鄧國濤

(西山煤電集團(tuán) 馬蘭礦，山西 太原 030205)

1 工程概況

馬蘭礦10604工作面位于南六采區(qū)，主采02號煤層。02號煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組，煤層傾角1～8°，煤層厚度1.66～2.69 m，平均2.25 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)為1.17(0.19)0.89，屬穩(wěn)定可采中厚煤層，普氏系數(shù)為2.0，埋深415～468 m.煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

10604工作面位于南六采區(qū)左翼，西南側(cè)間隔20 m、41 m、70 m分別為南六膠帶下山、東二回風(fēng)大巷、南九進(jìn)風(fēng)大巷；東北側(cè)實(shí)體間隔18.27～37.58 m分別為10503、10505采空區(qū)。10604工作面兩巷開口于南六軌道下山，工作面膠帶巷走向長1 709 m，軌道巷走向長1 709 m，傾斜長176 m.

為盡可能回收煤炭資源，決定在10604軌道巷開展高水充填沿空留巷技術(shù)，留巷斷面4.2 m×2.6 m(寬×高)，充填墻體完全置于采空區(qū)，充填墻體外側(cè)與采煤幫保持一條線，充填體斷面為2.2 m×2.6 m(寬×高)。

2 巷旁充填體加固機(jī)理

隨著工作面的推進(jìn)，沿空留巷上方基本頂逐步破斷，并在工作面后方形成較大的支承壓力，充填體在高應(yīng)力作用下，裂隙逐漸擴(kuò)展發(fā)育，嚴(yán)重影響了其完整性及承載性，進(jìn)而影響巷道的穩(wěn)定性。因此，充填體需具有較高的強(qiáng)度提高承載性，同時具有一定的延展性能，以吸收頂板下沉的壓力。根據(jù)前人的研究成果，總結(jié)出以下4個充填體的加固機(jī)理：①充填體變形一般由自由面開始，可在自由面上施加圍壓；②通過材料屬性提高充填體的物理力學(xué)參數(shù)；③提高充填體內(nèi)部的完整性，使其具有較強(qiáng)的承載能力；④提高充填體的可塑性，使其具有一定的讓壓能力，降低其破壞程度。

3 充填體加固技術(shù)數(shù)值模擬分析

3.1 建立模型

為確定巷旁充填體合理的物理力學(xué)參數(shù)，采用UDEC6.0數(shù)值模擬軟件的Trigon模塊建立高水充填材料的試塊模型。模型高200 mm、寬100 mm，采用應(yīng)變軟化模型進(jìn)行模擬。通過不斷調(diào)整參數(shù)，以使數(shù)值模擬得出的單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線最接近于實(shí)驗得出的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖1所示，最終確定出模擬時合理的巷旁充填體物理力學(xué)參數(shù)，如表2所示。

圖1 單軸壓縮試塊應(yīng)力應(yīng)變曲線

表2 充填體物理力學(xué)參數(shù)

3.2 充填體加固影響因素分析

為分析鋼筋梯子梁及錨桿參數(shù)對充填體加固的影響，通過UDEC6.0建立高度為2 m、寬度為1 m的充填體模型，并采用表2的校正參數(shù)進(jìn)行賦參。模擬中，采用PLANE單元模型模擬鋼筋梯子梁及錨桿。

3.2.1 鋼筋梯子梁直徑對充填體的影響

為分析不同鋼筋梯子梁直徑下的充填體穩(wěn)定性變化，建立3組對比模型，鋼筋梯子梁的直徑分別為0 mm、14 mm及16 mm，鋼筋梯子梁寬度均為60 mm，充填體中均不設(shè)置錨桿。圖2為不同鋼筋梯子梁直徑下充填體的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖2 不同鋼筋梯子梁直徑下充填體應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖2可知，充填體無鋼筋梯子梁支護(hù)時(即鋼筋梯子梁直徑為0 mm)，充填體最大應(yīng)力值為14.5 MPa，此時的應(yīng)變?yōu)?.07；當(dāng)充填體鋼筋梯子梁直徑為14 mm時，充填體最大應(yīng)力值為16 MPa，較無鋼筋梯子梁支護(hù)時增加了10.3%，此時的應(yīng)變?yōu)?.08；當(dāng)充填體鋼筋梯子梁直徑為16 mm時，充填體最大應(yīng)力值為17.6 MPa，較無鋼筋梯子梁支護(hù)時增加了21.4%，此時的應(yīng)變?yōu)?.3.由此可以得出，在鋼筋梯子梁的支護(hù)小，充填體的承載能力得到了提升，當(dāng)充填體應(yīng)變超過0.3時，16 mm鋼筋梯子梁對充填體的加固效果最佳。

3.2.2 錨桿數(shù)量對充填體的影響

為分析每排錨桿數(shù)量對充填體穩(wěn)定性的影響，建立3組對比模型，每排錨桿的數(shù)量分別為2根、3根、4根，鋼筋梯子梁直徑均為16 mm，錨桿直徑均為22 mm.圖3為不同錨桿數(shù)量下充填體的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖3 不同錨桿數(shù)量下充填體的應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖3可知，每排加固錨桿數(shù)量為2時，充填體最大應(yīng)力值為15.4 MPa，此時的應(yīng)變?yōu)?.08；當(dāng)每排加固錨桿數(shù)量為3時，充填體最大應(yīng)力值為17.6 MPa，較2根錨桿支護(hù)時增加了14.3%，此時的應(yīng)變?yōu)?.3；當(dāng)每排加固錨桿數(shù)量增加至4時，充填體最大應(yīng)力值為18 MPa，較2根錨桿支護(hù)時增加了16.9%，此時的應(yīng)變?yōu)?.12.由模擬結(jié)果可知，充填體的承載能力隨著每排錨桿數(shù)量的增加而逐漸增強(qiáng)，由于3根錨桿與4根錨桿的支護(hù)效果相差不大，為降低成本，考慮采用3根錨桿的支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)。

3.2.3 錨桿直徑對充填體的影響

為分析錨桿直徑對充填體穩(wěn)定性的影響，建立3組對比模型，錨桿的直徑分別為18 mm、20 mm、22 mm，鋼筋梯子梁直徑均為16 mm，每排錨桿數(shù)量為3根。圖4為不同錨桿直徑下充填體的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖4 不同錨桿直徑下充填體的應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖4可知，錨桿直徑為18 mm時，充填體最大應(yīng)力值為15 MPa，此時的應(yīng)變?yōu)?.07；當(dāng)錨桿直徑為20 mm時，充填體最大應(yīng)力值為16.2 MPa，較18 mm直徑錨桿支護(hù)時增加了8%，此時的應(yīng)變?yōu)?.08；當(dāng)錨桿直徑為22 mm時，充填體最大應(yīng)力值為17.5 MPa，較18 mm直徑錨桿支護(hù)時增加了16.7%，此時的應(yīng)變?yōu)?.3.

由模擬結(jié)果可知，充填體的承載能力會隨著錨桿直徑的增大而逐漸增強(qiáng)，考慮選用22 mm的錨桿；另外，隨著應(yīng)變的逐漸增大，充填體的應(yīng)力均會不同程度地降低，出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。

4 現(xiàn)場實(shí)踐分析

4.1 巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

頂板補(bǔ)強(qiáng)：在原頂板兩排錨索之間補(bǔ)打錨索(原頂板有錨索的不再補(bǔ)打)，錨索為普通鋼絞線錨索，每排3根，間排距1 600 mm×1 000 mm，錨索型號D21.8 mm×6 300 mm，錨索托板采用高強(qiáng)度蝶形托板，規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm，錨索垂直頂板打設(shè)，錨索預(yù)緊力不低于250 kN.

采煤幫支護(hù)：采用補(bǔ)打短錨索方式進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，在原兩排錨桿之間補(bǔ)打1排3根D17.8 mm×4 300 mm的鋼絞線錨索配合D14 mm鋼筋焊制的2 200 mm×60 mm托梁加強(qiáng)支護(hù)，錨索間排距1 000 mm×1 000 mm，錨索托板采用高強(qiáng)度蝶形托板，規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm，錨索垂直巷幫打設(shè)，錨索預(yù)緊力不低于250 kN.

巷旁充填體補(bǔ)強(qiáng)加固：充填體內(nèi)每排補(bǔ)打3根螺紋鋼錨桿，錨桿直徑為22 mm，長度為1 700 mm，上下兩排錨桿分別距頂?shù)装?50 mm，錨桿間距800 mm，排距為800 mm，每排錨桿后方被直徑16 mm的鋼筋梯子梁及鋼筋網(wǎng)加固支護(hù)。具體加固方式如圖5所示。

圖5 巷旁充填體加固示意(mm)

4.2 應(yīng)用效果分析

選取巷旁充填體中間一排錨桿進(jìn)行軸力分析，如圖6所示，充填體剛過工作面時，錨桿的軸力約為13 kN，隨著工作面的推進(jìn)，后方頂板逐漸破斷下沉，錨桿軸力在距工作面0～50 m范圍內(nèi)迅速增大，最終穩(wěn)定在84 kN左右不再變化，表明加固后的充填體未發(fā)生破壞，承載性能較強(qiáng)。巷道穩(wěn)定后的頂板最大下沉量為240 mm，充填體最大變形量為100 mm，表明加固技術(shù)能夠保證充填體的穩(wěn)定性，且適應(yīng)性較強(qiáng)。

圖6 巷旁支護(hù)體錨桿受力變化曲線

5 結(jié) 語

1) 通過UDEC6.0數(shù)值模擬軟件，分析了鋼筋梯子梁直徑對充填體穩(wěn)定性的影響，確定直徑16 mm的鋼筋梯子梁對充填體的加固效果最佳。

2) 通過UDEC6.0數(shù)值模擬軟件，分析了補(bǔ)強(qiáng)錨桿數(shù)量及直徑對充填體穩(wěn)定性的影響，確定充填體支護(hù)錨桿直徑為22 mm，每排數(shù)量為3根。

3) 根據(jù)模擬結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際對巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)進(jìn)行了設(shè)計，現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明：巷道穩(wěn)定后頂板最大下沉量為240 mm，充填體最大變形量為100 mm，取得了良好的應(yīng)用效果。