柔模混凝土在唐安煤矿沿空留巷应用研究

王金红

(中煤华晋集团韩咀煤业有限公司，山西 临汾 043700)

中国作为产煤大国，同时又是煤炭消耗大国，煤炭资源回收率却依然低于其他发达国家。因此，提高煤炭回收率是我国煤炭行业目前急需解决的问题。沿空留巷技术对解决这一问题有重要的现实意义[1]，沿空留巷是指在上一工作面回采完成后，对回采遗留的巷道进行维护，为下一工作面提供生产回采所需巷道，充分对煤柱进行回采，保证煤炭资源的回收率。目前沿空留巷主要技术问题是对巷道的支护及维护。国内外学者对近水平综采及综放开采的沿空留巷顶板活动规律、巷旁支护方式、沿空留巷工艺及留巷围岩控制进行了研究[2-4]，但目前研究所得结论大多是一些定性的，再加上在不同的地质条件下，其沿空留巷顶板活动规律、巷旁支护方式是有一定差异的。本文通过对唐安煤矿3307工作面做沿空留巷试验，针对柔模混凝土墙体的支护能力得出一些定量的结论，并且为类似地质条件背景下巷道的锚杆锚索支护提供了一定的理论依据。

1 工程概况

唐安煤矿位于高平市马村镇境内，目前分公司对3号煤层进行开采，该煤层上下岩层岩性如表1所示。3号煤层采用综合机械化采煤法，三盘区首采工作面3301正在末采，3308为接续工作面，3308工作面回采完成后，接续面为北翼3307工作面。由于留巷必须形成Y型通风，考虑到时间因素，因此三盘区只能从3307工作面开始进行沿空留巷试验，将其轨道巷作为相邻工作面的胶带巷。

表1 顶底板物理力学特性

2 巷旁支护设计

2.1 沿空留巷压力计算

为对沿空留巷进行支护设计，需要对巷道顶板压力进行计算，通过采用分离岩块法来对沿空留巷上覆岩层所产生的应力进行计算，该方法的依据为对沿空留巷及巷旁支护上覆岩层进行分离，计算巷旁支护体上覆载荷。巷旁支护位于未采煤体高压区与垮落煤矸石之间，属于卸压区。块体一侧的采空区提供了一个主要的自由表面。沿空留巷巷旁支护矿压计算模型如图1所示。

图1 分离岩块法计算模型

计算公式为：

式中:H为顶板垮落带高度，岩层碎胀系数取1.25，则顶板垮落高度为4 h，即22 m；θ为剪切角，根据经验选取26°；h为有效采高，取5.5 m；γ为顶板分离岩块容重，取25 kN/m3；bC为巷旁支护外侧悬顶距，取0.5 m；x为巷旁支护宽度，取1.4 m；bB实体煤距巷旁支护的距离，即留巷宽度取4.4 m；q巷旁支护体所受载荷；计算可得，巷旁支护承受的载荷为：

Q1=4 127 kN/m

巷道两侧支护体上的荷载来源于直接顶分离岩块的重量和直接顶顶板上主顶板旋转引起的动压，传统的观点是通过实测的方法测量所谓的动荷系数η。根据综采经验数据，η一般情况下为1 ～ 2，沿空留巷边支护设计为2，因此巷道边支护的最大载荷为:

Q2=2Q1=2×4 127=8 254 kN/m

2.2 墙体承载力验算

柔模混凝土是主要通过混合纤维来增加其延展性及抗压强度，因此柔模混凝土的核心部分由约束钢筋与核心混凝土构成。核心混凝土会在受到垂直应力作用下发生径向形变，在混凝土墙的变形下，使得墙内锚杆发生拉伸形变，从而使得锚杆对墙体产生一个横向的约束力，此时混凝土墙体在上覆岩层与锚杆的相互作用下处于三轴应力平衡状态。在受力初期，柔模混凝土与一般混凝土的应力-应变关系基本相同，但在应力达到一般混凝土载荷上限时，柔模混凝土的曲线会继续上升，而不会发生破碎，最后以较为稳定的趋势下降。由于柔模混凝土只有在超出一般混凝土的载荷上限时，才会表现出的较大差异，即为强化作用。因此柔模混凝土墙的计算采用如下公式：

N2=0.9(fc+4σr)Acor

锚栓的约束应力计算公式为：

式中：α1，α2为锚栓的间排距，mm；σb为钢筋抗拉强度设计值,MPa；d为锚栓直径，mm；fc为混凝土抗压强度设计值,MPa；Acor为环向包裹内混凝土面积,m2，矩形截面Acor=bh,取1 450 m2；∂r为锚栓对巷旁支护体产生的最大约束力，kN；N2为巷旁支护所能承载最大载荷，MPa；计算可得锚栓的约束应力为：

柔模混凝土墙体的承载能力为：

N2=0.9(fc+4∂r)Acor=0.9(143+4×0.14)×1 450=18 723.6 kN/m

根据柔模混凝土沿空留巷在其他矿井的实践经验，按照分离岩块法计算所得的围岩压力与留巷围岩活动稳定后墙体承受的荷载接近，为8 254 kN/m；工作面局部异常来压时(采空区见方或进入充分采动阶段)，墙体承受的荷载与叠加层板法计算所得的围岩压力接近，为15 425 kN/m。

由上所得，每延米柔模混凝土墙体的承载能力为18 723.6 kN，大于留巷稳定后的墙体荷载8 254 kN(安全系数2.2)，大于工作面局部异常来压时的最大载荷15 425 kN(安全系数1.2)，上述计算尚未考虑顶板锚网索支护结构对巷旁支护的分担荷载作用，实际安全系数更高，因此可视巷旁支护强度满足支护要求。

2.3 巷旁支护参数

根据通风要求和留巷后期使用情况，参考其他矿山留巷经验，设计沿空留巷尺寸为4 400 mm×4 200 mm，巷旁柔模混凝土墙宽度为1 400 mm，混凝土强度等级为C30，为了控制混凝土墙体发生横向形变，需对墙体进行锚杆支护，根据相关资料文献，确定采用D20 mm×1 550 mm的高强度锚杆，支护板尺寸为150 mm×150 mm×10 mm，双支护板双螺母，锚杆1 d后，预紧力矩不小于150 N·m，锚杆间距为900 mm×750 mm，巷道柔模混凝土侧支护横截面如图2所示。

图2 沿空留巷支护横断面(mm)

2.4 轨道巷支护强度验算

经专业机构认证，唐安煤矿三盘区轨道巷围岩等效为IV级。

p=rh

h=0.45×2s-1w
w=1+i(Bt-5)

式中：i为巷道宽度每增加1 m时，围岩压力增加率，以B=5的围岩垂直均布压力为准；当B<5 m时，取i=0.2；当B>5时，取i=0.1；Bt为沿空留巷实际宽度，m；w为沿空留巷宽度系数；s为巷道围岩强度等级；r为上覆岩层容重，24 kN/m3；p为上覆岩层对巷道产生的应力，kN/m2；巷道最大跨度为5.8 m，则：

w=1.08

h=0.45×2s-1w=3.9 m
p=rh=0.09 MPa

因此，为保证锚索的锚固作用，其伸入稳定岩层的长度不得小于1.5 m，且外部需留有0.3 m的端头，因此理论计算的锚索长度不得小于3.9+1.5+0.3=5.7 m，而实际锚索长度为8.3 m，满足计算要求。

轨道巷支护需要承受的最大围岩荷载为:0.09 MPa×5.8 m=522 kN/m，锚杆与一级顶板锚索的支护强度分别为:100 kN/根×7根/0.9 m=778 kN/m、440 kN/根×5根/1.8 m=1 222 kN/m，锚杆和锚索支护强度合计为2 000 kN/m，远大于围岩荷载522 kN/m，因此轨道巷支护强度满足要求。

3 工程应用

根据上述分析结果，在3307工作面运输巷实施此项技术，具体各项施工参数及施工工艺如前文所述，柔模混凝土墙体实际使用如图3(a)所示。目前三盘区3307工作面已经全部回采完毕，矿方正对3309工作面进行回采准备，在回采时，对巷道进行测点布置用了监测回采作业下巷道围压变形情况，测站设置在距3309工作面开切眼60 m处。

图3(b)为巷道位移监测站数据汇总。当测站与工作面距离为50～60 m 时，顶板、底板和固体煤壁位移增加不大，巷道围岩处于较为稳定状态，巷道的实体煤帮处的变形较为明显；测站与工作面距离为30～50 m时，此时巷道变形速率较大，而在距工作面0～30 m的变形速率较小，造成此现象的原因是超前支护控制围岩变形的效果，但实体煤壁位移不缓慢，随着工作面推进仍保持较高的增加幅度。最后，在距工作面0 m 处，实体煤壁位移145 mm，顶板位移53 mm，底鼓67 mm，顶底板总位移120 mm，巷道基本保持稳定，可满足后续回采工作。

图3 沿空留巷使用效果

4 结 语

1) 通过计算巷旁支护上的最大载荷为8 254 kN/m，而柔模混凝土墙体的承载能力为18 723.6 kN，大于留巷稳定后的墙体荷载8 254 kN，大于工作面局部异常来压时的最大载荷15 425 kN，因此柔模混凝土墙体的承载能力满足支护要求。

2) 顶板锚索的支护强度为1 222 kN/m，锚杆和锚索支护强度合计为2 000 kN/m，远大于围岩荷载522 kN/m，因此轨道巷支护强度满足要求。

3) 将上述结论用于实际巷道中，监测数据表明，巷道变形较小，基本稳定，满足实际需要。