半煤岩巷联合支护留巷技术研究与应用

王 学

（华润煤业有限公司，山西 太原 030000)

1 概况

青龙同昌煤矿设计生产能力90万t/a，9107工作面回采长度800m，切眼长度165m，地面标高+945.9m～1016.6m，井下工作面顶板标高+772m～869m。9号煤层及顶底板情况如表1所示。

9107工作面采用半煤岩巷沿空留巷技术。当煤层较薄时，由于顶板回转空间小，断裂难度大，向充填体和煤壁传递了大量荷载。为维持巷道围岩稳定，需要在支护体让压的过程中，提升支护体刚度。在充填体强度极限内完成切顶。

2 巷旁支护体设计

2.1 巷旁充填体特征

巷旁支护体紧跟工作面构筑，早期强度增加快，与巷内支护共同减少巷道内直接顶与上部基本顶离层。随着回采面的推进，巷旁支护体在基本顶破断时支护阻力应能切断采空区侧基本顶。巷旁支护体具有一定的可缩量，适应上位岩层取得平衡前的急剧沉降。巷道围岩稳定后，通过巷旁支护体后期支护阻力维持巷道上方已切断岩层平衡。

表1 9号煤层顶底板岩性描述表

2.2 沿空留巷支护体模型的建立

以板的中间破断线位置所做的剖面，得到弹性基础梁模型。控顶范围随回采面的推进而扩大，巷旁支护体支护阻力应使基本顶最大弯矩达到极限弯矩，切断基本顶。由于巷内支护阻力较小忽略不计，得到模型如图1。

图1 巷旁支护体与顶板作用模型

在巷旁支护体切断顶板岩层前，矸石对块体AC的支撑力为0，在采空区侧沿岩层方向的推力Tc为：

式中：

α-煤层倾角，°；

L-AC岩块长度，m；

qAC-AC岩块单位长度重量，kg/m；

hAC-AC岩块的厚度，m；

ΔSC-AC岩块切断时C端的下沉量，m。

因采空区上方岩层普遍离层，忽略其间剪力。将基本顶重力沿平行岩层和垂直岩层方向分成两个分力[1]。基本顶上部软岩重力，均匀加到基本顶上。基本顶以煤体弹塑性交界处为旋轴向采空区侧旋转倾斜。得出煤体支承压力σy和应力极限平衡区宽度х0计算式为：

式中：

C0-煤层与顶底板岩层交界面的粘聚力，MPa；

φ0-煤层与顶底板岩层交界面的内摩擦角，°；

Px-支架对煤帮的支护阻力，kN；

A-侧压系数；

M-采高，m；

H-开采深度，m；

γ-上覆岩层平均容重，kN/m3；

k-应力集中系数[2]。

2.3 巷旁支护阻力计算

根据图1，用平衡法对AB、BC两岩块分别建立力学方程。

BC岩块，垂直于倾角α方向，∑Fn=0，得：

平行于α方向，∑Fs=0 ，得：

∑MB=0 ，得：

AB岩块，∑MA=0 ，得

式中：

α-煤层倾角，°；

c-巷道宽度，m；

d-巷旁支护体宽度，m；

h-基本顶岩层厚度，m；

Pq-巷旁支护体的切顶阻力，kN；

ML-基本顶岩层的极限弯矩，kN·m；

M0-A端基本顶的残余弯矩，kN·m；

q-基本顶及其上部软弱岩层单位长度的自重，kg·m；

q0-直接顶单位长度自重，kg·m；

ΔSB-基本顶垮落前B端的下沉量，m[3]。

煤层最大埋深300m，倾角3°，工作面长160m，平均采高1.45m，基本顶平均厚度10.7m，直接顶平均厚度5.2m，周期来压步距15m，上覆岩层容重为25kN/m3，应力集中系数为3.0，基本顶岩层抗拉强度取值为8MPa，侧压系数0.4，煤层粘聚力3MPa，内摩擦角30°，锚杆支护阻力设计0.1MPa，巷道高2.6m，留巷宽度4m[4]。采用MATLAB软件详细计算过程如图2所示。

图2 MATLAB软件计算截图

得到切顶阻力为4.88MN/m。现场施工时，按6MPa设计充填体平均强度，则在巷内充填时所需的充填体宽度理论计算值为0.82m。再基于以往工程实践，考虑安全系数1.5，初步设计确定巷旁支护体宽度为1.2m。

3 围岩控制技术与方案

3.1 留巷段辅助加强支护技术与方案

工作面回采后，在工作面支架拉架后紧跟工作面支架打3排单体柱，单体柱间距800mm，排距1000mm，单体距离巷道边缘400mm。靠近采空区打一排密集单体，单体柱间距400mm，距离充填体800mm并挂网挡住采空区矸石。在工作面回采及留巷期间，顶板活动强烈。因此，需要三排单体液压支柱在工作面后方100m附近加强支护。在充填体采空区侧架设“单体液压支柱+Π型钢梁”临时支护。工作面后方加强支护参数为：Π型钢梁、铁鞋、单体液压支柱，柱距为1.0m，排距为1.0m，边柱距两帮距离为1m，每排打3根单体液压支柱支护[5]。当工作面支架距离充填体距离超过4m即可进行充填作业，充填体距支架距离不允许超过5m。单体液压支柱加强支护见图3。

图3 留巷段辅助加强支护

3.2 充填体加强支护技术与方案

9#煤层平均厚度为1.4m，9#煤层沿空留巷巷旁充填体宽度为1.2m，充填体高度为1.4m。按照每个生产班推进7m计算，每次充填长度为3.5m，分2次充填。

为了附加充填体的强度和刚度，在充填体内布置对拉锚杆。对拉钢筋1.3m长，为Ф20mm的RHB400螺纹钢，钢筋梯子梁0.8m，由Ф14mm圆钢焊制，对拉钢筋间排距800mm×900mm，上部对拉锚杆距顶板300mm，下部对拉锚杆距底板300mm。

充填体采用水灰比1.5:1的无机材料构筑，每个充填体尺寸为3.5m×1.3m×1.4m（长×宽×高），体积为5.04m3，需要无机高水充填材料2.8t，设计充填袋大小为3.8m×1.3m×1.8m（长×宽×高）。

4 结 论

结合同昌煤矿地质条件，通过理论计算和数值模拟确定充填体宽度为1.2m，在此基础上设计了整套联合支护方案。通过现场测得围岩相对移进量如图4所示。分析观测结果可以看出，沿空留巷围岩变形量随着与工作面距离的增加而增加，其中两帮变形量明显大于顶底板变形量，充填体侧顶底板变形量大于实体煤帮侧。与工作面相距80m后，顶底板与两帮相对移近量均达到稳定值，分别为344mm、118mm和440mm，都在可允许变形范围内。

图4 围岩变形量曲线