柔模墙体沿空留巷合理宽度设计及应用

王志强，李 航，，李敬凯，王德秋，林 陆，，李永立

(1.中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100083；2.中俄动力学研究中心，北京 100083；3.北京天地华泰矿业管理股份有限公司，北京 100013)

近年来，为提高煤炭回采率、减少巷道掘进以及降低资源浪费，我国在许多生产地质条件适宜的矿井不断推行沿空留巷开采技术[1]。许兴亮等[2]研究了小煤柱留巷时的覆岩演化，从而提出在煤柱的留设宽度合理时，可以达到变形很小的沿空留巷效果。张磊等[3]分析了充填体与现场工艺结合、围岩实施压力规律，认为在充填体的支护下可以达到承受顶板来压的目的。王德超、王卫军等[4，5]研究了在沿空留巷条件下煤柱留设宽度的计算公式。李胜、康红普等[6，7]针对沿空留巷顶板下沉问题，研究了沿空留巷矿压规律，提出了顶板控制机理与留巷支护技术。总结已有研究成果，不同地质条件、煤层存赋状况及技术装备水平下，沿空留巷开采技术各有其针对性[8-10]。柔模混凝土沿空留巷技术在实现无煤柱开采的同时不仅能显著提升生产安全系数，更能高效实现矿井生产的技术与经济指标[11，12]。何东升、王俊峰等[13，14]提出用柔模混凝土代替煤柱实现煤层沿空留巷的效果，证实了柔模混凝土作为充填体的实用性与经济性。郝晓飞和谷丽东等[15，16]研究了柔模混凝土在沿空留巷下的应力承受范围及变化特征，表明窄柔模墙体在临时支护与超前及时支护的条件下抗压效果良好。与此同时，随着煤炭资源开发往西部矿区转移，浅埋煤层成为很多矿井的主力开采煤层[17]。相较于传统工作面，浅埋煤层工作面开采技术及矿压显现等呈现出显著差异性[18]。因此浅埋煤层柔模混凝土沿空留巷技术研究与应用成为热点问题。本文以五家沟煤矿15301工作面为工程背景，通过数值模拟、理论研究与现场工业性试验为手段，确定浅埋煤层工作面柔模混凝土墙体的合理留设宽度。研究成果可为相同地质及开采技术条件的矿井提供充分理论及技术支持。

1 工程概况

五家沟煤矿15301工作面主采5-1号煤，工作面煤层埋深210m左右，属于浅埋煤层工作面。工作面平均煤厚10.5m，走向长度为1408.3m，倾斜长度为214.5m，采用放顶煤开采工艺，直接垮落法处理顶板。

15301工作面东部为三条大巷；南部为未采区；西部有19m煤柱区域；北部为15303设计工作面(实体煤)，工作面与巷道布置如图1所示。煤柱支护沿空留巷会造成大量资源损失。为有效解决工作面回采浪费问题，结合现场数据，对柔模支护墙体宽度进行确定，实现无煤柱开采。

图1 工作面与巷道布置

2 数值模拟分析

2.1 模型建立

采用FLAC3D软件进行沿空留巷数值模拟分析，以验证在煤层工作面进行沿空留巷设计的可靠性，同时确定柔模墙体的合理留设宽度。数值模型建立根据实际工程情况而设定，模型尺寸306m×100m×155m(长×宽×高)，上边界为自由边界，其余边界均为零位移。根据煤层埋深施加在模型顶部施加5MPa垂直载荷，煤层层厚10.5m，直接顶厚为4.6m，基本顶厚为29m，直接底及基本底厚为31m，其余上下边界都按平均岩层来处理。模型各煤岩层地质条件参数见表1。

表1 煤岩层地质条件参数

2.2 数值模拟方案

该方案对15301工作面受采动影响下进行数值模拟：根据实际工程情况，原巷道宽为6.0m，高为3m，将其赋予空模型，在工作面推进50m时，分别对墙体厚度为1.0m、1.2m、1.5m、2.0m进行数值模拟。通过工作面开挖后分析模拟不同墙体厚度时的墙体自身应力、巷道周边应力及顶底板位移情况，得出最适合工况的墙体厚度。

2.3 模拟结果分析

2.3.1 垂直与水平应力分析

随工作面推进，巷内浇筑4种厚度墙体时，对墙体及巷道在工作面回采动压影响下进行计算机模拟，垂直与水平应力模拟结果如图2所示。

图2 应力演化云图

工作面推进50m的过程中，滞后留设巷旁墙体，通过留巷巷道的垂直与水平应力云图，当柔模墙体厚度为1.0m、1.2m、1.5m、2.0m时，巷道顶板中部2m范围为顶板应力释放区，垂直应力分别为3.5MPa、2.6MPa、1.8MPa、1.5MPa，副帮垂直应力集中范围应力分别为22MPa、18MPa、20MPa、21MPa，但副帮水平应力偏小，在4.0MPa上下波动，墙体垂直应力分别为7MPa、5MPa、3MPa、4MPa，巷道底板应力偏小且变化不明显。巷道副帮垂直应力较大，应加强两帮巷道支护。

2.3.2 垂直与水平位移分析

随工作面推进，巷内浇筑4种厚度墙体时，对墙体及巷道在工作面回采动压影响下进行计算机模拟，垂直与水平位移模拟结果如图3所示。

图3 位移演化云图

工作面推进50m的过程中，滞后留设巷旁墙体，通过垂直与水平位移云图，当柔模墙体厚度分别为1.0m、1.2m、1.5m、2.0m时，巷道顶板下沉量分别为50cm、38cm、23cm、20cm，副帮水平位移量分别为22cm、18cm、20cm、17cm。

对四种厚度墙体进行计算机模拟后，通过云图及分析数据可以得出：随着墙体厚度增大，巷道顶板应力集中范围明显减小，顶板下沉量普遍降低。但巷道浇筑2.0m的墙体较1.5m时，其顶板应力与顶板位移下降幅度大大减小。由于1.5m支护的支撑荷载、顶底板及两帮位移量已经满足要求，虽然留设2.0m墙体后，巷道下沉量变小，考虑到经济因素结合效果来看，建议选择1.5m墙体作为留巷巷旁支护。

3 柔模墙体宽度理论验算

3.1 支护体载荷计算

充填墙体支护的力学模型如图4所示，柔模充填体位于工作面煤体高压与采空区冒顶中央，冒落矸石的采空区呈现出关键自由面，岩体会由于下沉在高度H处出现离层，引起岩体沿实煤发生θ角折断，成为完全自由状态，给充填墙体带来新的矿压，对其进行“分离岩块法”理论计算以验证充填体合理宽度。“分离岩块法”认为：①岩块两边的剪切角相同；②将支护上层顶板位置的岩块当做合力为零的刚体，在岩块上三力作用线相互平行；③在力作用面上任意点的力矩相加、平衡抵消。

图4 理论计算模型

载荷计算如式(1)所示：

(1)

式中，q为支护体载荷，MPa；h为有效采高，取3.85m；θ为剪切角，根据经验取26°；bB为支护体内侧到煤壁的距离，取5.0m；x为支护体的宽度，取1.5m；bC为支护体外侧悬顶距，取0.3m；γs为岩块重度，取24kN/m3；α为煤层倾角，取3°。

根据分离岩块法的计算及15301工作面的相关参数，计算可得支护厚度为1.5m时，支护体上的载荷为q=2.1MPa。最终确定支护体宽度取1.5m，动压影响系数取3，故顶板作用在柔模混凝土墙体上的围岩压力为9450kN/m。

3.2 柔模混凝土墙承载力验算

从素混凝土来看，柔模混凝土不仅刚性较好，且初期的可伸缩性得到提高。在应用监测到的横向伸缩变形是因为支护墙体的纵向达到抗压强度以后引起的，充填墙体的应力-应变变化正是由于墙体所受应力大于自身抗压强度而发生变形，故引起强化反应。支护墙体的承载力计算公式如下：

N2=0.9(fc+4σr)Acor

(2)

式中，N2为巷旁支护的承载能力，kN；fc为混凝土抗压强度设计值，取19.1MPa；σr为锚栓套箍作用产生的有效约束力，MPa；Acor为环向包裹内混凝土面积，取1200m2。

锚栓的约束应力计算公式为：

(3)

式中，d为锚栓直径，取22mm；σb为钢筋抗拉强度设计值，取435MPa；a1，a2为锚栓的间排距，分别取700mm、750mm。

计算可得锚栓的约束应力σr=0.31MPa，柔模混凝土墙体的承载能力为N2=21967.2kN/m。综上计算，采用“分离岩块法”理论计算得到岩块矿压为9450kN/m，混凝土墙承载力验算得到墙体的承载能力为21967.2kN/m，大于留巷的最大载荷9450kN/m(安全系数为2.3)，最终确定柔模充填墙体宽度为1.5m，验证了数值模拟研究结果的准确性。

3.3 巷旁墙体参数

根据15301工作面的地质与开采条件，沿空留巷墙体参数设置为：沿空留巷墙体浇筑于巷内，巷道底板掏槽深200mm并清底到实底，柔模墙体的合理宽度是1.5m。在充填体上装有锚栓，使得柔模支护不易发生水平变形，有效控制墙体位移。锚栓规格为∅22mm×1100mm等强锚杆，托板采用200mm×200mm×16mm钢板，打圆角半径为50mm。巷旁墙体支护如图5所示。

图5 巷旁墙体支护(mm)

4 工程应用

4.1 柔模混凝土制备输送机组

柔模混凝土输送方式由两方面构成：一是在地面干料制备站对水泥、砂子、石子等干组成材料进行配比；二是通过巷道在井下运输至井下制备站进行湿料搅拌，生产能力50m3/h。井下湿料制备输送站总长30m，宽度1.7m，高度2.2m，总功率220kW，最大出口压力16MPa，最远输送距离600m。

4.2 施工过程及留巷效果

在超前与滞后支护完成后，进行移架并支护浇筑空间，通过单体液压支柱挂设柔模模板。经地面干料运输至井下进行配比湿料后泵注混凝土，之后对柔模充填墙体进行留巷监测，支护稳定以后滞后段开始回柱，随即进入下个循环。

4.3 沿空留巷矿井系统技术

4.3.1 Y型通风技术

沿空留巷Y型通风巷道布置如图6所示，通过柔模支护技术进行沿空留巷，形成的三条巷道都用于通风系统，从两巷U型变为两进一回“Y型”通风方式，相邻工作面切眼和巷道提前成巷，且已为回采工作面通风系统服务，从两条运输平巷进风，污风从实体煤侧回风巷排出。

图6 沿空留巷Y型通风巷道布置

4.3.2 沿空留巷埋管抽采技术

保持原本煤层预抽等抽采措施不变。留巷过程中，在墙体上预埋管，进行低负压大流量抽采，对回采线后30m周围的采空区瓦斯气体进行抽采，保证隅角瓦斯不超限，滞后30m以后采用混凝土充填预埋管。墙体预埋管直径为∅219mm，壁厚不小于5mm。预埋管采空区侧设置钢筋网隔栅，留巷侧设置法兰，内外表面喷涂防火漆，埋管间距3～6m。

4.3.3 埋管排水技术

由于煤矿的地质条件，存在顶板淋水的问题，故确保埋管排水技术的高效应用成为预防水害的关键。沿空留巷以后，通过墙体预埋管将采空区积水通过管道有序排走，保障受承压水等影响工作面开采安全。

4.4 经济效益

窄柔模混凝土巷旁支护实现沿空留巷，有利于提高煤炭采出率、增强巷道支护稳定性、促进采掘关系及提升矿井服务年限，整体提高矿井安全性与经济性。按煤矿15301工作面留巷长度1400m计算，沿空留巷直接费用6212元/m，新掘进工作面巷道费用平均3500元/m，增加成本380万元；回收沿空留巷煤柱按10m计算，可回收煤炭资源17.5万t，煤炭效益230元/t，可创收4025万元。综上，柔模支护沿空留巷技术前期需要购置设备设施，投资约602万元，可产生效益约3043万元，为矿井带来很大收益。

5 结 论

1)结合煤矿地质与工作面现场条件，在采动影响下分别对厚度为1.0m、1.2m、1.5m、2.0m的柔模墙体进行FLAC3D数值模拟。通过云图及分析数据结果得到：柔模墙体宽度大于1.5m时，墙体及围岩应力集中情况、巷道围岩变形量趋于稳定，且巷道围岩稳定性较好，综合考虑经济安全效益，建议选用1.5m墙体作为15301工作面运输巷留巷墙体厚度。

2)根据充填墙体支护的力学模型，对其进行“分离岩块法”理论计算来对模拟结果为1.5m的柔模墙宽度进行验证，经计算岩块矿压为9450kN/m，由柔模墙承载力验算得每延米柔模墙的承载能力为21967.2kN/m，故安全系数为2.3，稳定可靠。

3)结合矿井系统新技术，五家沟煤矿15301工作面的现场工艺与留巷效果表明，宽度为1.5m的柔模混凝土墙体巷旁支护沿空留巷效果显著，整体提高矿井的安全性。经费用计算得，柔模支护沿空留巷技术可创收约3043万元，经济效益十分可观，具有良好的推广应用前景。