前，矸石對塊體AC的支撐力為0，在采空區(qū)側(cè)沿巖層方向的推力Tc為：

式中：

α-煤層傾角，°；

L-AC巖塊長度，m；

qAC-AC巖塊單位長度重量，kg/m；

hAC-AC巖塊的厚度，m；

ΔSC-AC巖塊切斷時(shí)C端的下沉量，m。

因采空區(qū)上方巖層普遍離層，忽略其間剪力。將基本頂重力沿平行巖層和垂直巖層方向分成兩個(gè)分力[1]?；卷斏喜寇泿r重力，均勻加到基本頂上?；卷斠悦后w彈塑性交界處為旋軸向采空區(qū)側(cè)旋轉(zhuǎn)傾斜。得出煤體支承壓力σy和應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度х0計(jì)算式為：

式中：

C0-煤層與頂?shù)装鍘r層交界面的粘聚力，MPa；

φ0-煤層與頂?shù)装鍘r層交界面的內(nèi)摩擦角，°；

Px-支架對煤幫的支護(hù)阻力，kN；

A-側(cè)壓系數(shù)；

M-采高，m；

H-開采深度，m；

γ-上覆巖層平均容重，kN/m3；

k-應(yīng)力集中系數(shù)[2]。

2.3 巷旁支護(hù)阻力計(jì)算

根據(jù)圖1，用平衡法對AB、BC兩巖塊分別建立力學(xué)方程。

BC巖塊，垂直于傾角α方向，∑Fn=0，得：

平行于α方向，∑Fs=0 ，得：

∑MB=0 ，得：

AB巖塊，∑MA=0 ，得

式中：

α-煤層傾角，°；

c-巷道寬度，m；

d-巷旁支護(hù)體寬度，m；

h-基本頂巖層厚度，m；

Pq-巷旁支護(hù)體的切頂阻力，kN；

ML-基本頂巖層的極限彎矩，kN·m；

M0-A端基本頂?shù)臍堄鄰澗?，kN·m；

q-基本頂及其上部軟弱巖層單位長度的自重，kg·m；

q0-直接頂單位長度自重，kg·m；

ΔSB-基本頂垮落前B端的下沉量，m[3]。

煤層最大埋深300m，傾角3°，工作面長160m，平均采高1.45m，基本頂平均厚度10.7m，直接頂平均厚度5.2m，周期來壓步距15m，上覆巖層容重為25kN/m3，應(yīng)力集中系數(shù)為3.0，基本頂巖層抗拉強(qiáng)度取值為8MPa，側(cè)壓系數(shù)0.4，煤層粘聚力3MPa，內(nèi)摩擦角30°，錨桿支護(hù)阻力設(shè)計(jì)0.1MPa，巷道高2.6m，留巷寬度4m[4]。采用MATLAB軟件詳細(xì)計(jì)算過程如圖2所示。

圖2 MATLAB軟件計(jì)算截圖

得到切頂阻力為4.88MN/m?，F(xiàn)場施工時(shí)，按6MPa設(shè)計(jì)充填體平均強(qiáng)度，則在巷內(nèi)充填時(shí)所需的充填體寬度理論計(jì)算值為0.82m。再基于以往工程實(shí)踐，考慮安全系數(shù)1.5，初步設(shè)計(jì)確定巷旁支護(hù)體寬度為1.2m。

3 圍巖控制技術(shù)與方案

3.1 留巷段輔助加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)與方案

工作面回采后，在工作面支架拉架后緊跟工作面支架打3排單體柱，單體柱間距800mm，排距1000mm，單體距離巷道邊緣400mm。靠近采空區(qū)打一排密集單體，單體柱間距400mm，距離充填體800mm并掛網(wǎng)擋住采空區(qū)矸石。在工作面回采及留巷期間，頂板活動強(qiáng)烈。因此，需要三排單體液壓支柱在工作面后方100m附近加強(qiáng)支護(hù)。在充填體采空區(qū)側(cè)架設(shè)“單體液壓支柱+Π型鋼梁”臨時(shí)支護(hù)。工作面后方加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)為：Π型鋼梁、鐵鞋、單體液壓支柱，柱距為1.0m，排距為1.0m，邊柱距兩幫距離為1m，每排打3根單體液壓支柱支護(hù)[5]。當(dāng)工作面支架距離充填體距離超過4m即可進(jìn)行充填作業(yè)，充填體距支架距離不允許超過5m。單體液壓支柱加強(qiáng)支護(hù)見圖3。

圖3 留巷段輔助加強(qiáng)支護(hù)

3.2 充填體加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)與方案

9#煤層平均厚度為1.4m，9#煤層沿空留巷巷旁充填體寬度為1.2m，充填體高度為1.4m。按照每個(gè)生產(chǎn)班推進(jìn)7m計(jì)算，每次充填長度為3.5m，分2次充填。

為了附加充填體的強(qiáng)度和剛度，在充填體內(nèi)布置對拉錨桿。對拉鋼筋1.3m長，為Ф20mm的RHB400螺紋鋼，鋼筋梯子梁0.8m，由Ф14mm圓鋼焊制，對拉鋼筋間排距800mm×900mm，上部對拉錨桿距頂板300mm，下部對拉錨桿距底板300mm。

充填體采用水灰比1.5:1的無機(jī)材料構(gòu)筑，每個(gè)充填體尺寸為3.5m×1.3m×1.4m（長×寬×高），體積為5.04m3，需要無機(jī)高水充填材料2.8t，設(shè)計(jì)充填袋大小為3.8m×1.3m×1.8m（長×寬×高）。

4 結(jié) 論

結(jié)合同昌煤礦地質(zhì)條件，通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬確定充填體寬度為1.2m，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了整套聯(lián)合支護(hù)方案。通過現(xiàn)場測得圍巖相對移進(jìn)量如圖4所示。分析觀測結(jié)果可以看出，沿空留巷圍巖變形量隨著與工作面距離的增加而增加，其中兩幫變形量明顯大于頂?shù)装遄冃瘟?，充填體側(cè)頂?shù)装遄冃瘟看笥趯?shí)體煤幫側(cè)。與工作面相距80m后，頂?shù)装迮c兩幫相對移近量均達(dá)到穩(wěn)定值，分別為344mm、118mm和440mm，都在可允許變形范圍內(nèi)。

圖4 圍巖變形量曲線