貴州沿空留巷支護技術的分析與改進

韓森 劉萍 王沉 康向濤

文章編號? 1000-5269（2024）01-0072-06

DOI：10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2024.01.11

收稿日期：2022-11-05

基金項目：國家自然科學基金資助項目（52174072）；貴州省科技計劃資助項目 （黔科合基礎[2020]1Z047）

作者簡介：韓? 森（1986—），男，實驗師，碩士，研究方向：巖石力學與巖層控制，E-mail：hansen6891@126.com.

*通訊作者：韓? 森，E-mail：hansen6891@126.com.

摘? 要：針對貴州某煤礦沿空留巷在原有支護條件下，靠上幫一側頂板以及下幫底角的巖層變形破壞較嚴重的情況，對巷道支護方式進行改進。利用數值模擬軟件，對改進支護后的巷道圍巖變形破壞情況進行分析。研究發現：改進支護后的巷道圍巖變形破壞情況得到明顯改善，改進后的支護方式能夠較好地阻滯巷道上幫一側頂板和下幫底角的巖層嚴重變形破壞，從而保持巷道圍巖的完整性和穩定性，研究可為類似條件礦井沿空留巷的支護方式提供參考。

關鍵詞：沿空留巷；圍巖變形破壞；數值模擬；支護改進

中圖分類號：TD353

文獻標志碼：A

沿空留巷無煤柱護巷技術不僅能降低礦井巷道掘進量，節約掘進費用，使采掘接續緊張狀況得到緩解，而且能提高煤炭資源采出率、延長礦井服務年限，具有顯著的技術優勢和經濟效益［1-5］。然而沿空留巷巷道要經受2次采動影響，巷道礦壓顯現劇烈，巷道圍巖呈現非對稱變形破壞的特點，維護難度大。沿空留巷巷道圍巖變形與破壞問題制約著留巷的發展，因此，沿空留巷巷道圍巖變形機理以及圍巖控制一直是學者們研究的熱點問題，同時獲得了一系列重要成果。

柏建彪等［6］從應力控制與圍巖強化角度分析了高水充填留巷圍巖在巷道掘進、工作面超前采動、留巷圍巖調整和鄰近工作面復用4個階段的應力與變形特征，提出了“基本頂二次破斷”的覆巖頂板運動特征。苗凱軍等［7］建立了厚硬頂板條件下充填開采沿空留巷結構力學模型，提出了保證留巷側采空區充填、增強采空區側矸石墻強度以及優化矸石墻支護參數的沿空留巷大變形控制途徑。王俊峰等［3］對工作面回采時沿空留巷圍巖偏應力和塑性區的分布及其演化規律進行了研究，揭示了沿空留巷圍巖在工作面回采擾動條件下的非對稱變形破壞機制。王凱等［8］針對軟弱厚煤層綜放開采沿空留巷動壓顯現明顯、頂板不均勻切項下沉等問題，提出了沿煤層頂板沿空留巷變形協同支護體系。于光遠等［9］針對沿空留巷底鼓問題，分析了沿空留巷底鼓的變形特征和力學機理，提出了切頂卸壓、柔性讓壓、補強錨索控頂和雙控錨桿控幫相結合的沿空留巷底鼓大變形控制技術。王平等［10］針對深井工作面沿空留巷，提出了以矸石墻+鋼管混凝土立柱為主的巷旁支護結構和先固頂、再護幫、后控底的沿空留巷圍巖控制原則。

本文針對貴州某煤礦沿空留巷在原護巷方式下巷道圍巖變形破壞嚴重的情況，對該巷道支護方式進行針對性加強，并利用真實破裂過程分析（realistic failure process analysis，RFPA）軟件對改進后的巷道圍巖支護效果進行分析驗證，為類似條件下的沿空留巷巷道圍巖控制技術和方法提供支撐。

1? 回采工作面及沿空留巷支護

1.1? 回采工作面

貴州某煤礦1232采煤工作面運輸平巷采用沿空留巷無煤柱護巷技術，在1232采面回采完成后作為下區段的回風平巷。1232采面回采煤層為3#煤，埋藏深度約216 m，煤層平均厚度約2.3 m，平均傾角約30°。煤層頂板巖性為灰色粉砂巖，夾雜粉砂質泥巖，底板以灰色粉砂巖為主。1232采面采煤方法為走向長壁后退式，采煤工藝為綜合機械化開采，采空區頂板處理方式為全部垮落法。工作面斜長180 m，走向長1 010 m，工作面實際開采高度2.3 m。1232采面運輸平巷沿空留巷斷面積為13.95 m2，巷道斷面具體形狀和尺寸如圖1所示。

1.2? 沿空留巷現場維護情況和效果

1232采面運輸平巷剛開掘完成并投入使用時的支護方式為錨網支護，使用直徑20 mm、長度2 m的樹脂錨桿，規格為1 800 mm×900 mm的鋼筋網，錨桿間排距為800 mm×800 mm，除底錨桿是以15°向下扎外，其余錨桿均與巷道輪廓線成90°垂直布置。

1232采面運輸平巷沿空留巷原護巷方式：在1232采面前方50 m的運輸平巷上幫邊緣靠近采空區側的位置，沿巷道軸向布置長度為4.2 m的W鋼帶，并用直徑15.5 mm、長度8 m的錨索固定；沿巷道上幫采空區邊緣布置一道密閉墻，密閉墻由內部裝滿矸石的編織袋堆砌而成，墻厚為1.0 m；在運輸平巷內靠巷道上幫位置處，每隔6 m設置一組規格為1 400 mm×200 mm×200 mm的木垛，以防止采空區矸石下滑；在采空區下方布置一排木點柱，柱與柱之間相隔0.8 m，木點柱直徑為200 mm；在運輸平巷內布置工字鋼棚梁，棚梁間距為0.8 m，長度為4.5 m，在巷道兩邊各采用一根單體液壓支柱對工字鋼棚梁進行支撐，另外在距離下幫1.6 m處巷道中部位置，采用單體液壓支柱配合金屬鉸接頂梁對工字鋼棚梁加以支撐。沿空留巷原支護斷面如圖2所示。

通過現場調查，并對原支護下的1232采面運輸平巷沿空留巷巷道圍巖變形破壞情況進行數值模擬分析［11］，發現按照原支護方式進行支護后，巷道頂板靠上幫一側以及下幫底角的圍巖變形破壞較為嚴重，巷道底板比較破碎。同時，在巷道底板變形破碎的過程中，巷內支護由于底部失穩使得支護效果變差甚至失效，導致巷道變形破壞程度進一步加劇，沿空留巷巷道總體支護效果不理想。

1.3? 沿空留巷巷道支護改進

針對上述1232采面運輸平巷沿空留巷巷道在原支護條件下的變形破壞情況，同時考慮到原沿空留巷采用木垛+編織袋的巷旁支護方法存在支護阻力小、穩定性差等缺點，擬在前述巷道支護的基礎上，采用更加有效的巷旁支護手段代替木垛和編織袋。注漿支護對破裂巖體具有充填和粘結作用，可通過提高破裂圍巖的完整性來提高圍巖強度，特別是錨注具有網絡和函拱效應，可提高圍巖的自我承載能力和穩定性［12-17］。因此在巷道底板補打注漿錨桿，對底板進行注漿加固。

目前常用的巷旁支護新材料和新技術主要為高水速凝材料及膏體材料巷旁支護技術，其優點是支護阻力大、增阻速度快，適量可縮，巷道維護效果好［18］。本次巷旁支護改進采用高水材料充填體，根據巷道實際賦存條件確定高水材料充填體規格為：墻高2.3 m，寬2.0 m，墻體在充填前必須保證找到實底，而且充填要到頂到底。充填材料選用ZKD型高水速凝材料［19］，由主料和配料兩部分組成，其中主料選用硫鋁酸鹽水泥熟料作為基材，并與懸浮劑及少量超緩凝劑混合而成，配料由石灰、石膏、懸浮劑和復合速凝增早強劑等混合而成。主料和配料的配比為1∶1，水與高水速凝材料的配比為4∶1。

注漿錨桿采用直徑為25 mm的R25號注漿錨桿，長度為2 m，注漿孔深度要求達到2.5 m，孔間排距3.2 m，注漿終壓為1.0 MPa。固化劑選用ZKD型高水速凝材料，水灰比為1.5∶1［20］。底角錨桿在層狀巖石中盡量與巖層面呈90°垂直布置。

2? 數值模型構建

利用RFPA數值模擬軟件，對改進支護方案后1232采面運輸平巷沿空留巷的圍巖變形破壞情況進行模擬。

2.1? 數值模型塊體

根據1232采面運輸平巷沿空留巷實際地質條件以及改進后的支護方案進行模型構建，煤巖層細觀單元力學性質符合韋伯分布。模型尺寸規格為50 m×40 m，總共劃分32 000（200×160）個網格，邊界條件為水平固定，垂直方向施加等效載荷，考慮重力影響。1232采面頂底板巖層及煤體經擬合轉換后的力學參數如表1所示。

2.2? 數值模型力學參數

改進后的1232采面運輸平巷沿空留巷支護方式包括錨網、錨索配合W鋼帶、單體液壓支柱、工字鋼棚梁、高水材料充填體、注漿錨桿。其中，規格為Φ20×2 000 mm樹脂錨桿的錨固力為31.72 kN，錨索的錨固力大于120 kN；單體液壓支柱的支撐力為30 t；高水材料充填體在模型中為巷道采空區一側的實體，其單軸抗壓強度可達17.1 MPa。底板補打R25號注漿錨桿，錨固力為100 kN。改進支護后1232采面運輸平巷沿空留巷數值模擬原始模型如圖3所示。

3? 數值模擬結果及分析

3.1? 數值模擬結果

通過數值模擬計算，繪制改進支護后的1232采面運輸平巷沿空留巷圍巖的最大主應力圖、最小主應力圖、X方向應力場圖、Y方向應力場圖，并與原支護方式下運算到相同時步時的巷道圍巖變形破壞的數值模擬計算結果進行對比，結果如圖4所示。

3.2? 結果分析

由圖4（a）（b）可以看出：改進支護后的沿空留巷巷道圍巖應力集中范圍明顯小于原支護。原支護方式的主應力的應力方向發生了一定偏轉，最大主應力與豎直方向呈一定夾角，巷道上方應力偏向于3#煤層采空區一側，下方應力偏向于巷道靠煤幫底角一側；而改進支護后的巷道圍巖主應力方向沒有發生偏轉，均勻地分布于巷道頂底板。這也從應力集中角度解釋了原支護狀態下巷道上幫一側以及巷道底板特別是巷道下幫底角變形破壞情況嚴重，而改進支護后的巷道圍巖變形破壞情況得到改善的原因。

由圖4（c）（d）可以看出：改進支護后的巷道圍巖附近黑色網格點（巖層破碎網格點）非常少，僅稀疏分布在巷道底板巖層中；而原支護條件下，黑色網格點集中分布于巷道靠上幫一側頂板，以及巷道底板巖層特別是巷道下幫底角位置。改進支護后巷道圍巖黑色網格點數量明顯少于原支護，說明改進后的支護方式能夠較好地阻滯巷道上幫一側頂板和下幫底角的巖層嚴重變形破壞，從而保持巷道圍巖的完整性和穩定性，使得改進支護后的巷道圍巖變形破壞情況明顯改善。

綜上所述，在1232采面運輸平巷沿空留巷原支護方式的基礎上，采用高水材料充填巷旁支護以及巷道底板補打注漿錨桿并進行注漿后，巷道整體圍巖強度得到提高，巷道底板破碎程度得到降低，巷道圍巖變形破壞得到有效控制。

4? 結論

1）在1232采面運輸平巷沿空留巷原支護的基礎上，進行高水材料充填巷旁支護以及巷道底板補打注漿錨桿并進行注漿，對原支護方式進行改進。

2）通過RFPA數值模擬，對改進支護后的沿空留巷巷道圍巖變形情況進行數值分析，發現改進支護后的巷道圍巖破碎網格點僅稀疏分布在巷道底板巖層中，而集中應力均勻分布于巷道頂底板。

3）改進后的支護方式能夠較好地阻滯巷道上幫一側頂板和下幫底角的巖層嚴重變形破壞，從而保持巷道圍巖的完整性和穩定性。

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（責任編輯：周曉南）

Analysis and Improvement of Gob-Side Entry Retaining

Support Technology in Guizhou

HAN Sen*1，4， LIU Ping1，2，3，4， WANG Chen1， KANG Xiangtao1

（1.Mining College， Guizhou University， Guiyang 550025， China;2.Guizhou Key Laboratory of Comprehensive

Utilization of Non-metallic Mineral Resources， Guiyang 550025， China；3.Guizhou Engineering

Lab of Mineral Resources， Guiyang 550025， China；4.Engineering Center for Safe Mining Technology Under Complex Geologic Conditions， Guiyang 550025， China）

Abstract：

In view of the serious deformation and failure of the roof of the upper side and the bottom corner of the lower side under the original support conditions of a gob-side entry retaining in a coal mine in Guizhou， measures are taken to improve the roadway support mode. The numerical simulation software is used to analyze the deformation and failure of roadway surrounding rock after improving the support. It is found that the broken condition of roadway surrounding rock is obviously strengthened under the improved support， which can better block the serious deformation and damage of the roof rock on the upper side of roadway and the bottom angle of the lower side， so as to maintain the integrity and stability of roadway surrounding rock. The research can provide reference for the support of gob-side entry retaining under similar conditions.

Key words：

gob-side entry retaining; surrounding rock deformation and failure; numerical simulation; support improvement