马兰矿沿空留巷巷旁充填体加固技术研究

邓国涛

(西山煤电集团 马兰矿，山西 太原 030205)

马兰矿10604工作面位于南六采区，主采02号煤层。02号煤层位于二叠系下统山西组，煤层倾角1～8°，煤层厚度1.66～2.69 m，平均2.25 m，煤层结构复杂，结构为1.17(0.19)0.89，属稳定可采中厚煤层，普氏系数为2.0，埋深415～468 m.煤层顶底板情况如表1所示。

表1 煤层顶底板情况

10604工作面位于南六采区左翼，西南侧间隔20 m、41 m、70 m分别为南六胶带下山、东二回风大巷、南九进风大巷；
东北侧实体间隔18.27～37.58 m分别为10503、10505采空区。10604工作面两巷开口于南六轨道下山，工作面胶带巷走向长1 709 m，轨道巷走向长1 709 m，倾斜长176 m.

为尽可能回收煤炭资源，决定在10604轨道巷开展高水充填沿空留巷技术，留巷断面4.2 m×2.6 m(宽×高)，充填墙体完全置于采空区，充填墙体外侧与采煤帮保持一条线，充填体断面为2.2 m×2.6 m(宽×高)。

随着工作面的推进，沿空留巷上方基本顶逐步破断，并在工作面后方形成较大的支承压力，充填体在高应力作用下，裂隙逐渐扩展发育，严重影响了其完整性及承载性，进而影响巷道的稳定性。因此，充填体需具有较高的强度提高承载性，同时具有一定的延展性能，以吸收顶板下沉的压力。根据前人的研究成果，总结出以下4个充填体的加固机理：①充填体变形一般由自由面开始，可在自由面上施加围压；
②通过材料属性提高充填体的物理力学参数；
③提高充填体内部的完整性，使其具有较强的承载能力；
④提高充填体的可塑性，使其具有一定的让压能力，降低其破坏程度。

3.1 建立模型

为确定巷旁充填体合理的物理力学参数，采用UDEC6.0数值模拟软件的Trigon模块建立高水充填材料的试块模型。模型高200 mm、宽100 mm，采用应变软化模型进行模拟。通过不断调整参数，以使数值模拟得出的单轴压缩应力应变曲线最接近于实验得出的应力应变曲线，如图1所示，最终确定出模拟时合理的巷旁充填体物理力学参数，如表2所示。

图1 单轴压缩试块应力应变曲线

表2 充填体物理力学参数

3.2 充填体加固影响因素分析

为分析钢筋梯子梁及锚杆参数对充填体加固的影响，通过UDEC6.0建立高度为2 m、宽度为1 m的充填体模型，并采用表2的校正参数进行赋参。模拟中，采用PLANE单元模型模拟钢筋梯子梁及锚杆。

3.2.1 钢筋梯子梁直径对充填体的影响

为分析不同钢筋梯子梁直径下的充填体稳定性变化，建立3组对比模型，钢筋梯子梁的直径分别为0 mm、14 mm及16 mm，钢筋梯子梁宽度均为60 mm，充填体中均不设置锚杆。图2为不同钢筋梯子梁直径下充填体的应力应变曲线。

图2 不同钢筋梯子梁直径下充填体应力应变曲线

由图2可知，充填体无钢筋梯子梁支护时(即钢筋梯子梁直径为0 mm)，充填体最大应力值为14.5 MPa，此时的应变为0.07；
当充填体钢筋梯子梁直径为14 mm时，充填体最大应力值为16 MPa，较无钢筋梯子梁支护时增加了10.3%，此时的应变为0.08；
当充填体钢筋梯子梁直径为16 mm时，充填体最大应力值为17.6 MPa，较无钢筋梯子梁支护时增加了21.4%，此时的应变为0.3.由此可以得出，在钢筋梯子梁的支护小，充填体的承载能力得到了提升，当充填体应变超过0.3时，16 mm钢筋梯子梁对充填体的加固效果最佳。

3.2.2 锚杆数量对充填体的影响

为分析每排锚杆数量对充填体稳定性的影响，建立3组对比模型，每排锚杆的数量分别为2根、3根、4根，钢筋梯子梁直径均为16 mm，锚杆直径均为22 mm.图3为不同锚杆数量下充填体的应力应变曲线。

图3 不同锚杆数量下充填体的应力应变曲线

由图3可知，每排加固锚杆数量为2时，充填体最大应力值为15.4 MPa，此时的应变为0.08；
当每排加固锚杆数量为3时，充填体最大应力值为17.6 MPa，较2根锚杆支护时增加了14.3%，此时的应变为0.3；
当每排加固锚杆数量增加至4时，充填体最大应力值为18 MPa，较2根锚杆支护时增加了16.9%，此时的应变为0.12.由模拟结果可知，充填体的承载能力随着每排锚杆数量的增加而逐渐增强，由于3根锚杆与4根锚杆的支护效果相差不大，为降低成本，考虑采用3根锚杆的支护方式进行支护。

3.2.3 锚杆直径对充填体的影响

为分析锚杆直径对充填体稳定性的影响，建立3组对比模型，锚杆的直径分别为18 mm、20 mm、22 mm，钢筋梯子梁直径均为16 mm，每排锚杆数量为3根。图4为不同锚杆直径下充填体的应力应变曲线。

图4 不同锚杆直径下充填体的应力应变曲线

由图4可知，锚杆直径为18 mm时，充填体最大应力值为15 MPa，此时的应变为0.07；
当锚杆直径为20 mm时，充填体最大应力值为16.2 MPa，较18 mm直径锚杆支护时增加了8%，此时的应变为0.08；
当锚杆直径为22 mm时，充填体最大应力值为17.5 MPa，较18 mm直径锚杆支护时增加了16.7%，此时的应变为0.3.

由模拟结果可知，充填体的承载能力会随着锚杆直径的增大而逐渐增强，考虑选用22 mm的锚杆；
另外，随着应变的逐渐增大，充填体的应力均会不同程度地降低，出现软化现象。

4.1 巷道补强支护

顶板补强：在原顶板两排锚索之间补打锚索(原顶板有锚索的不再补打)，锚索为普通钢绞线锚索，每排3根，间排距1 600 mm×1 000 mm，锚索型号D21.8 mm×6 300 mm，锚索托板采用高强度蝶形托板，规格为300 mm×300 mm×16 mm，锚索垂直顶板打设，锚索预紧力不低于250 kN.

采煤帮支护：采用补打短锚索方式进行加强支护，在原两排锚杆之间补打1排3根D17.8 mm×4 300 mm的钢绞线锚索配合D14 mm钢筋焊制的2 200 mm×60 mm托梁加强支护，锚索间排距1 000 mm×1 000 mm，锚索托板采用高强度蝶形托板，规格为300 mm×300 mm×16 mm，锚索垂直巷帮打设，锚索预紧力不低于250 kN.

巷旁充填体补强加固：充填体内每排补打3根螺纹钢锚杆，锚杆直径为22 mm，长度为1 700 mm，上下两排锚杆分别距顶底板350 mm，锚杆间距800 mm，排距为800 mm，每排锚杆后方被直径16 mm的钢筋梯子梁及钢筋网加固支护。具体加固方式如图5所示。

图5 巷旁充填体加固示意(mm)

4.2 应用效果分析

选取巷旁充填体中间一排锚杆进行轴力分析，如图6所示，充填体刚过工作面时，锚杆的轴力约为13 kN，随着工作面的推进，后方顶板逐渐破断下沉，锚杆轴力在距工作面0～50 m范围内迅速增大，最终稳定在84 kN左右不再变化，表明加固后的充填体未发生破坏，承载性能较强。巷道稳定后的顶板最大下沉量为240 mm，充填体最大变形量为100 mm，表明加固技术能够保证充填体的稳定性，且适应性较强。

图6 巷旁支护体锚杆受力变化曲线

1) 通过UDEC6.0数值模拟软件，分析了钢筋梯子梁直径对充填体稳定性的影响，确定直径16 mm的钢筋梯子梁对充填体的加固效果最佳。

2) 通过UDEC6.0数值模拟软件，分析了补强锚杆数量及直径对充填体稳定性的影响，确定充填体支护锚杆直径为22 mm，每排数量为3根。

3) 根据模拟结果结合现场实际对巷道补强支护进行了设计，现场应用结果表明：巷道稳定后顶板最大下沉量为240 mm，充填体最大变形量为100 mm，取得了良好的应用效果。