張國輝

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

0 引 言

由于我國煤礦在深部開采這方面起步較晚，在對深井沿空留巷巷旁支護(hù)阻力及圍巖控制技術(shù)的理論研究和實踐方面，還未形成系統(tǒng)的理論體系。目前國內(nèi)外學(xué)者對深井沿空留巷圍巖控制技術(shù)展開研究，如袁亮，薛俊華[1]等運用現(xiàn)場勘察、理論分析和數(shù)值模擬的方法，第一次提出了深部巷道圍巖分類標(biāo)準(zhǔn)體系，并得出了圍巖控制的措施；在巷道支護(hù)技術(shù)方面，孫曉明，何滿潮[2]等通過結(jié)合理論分析和現(xiàn)場實踐，提出錨網(wǎng)索耦合支護(hù)方案，使支護(hù)方式和圍巖壓力達(dá)到更好的效果，從而保證圍巖的穩(wěn)定性。本文為保證6118工作面運輸順槽沿空留巷作業(yè)時巷道圍巖的穩(wěn)定，采用理論分析和現(xiàn)場實踐相結(jié)合的方法，對深井沿空留巷巷旁支護(hù)阻力進(jìn)行具體分析，確定沿空留巷的支護(hù)方案，為相似工程情況提參考和指導(dǎo)作用。

1 工程概況

某礦6118工作面平均埋深700m，傾斜長度為184～192m，走向長度為1080m，開采面積195382m2。本工作面主采煤一層，煤層均厚4.2m，煤層平均傾角為8°，工作面采用綜合機械化采煤方法，煤層頂?shù)装鍘r層特性如表1所示。6118工作面運輸順槽設(shè)計斷面為矩形，凈寬4.0m，凈高3.5m。巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，6118運輸順槽沿空留巷后作為6119工作面回風(fēng)順槽使用，根據(jù)設(shè)計6119工作面設(shè)計推進(jìn)距離305m，為保證留巷穩(wěn)定，在6119工作面切眼后方多留20m巷道，即設(shè)計1103運輸順槽留巷長度為325m。

表1 煤層頂?shù)装逄卣鞅?/p>

2 巷旁支護(hù)體支護(hù)阻力分析

由于巷旁支護(hù)體與實煤體幫共同承受上覆蓋巖體的作用力，所以巷旁支護(hù)體的穩(wěn)定對沿空留巷的穩(wěn)定起決定性作用。我們把巷旁支護(hù)體在不同位置的幾種不同作用原理進(jìn)行歸納：

1）巷旁工作面剛推過階段。煤層被采出后，巷旁支護(hù)起到支撐保護(hù)的作用，保證上層巖體受到足夠的支撐力，減少了圍巖的局部變形和破裂。

2）頂板塌落階段。經(jīng)過工作面剛推階段，巷旁支護(hù)和周圍煤體共同承擔(dān)上部巖層的壓力，局部會產(chǎn)生較大的變形量，因此我們要求巷旁的填充體不僅要具備一定的剛度，還要具備一定的延展性，在承受超過設(shè)計要求的壓力值時能夠具備較好的收縮能力。

3）頂板趨于穩(wěn)定狀態(tài)階段。此時，由三部分共同承擔(dān)對上部巖層的支撐力，包括實煤體、巷旁支護(hù)體和煤矸石，要求巷旁支護(hù)體的阻力能夠使巷道上部巖體下沉量不至過大，同時使整體受力維持在平衡狀態(tài)。

沿空留巷與采煤工作面在礦壓特點和邊界條件等方面有共同點，兩者的礦壓機理具有相似性。因此在研究深井沿空留巷支護(hù)阻力時，可以把基本頂近似看作“梁”結(jié)構(gòu)來進(jìn)行分析。當(dāng)巷旁支護(hù)阻力達(dá)到應(yīng)力峰值，巷道頂板就會產(chǎn)生破壞和斷裂[3]，所以建立如圖1的基本頂與巷旁支護(hù)體相互作用的力學(xué)模型：

圖1 巷旁支護(hù)體支護(hù)阻力分析模型

利用上圖模型，并使用平衡法對巖塊建立力學(xué)方程，巷旁充填體的支護(hù)阻力Pq如下：

式中：Pq巷旁支護(hù)體切頂阻力；α為煤層傾角；ML為基本頂巖層的極限彎矩；c為巷道寬度；M0為A端基本頂?shù)臍堄鄰澗?；d為巷旁支護(hù)體寬度；q為基本頂及其上部軟弱巖層單位長度的自重；h為基本頂巖層厚度；ΔSB為基本頂跨落前端的下沉量；q0為直接頂單位長度自重。

將6118工作面巷道參數(shù)代數(shù)公式：煤層平均厚度4m，煤層傾角α=9°，采高M(jìn)=4.0m，基本頂厚h=10m，直接頂厚6m，工作面長度Lm=180m，采深H=800m，q＝1.5×105N/m，C0＝0.1MPa，d＝2.5m,M0=0，q0=0.5 ×105N/m,得到巷旁充填體的支護(hù)阻力為11.87MPa。

充填體最大壓縮量由式（2）：

式中：Sk為煤體內(nèi)塑性破壞區(qū)寬度；Ck為充填體寬度，m；Hk為巷道寬度，m；mz為煤層厚度，m；K 為巖石碎脹系數(shù)；h為直接頂厚度，m。

根據(jù)公式，在充填體壓縮量取值為580mm時，理論上高水材料在構(gòu)筑一定時間后會達(dá)到10MPa以上，但是由于施工條件和環(huán)境比較復(fù)雜，我們選取理論值的60%進(jìn)行計算，再根據(jù)第2章巷旁充填體的支護(hù)阻力計算出充填體的理論寬度為2.26m，為了生產(chǎn)實際安全需要[4]，理論寬度需乘以一定安全系數(shù)，最終確定6113工作面沿空留巷的充填體寬度為2.5m。

3 沿空留巷圍巖控制方案與效果

3.1 圍巖控制方案

1）巷道基本支護(hù)。6118工作面運輸順槽沿煤層頂板掘進(jìn)，采用錨網(wǎng)支護(hù)，具體支護(hù)參數(shù)為：1）頂板采取2根Φ22mm×2400mm螺紋鋼錨桿，錨桿排距700mm，間距700mm，錨桿托盤采用 150mm×150mm×10mm的碟形托盤，并鋪設(shè)金屬網(wǎng)和鋼筋。2）兩幫布置Φ22mm×L2400mm螺紋鋼2根，間距750mm，排距700mm。錨桿托盤采用 150mm×150mm×10mm的碟形托盤，并鋪設(shè)金屬網(wǎng)和鋼筋。3）頂板錨索采用2根Ф18.9×8300mm的預(yù)應(yīng)力錨索，間排距為1800×800mm，錨索托盤采用300mm×300mm×16mm的碟形托盤，同時鋪設(shè)調(diào)心球墊、鎖具。巷道基本支護(hù)形式如圖2所示。

2）巷道補強支護(hù)。6118工作面原有支護(hù)方案未考慮后期留巷，支護(hù)強度偏低，需對其留巷段巷道進(jìn)行補強支護(hù)，補強支護(hù)應(yīng)超前工作面20m左右，具體補強支護(hù)參數(shù)如下：1）采取超前液壓支架支護(hù)。2）對巷道煤幫進(jìn)行加強支護(hù)，選用預(yù)應(yīng)力豎向彬架，錨索錨固段的位置，選取在煤幫側(cè)方頂?shù)装迳钐帯?/p>

3）充填區(qū)域支護(hù)。為防止頂板冒落，保證充填區(qū)頂板的穩(wěn)定，結(jié)合6118工作面的地質(zhì)條件，具體方案下：錨索間排距為900mm?800mm，每排2根，錨桿型號為Φ17.8×6300mm；為加強支護(hù)強度，在留巷兩側(cè)底角打Φ18mm×L2000mm的螺紋鋼錨桿，錨桿排距800mm，分別在距離實煤體幫和充填體幫200mm處打傾斜角為45°的錨桿。出于安全和經(jīng)濟的考慮，采用間距為1000mm，排距為1000mm單體液壓支柱進(jìn)行臨時支護(hù)，在工作面后方也需要進(jìn)行支護(hù)，在滯后工作面150m處，采取間距為1.1m的液壓支柱配型梁支護(hù)，如圖3所示。

圖2 巷道錨桿支護(hù)圖

圖3 充填區(qū)域上方頂板支護(hù)示意圖

3.2 巷旁支護(hù)方案

1）巷旁充填體參數(shù)。據(jù)工作面的生產(chǎn)地質(zhì)條件知6118工作面巷旁充填體參數(shù)進(jìn)行設(shè)計時，由第二章計算公式得到6118工作面運輸順槽所需的巷旁充填體的支護(hù)阻力為11.87MPa，本次充填材料選用高水充填材料，水灰比為1.5：1，巷旁充填體的合理寬度為2.5m。

2）充填區(qū)頂板維護(hù)。為進(jìn)一步增強充填體承載能力，在充填體內(nèi)布置對拉錨桿加固充填體：①當(dāng)頂板條件較好時，在充填體上增設(shè)間排距為700mm×700mm的對拉錨桿，每排2根；②當(dāng)頂板條件不好時，對拉錨桿間排距為800mm×800mm，每排3根。鋼筋梯子梁和鋼筋網(wǎng)參數(shù)與上述相同。

3.3 圍巖控制效果分析

為觀測6118下運輸巷道的圍巖活動規(guī)律，觀測充填體和巷道圍巖的變形情況，在沿空留巷設(shè)置監(jiān)測站，對深井沿空留巷的頂板、兩幫移進(jìn)量進(jìn)行監(jiān)測，對巷道圍巖變形量持續(xù)監(jiān)測直至監(jiān)測到的圍巖變形數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定，運用軟件把數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，并繪制出曲線圖。本次共設(shè)置四個觀測站，繪制出的頂板下沉量、兩幫移近量曲線圖分別見圖4、圖5。

圖4 頂板下沉量曲線

圖5 兩幫移近量

通過分析圖4可知，1、2號號監(jiān)測點的下沉量要比3、4號監(jiān)測點的頂板下沉量大，由現(xiàn)場情況可知，1、2號觀測點的圍巖較破碎，產(chǎn)生了較大的圍巖變形量。頂板的最大下沉量約為600mm，工作面的距離變遠(yuǎn)，頂板變形量逐步減小。通過分析圖5可知，兩幫圍巖的水平位移達(dá)到約340mm，兩幫的水平位移在100m以外幾乎不發(fā)生變化。綜上可知，6118工作面運輸巷現(xiàn)有支護(hù)方式下巷道圍巖變形量不大，變形量能夠滿足回采巷道的使用要求。

4 結(jié) 論

通過綜合運用理論分析、現(xiàn)場試驗等方法，對6118工作面運輸順槽沿空留巷支護(hù)阻力進(jìn)行具體分析，闡明了深井沿空留巷巷旁支護(hù)體受力特點，并建立相應(yīng)的力學(xué)模型。此外根據(jù)6118運輸順槽沿空留巷的具體情況，對沿空留巷的圍巖控制方案進(jìn)行具體設(shè)計，根據(jù)礦壓監(jiān)測結(jié)果可知，支護(hù)方案實施后，頂?shù)装宓淖畲笠平繛?00mm，兩幫的最大移近量為340mm，保證了沿空留巷圍巖體的穩(wěn)定性。