金达矿柔模混凝土沿空留巷巷旁支护技术应用研究

2020-08-20庞启云

同煤科技 2020年4期

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。