无煤柱沿空留巷的力学分析和支护设计

摘要: 沿空留巷技术作为煤矿开采的先进技术，已被广泛应用于各大型煤矿的实际开采中。本文通过建立无煤柱沿空留巷力学模型，分析得出巷道的受力情况，并通过参数分析设计，总结出一套试用与实际应用的沿空留巷支护方案。通过采用沿空留巷技术，实现了无煤柱护巷，提高了资源采出率。

关键词：沿空留巷，无煤柱，力学分析，巷道支护

中图分类号：S611文献标识码： A

1沿空留巷力学模型建立

随着工作面的开采和不断推进，在工作面下端头处，由于该板的隅角处于直角固支状态而产生的“角”效应，使该处呈现弧形破坏，形成“弧形三角板”，“弧形三角板”的稳定与否对沿空留巷影响较大，同样，巷旁支护性能和早期支护参数要借助于“弧形三角板”结构来进行计算。设计沿空留巷支护阻力等参数时，一般考虑其极限状况，即以顶板达到危险状况的断面为截面，得到弹性基础梁模型。随着回采面的推进，控顶范围扩大，引起下位基本顶破断、失稳，巷旁支护体具有的支护阻力应使基本顶沿巷旁支护体侧的弯矩达到极限弯矩，从而切断基本顶。由于巷内支护阻力远小于巷旁支护阻力，巷内支护阻力可忽略不计。巷旁支护体与顶板相互作用的力学模型如图1所示，以板的中间破断线位置所作的剖面。

图1 沿空留巷力学模型

对上述模型作如下简化：

1) 矸石对结构块AC的支撑力为零，在采空区侧受到的剪力为Nc，沿岩层方向的推力为Tc：

(1-1)

式中―煤层倾角；L―AC岩块的长度；q―AC岩块单位长度的自重；h―AC岩块的厚度；ΔSc―AC岩块被切断时C端的下沉量。

2) 因采空区上方直接顶与基本顶之间的离层，以及基本顶之上软弱岩层与更上位岩层之间的离层，认为其间的剪力为零；

3) 基本顶的自重沿平行岩层和垂直岩层方向分解成两组力；

4) 基本顶之上的软弱岩层，均匀地加到基本顶上；

5) 基本顶以煤体弹塑界处为旋转轴向采空区侧旋转倾斜；

6) 沿空留巷下侧煤体支承压力σy和应力极限平衡区宽度x0计算式为：

(1-2)

(1-3)

式中 、―煤层与顶底板岩层交界面的粘聚力和内摩擦角； ―煤层倾角；Px―支架对煤帮的支护阻力；A ―侧压系数；M ―采高；H ―开采深度；―上覆岩层平均容重； ―应力集中系数。

2 沿空留巷技术方案

2.1支护断面设计

沿空留巷采用钢管混凝土墩柱进行支护，墩柱外侧挂钢筋网或菱形网，垒编织袋护帮，墩柱垂直顶板支设，迎山3~5°，巷道支护布置断面如图2。

图2 沿空留巷支护断面图

2.2 巷内支护方式

沿空留巷巷道要经过周期来压的影响，矿压显现明显，巷道围岩变形量大，普通的支架支护难以适应围岩的大变形，支架破坏严重、巷道维护效果较差。对于沿空留巷，巷内锚杆索网支护能够防止沿空留巷顶板的下位岩层离层、错动，防止局部冒顶，加固沿空留巷围岩表层，提高顶板强度，保持下位岩层稳定，并能够适应大范围顶板的下沉、平移运动。锚索支护的另一个作用就是能加固煤帮，提高锚固范围内煤体的抗剪能力，防止破裂煤体沿弱面所发生的错动。另外，软弱破碎煤帮经锚杆加固后，在受力变形过程中，表现出较强的可塑性，整体稳定性大大提高，可以在较大的变形范围内维持强度基本稳定，增强煤帮对顶板的支护强度和煤体的参与强度，抑制留巷期间煤帮向巷道空间的强烈位移。

2.3 巷旁支护方式

巷旁支护采用钢筋混凝土墩柱和补打锚索的支护方式的形式进行支护，墩柱支设在运输巷上帮侧，墩柱的柱距为1m，始终在沿巷道走向方向上帮安打一排锚索，锚索间距为3米，锚索托梁位置与钢带头平齐，托梁长度为0.6米。墩柱与采空填充区之间用矸石袋墙垒设，利用矸石袋墙护上帮，隔离采空区，并铺设金属网和篷布进行密闭措施，防止采空区漏风。

3结论

论文针对实际工作面顶板运动和支护作用机理进行理论分析，建立了严控留巷力学模型进行分析计算，为实际井下沿空留巷技术提供理论基础，并根据沿空留巷设计原则，设计了巷内支护和巷旁支护方案，使得无煤柱沿空留巷技术更好的适应煤层综采工作面的要求。从而缓解了生产工作面接替紧张造成的掘进压力，保证了工作面的连续和安全生产。

参考文献：

1、沿空留巷围岩结构灾变系统及控制力学模型研究，文志杰， 蒋宇静， 宋振骐等 - 湖南科技大学学报: 自然科学版, 2011，第3期 12-16页