刘鹏飞 沈超 张伟林 何锋
四川省煤炭产业集团达竹公司金刚煤矿
摘要：为了解决大倾角中厚煤层工作面机巷沿空留巷的难题，利用相关理论对巷道断面形状受力状况进行计算分析，提出了拱形断面复合沿空留巷技术，采取钢筋网重新支护拱肩的控制方法，来保持原巷道拱形的完整性，通过降低巷道采空区侧采高，达到降低巷旁支护高度，增加墙体稳定性等关键技术，取得了多项突破性沿空留巷创新性成果，具有广泛的推广价值。
关键词：大倾角；中厚煤层；拱形断面；复合沿空留巷技术
1引言
金刚煤矿近水平及缓倾斜中厚煤层综采工作面沿空留巷，巷道断面通常为梯形，其巷旁支护采用混凝土砌块墙体，但巷中必须重新架设金属棚阻止层状顶板变形，防止顶板破坏。在大倾角中厚煤层锚网索支护巷道由于上帮比下帮高许多，不能架设金属棚。因此，必须改变既有沿空留巷支护方式和断面形状，根据大倾角巷道特点，设计新的沿空留巷支护方式和断面形状。近水平及缓倾斜煤层巷道设计为梯形断面，利于保持顶板完整性和稳定性，但在大倾角煤层巷道如果选择梯形断面，巷旁支护高度很高，墙体容易失稳，而且断面利用率较低。另外，根据相关理论，拱形断面比梯形断面具有更大的承载力。基于上述原因，在大倾角煤层巷道预先选择拱形断面形状更有利于沿空留巷的成功。
2工作面概况
-4111工作面走向长1500m，倾斜长155m，煤层倾角平均31°，采高2.8m，煤层结构方式为外连与内连中间夹深灰色泥岩夹煤线与软煤，外连伪顶和直接顶为深灰色泥岩，厚度为0.54～1.8m，容易垮落。采煤方法为走向长壁采煤法，采煤工艺为综合机械化开采。瓦斯等级为瓦斯矿井。
3沿空留巷断面形状选择
沿空留巷断面通常有两种形式，一种是梯形断面，一种是拱形断面。梯形断面大多沿顶板掘进，不破坏顶板岩层的完整性，有利于保持顶板的稳定；拱形断面受力状态好，同样断面积的巷道，圆拱形断面中心点的拉应力仅有梯形断面中心点的一十八分之一。基于上述原因，选择回采巷道断面时主要根据岩层性质和结构来确定，当顶板岩层为相对稳定的岩层时，选择梯形断面较多；而当顶板岩层不稳定或为软弱岩层时，选择拱形巷道较为有利。-4111工作面顶板岩层以砂质泥岩、泥岩为主，岩石强度低，且受力后极易破脆，因此选择拱形断面更有利于沿空留巷的成功。
4沿空留巷巷旁支护方案
⑴方案一：L网挡矸工字钢点柱巷旁支护
在工作面超前位置采用爆破方式把原拱形巷道拱部外连煤层取下，重新施工锚杆，在采空区下方固定一排“L”型金属网挡矸。在“L”型金属网外支设一排工字钢点柱。见图1
图1
⑵方案二：钢筋网托顶混凝土砌块巷旁支护
在超前缺口位置对拱形顶板上帮采用钢筋网托顶，锚杆锚索补强支护，混凝土砌块作巷旁支护，见图2.
5沿空留巷力学理论计算分析
⑴工字钢点柱受力计算
根据材料力学理论，11号工字钢点柱可以看作是一个承受顶板压力的压杆，见图3。
图3
根据欧拉公式计算压杆的临界压力：
Pij=3.142EI/（ul）2，式中Pij为压杆的临界压力；E为工字钢弹性模量，取206GPa；I为11号工字钢截面对中性轴的惯性矩，Iy=127.7×104mm4；U为压杆系数，取2.0；l为压杆长度，取2800mm。
压杆稳定条件P≤Pij/nw，式中 P为压杆的工作压力；nw为规定的安全系数，取2.0。
经计算工字钢点柱仅能承41.3kN，巷旁支护阻力为3795kN/m，若间距取0.6m，单根点柱需要承受压力为2277kN，远远大于41.3kN，工字钢点柱必然要弯曲变形和破坏，仅靠工字钢点柱作为巷旁支护是不能保证巷旁支护强度的。
（2）梯形断面顶板梁受力计算
梯形巷道可以看作单跨等截面简支梁支座，见图4。
见图4
按照简支梁计算梁内任意一点的正应力σ为：
σ=M*y/Ix，式中M为梁某点截面上的弯矩，N.m；y为截面上某点至中性轴X-X的距离，m；Ix为截面对中性轴X-X的惯性矩，m4.
按照锚杆支护岩层厚度计算，最大正应力σ=12.8MPa，查表，砂质泥岩能承受的正应力为2-4MPa，因此，在不支护的情况下，巷道肯定要垮塌，在锚杆支护的情况下，受采动压力影响，该层岩石将受到拉应力而破坏，逐步导致锚杆失效，进而导致整个巷道垮塌。
⑶拱形断面顶板受力计算
拱形巷道可以看作双铰接等截面圆拱，见图5
图5
按照锚杆支护岩层厚度计算，最大正应力σ=0.68MPa，此时，单跨等截面正应力是双铰接等截面圆拱的18倍，显然拱形巷道受力状况比梯形巷道好得多.
根据以上计算分析，巷旁支护不能采用工字钢点柱，断面形状不能采用梯形断面，因此，沿空留巷方案选取方案二。
6 沿空留巷施工关键技术
⑴超前支护技术，巷道内超前支护采用锚杆锚索配钢筋网重新支护拱形巷道的左侧拱顶部。锚杆参数：800mm×1000mm，钢筋网规格：长×宽=2600mm×1000mm的钢筋网，钢筋直径8㎜，见图6。
图6
⑵超前缺口施工技术，在工作面下出口内连煤层中作超前缺口，以内连煤层顶板为顶板。超前缺口参数：长2400mm，宽2400mm，高约1400mm（以取完内连煤层为准），支护参数：采用单体支柱配铰梁支护，单体支柱柱距600mm，排距750mm。
⑶混凝土砌块巷旁支护技术，墙厚0.7m，墙高以接顶为限，用木料充填接顶，墙体垂直于顶底板，墙体巷道侧支设单体支柱护墙体，100m后取下重复使用。
⑷钢筋网包裹转角技术，把预留的钢筋网包住夹矸与巷道的转角，护住夹矸和外连煤层保持巷道拱形的完整性，并采用单体支柱压紧在铰接顶梁上面，待砌墙体时，预留钢筋网在墙体与顶板之间。
7工业试验
围岩观测初步结论（观测数据略），巷道顶底板相对移近量最大没有超过380mm，顶板绝对移近量没有超过300mm，巷道上帮下沉量最大，中部次之，下帮变化较小。上帮下沉量几乎是下帮的一倍，说明上帮没有煤柱，有下沉空间，而下帮下沉空间有限，没有释放压力，因此，下帮将产生片帮现象，必须进行护帮支护。附现场效果图片。
左图为工作面未开采前断面，右图为沿空留巷断面
8结论
⑴实践中有效利用了拱形巷道比梯形具有更大承载能力的特点，得出了合理选择巷道断面形状对沿空留巷成功的重要作用。
⑵提出了降低巷道采空区侧采高，达到降低巷旁支护高度，增加墙体稳定性等关键技术。
⑶提出了墙体上方锚网托顶支护软岩的控制方法，采用钢筋网包裹转角处破碎煤岩块，保持该处完整性，让巷道围岩具有更大的自承力。
参考文献：
[1]徐永圻，煤矿开采学（修订本），中国矿业大学出版社，1999；
[2]钱鸣高 刘听成，矿山压力及其控制（高等学校教学用书），煤炭工业出版社，1989；
[3]中国矿业学院等编.井巷工程（高等学校教学用书），煤炭工业出版社1989；
[4]张荣立 何国纬 李铎 主编.采矿工程设计手册（上册），煤炭工业出版社2004。
作者简介：
刘鹏飞（1982年-），男，重庆忠县人，工程师，生产科长，本科，2014年，重庆大学网络教学院，现在金刚煤矿从事技术管理工作。
论文作者:刘鹏飞,沈超,张伟林,何锋
论文发表刊物:《基层建设》2015年20期供稿
论文发表时间:2016/3/22
标签：断面论文; 巷道论文; 拱形论文; 顶板论文; 煤层论文; 梯形论文; 工字钢论文; 《基层建设》2015年20期供稿论文;