预支撑袋铸混凝土沿空留巷技术研究

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发布时间：2021-09-04

资料介绍

预支撑袋铸混凝土沿空留巷技术研究
惠兴田，李　伟
（西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安７１００５４）
摘要：针对沿空留巷隔离墙早期无强度的缺陷，预先在隔离墙内侧与外侧布置单体柱和惠天锚柱
来形成隔离墙预支撑轮廓，根据岩层控制的关键层理论，建立了不同支撑作用沿空留巷围岩结构力学
模型。分析了预支撑、隔离墙、围岩相互作用机制，提出了锚柱网预支撑袋铸混凝土沿空留巷技术，并
在理论研究的基础上进行了工业性试验，结果表明：预支撑可以改变围岩的断裂位置，降低隔离墙的支
护阻力；巷帮的支护阻力越大，围岩沿巷道外侧断裂所需的预支撑支护阻力越小；预支撑的初撑力越
大，工作面回采后帮锚杆的荷载衰减越快且巷帮的变形量就越小。
关键词：沿空留巷；隔离墙；惠天锚柱；关键层；预支撑
中图分类号：ＴＤ３５３　　　文献标志码：Ａ　　　网络出版时间：２０１５－１０－０８１０：４９
网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／５０．１０６２．ＴＤ．２０１５１００８．１０４９．０２６．ｈｔｍｌ
ＳｔｕｄｙｏｎＧｏｂ－ｓｉｄｅＥｎｔｒｙＲｅｔａｉｎｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＢａｇ－ｃａｓｔｉｎｇ
ＣｏｎｃｒｅｔｅｗｉｔｈＰｒｅ－ｓｕｐｐｏｒｔ
ＨＵＩＸｉｎｇｔｉａｎ，ＬＩＷｅｉ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌａｎｄＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００５４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏａｉｍａｔｔｈｅｄｅｆｅｃｔｔｈａｔｔｈｅｓｅｐａｒａｔｉｎｇｗａｌｌｈａｓｎｏｓｔｒｅｎｇｔｈｉｎｔｈｅｅａｒｌｙｔｉｍｅｏｆｇｏｂ－ｓｉｄｅｅｎｔｒｙｒｅｔａｉｎｉｎｇ，
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收稿日期：２０１４－１２－２５；２０１５－０３－２６修订
作者简介：惠兴田（１９５８—），男，陕西西安人，教授，硕士
研究生导师，研究方向为煤矿巷道支护技术。
巷旁支护的发展先后经历了木垛架、密集支柱、
矸石堆、膏体充填和ＳＣＣ混凝土充填等阶段。关于
巷旁支护结构，相关的专家学者做了大量的研究实
践［１－４］，尤其是膜袋混凝土隔离墙的应用大幅提高
了留巷成功的几率。但混凝土存在初凝时间长、早
期强度低等不足，在隔离墙达到设计强度之前，不能
对围岩起到较好的控制作用。针对上述问题，预先
在隔离墙内侧与外侧布置单体柱和惠天锚柱形成隔
离墙预支撑轮廓来解决隔离墙早期无强度的缺陷，
达到预先支撑的目的。
预支撑平面布置见图１。预支撑支护不同于普
通巷旁支护，两者最大的区别在于预支撑主动施加
了支撑力，隔离墙则是被动等待顶板下沉，主动形式
的预支撑能够避免顶板离层，隔离墙在被动接受荷
载过程中顶板会产生一定量的离层。从卸荷岩体的
时效机理出发，预支撑在一定程度和范围上延缓了
围岩大变形的发展，改变了围岩应力的再分布特征，
·５８·
Ｖｏｌ４２Ｎｏ５
Ｏｃｔ２０１５　　　　　　　　　矿业安全与环保
ＭＩＮＩＮＧＳＡＦＥＴＹ＆ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮ　　　　　　　第４２卷　第５期
２０１５年１０月
实现了支护对围岩的连续性主动控制。
图１　预支撑平面布置示意图
通过对回采过程沿空侧不同支撑作用力学原理
的分析，阐述了预支撑、隔离墙、围岩相互作用机制，
提出了锚柱网预支撑袋铸混凝土沿空留巷技术，并
在华晋焦煤沙曲矿某工作面进行了工业性试验。
１　回采过程沿空侧支撑作用力学解析
留巷过程中，要考虑支护体的强度缺陷和煤帮
塑性区的发展对围岩断裂位置的影响，根据岩层控
制的关键层理论和顶板岩层破断的基本规律［５－８］，
以无支护时围岩的破断规律为基础，逐步逐级考虑
支护体的作用效应，建立不同支撑作用沿空留巷围
岩结构力学模型，如图２所示。
（ａ）断裂前
（ｂ）断裂后
图２　不同支撑作用沿空留巷围岩结构力学模型
对ＡＣ段，以Ｏ为坐标原点对Ａ点做平衡分析，
可得预支撑作用下围岩的可能断裂位置：
１２
γ１ｍ（ａ＋ｂ＋ｘ０）２＋１
２（γ２ｈ＋ｑ）（Ｌ＋ｘ０）２－
ｐ０ａ＋ｂ
( ２＋ｘ０) －∫ｘ０
０ σｙ（ｘ０－ｘ）ｄｘ＝２Ｍ（１）
式中：Ｍ为岩层的极限抵抗弯矩，取σｔｈ２／６，ｋＮ·ｍ／ｍ，
其中σｔ为岩层极限抗拉强度；ｐ０为预支撑的支护阻
力，ｋＮ／ｍ；ｍ、ｈ为岩层的厚度，ｍ；γ１、γ２为岩层的重
力密度，ｋＮ／ｍ３；Ｌ为岩层侧向破断特征尺寸，一般取
周期来压步距［２］；ｑ为上部岩层传来的荷载，ｋＮ／ｍ，
根据Ｍ＝（γ２ｈ＋ｑ）Ｌ２／４确定；σｙ为煤帮塑性区的垂
直应力，ＭＰａ，按式（２）计算［９］；ɑ为巷道宽度，ｍ；ｂ为
巷旁隔离墙宽度，ｍ；ｘ０为围岩的断裂位置距煤帮的
距离，ｍ。
σｙ＝Ｃ０ｔａｎφ０
( ＋ｐλｘ) ｅｘｐ２ｔａｎφ０Ｄλ ｘ－Ｃ０ｔａｎφ０
（２）
式中：Ｃ０为煤帮与顶底板岩层交界面的黏聚力，ＭＰａ；
φ０为岩石内摩擦角，（°）；ｐｘ为煤帮的支护阻力，
ＭＰａ；λ为侧压系数；Ｄ为煤层的开采厚度，ｍ。
围岩断裂后的隔离墙与围岩静力平衡方程为：
１２（γ２ｈ＋ｑ）（Ｌ＋ｘ０）２
＋
１
２γ１ｍ（ａ＋ｂ＋ｘ０）２＝
∫ｘ０
０ σｙ（ｘ０－ｘ）ｄｘ＋ｐａ＋ｂ
( ２＋ｘ０) －ＦＣ（Ｌ＋ｘ０）
（３）
式中：ｐ为隔离墙支护阻力，ｋＮ／ｍ；ＦＣ为Ｃ点破断岩
块产生的向下剪力，ｋＮ／ｍ，由式（４）确定。
ＦＣ（Ｌ－ａ－ｂ）＋１
２（γ２ｈ＋ｑ）（Ｌ－ａ－ｂ）２＝Ｍ（４）
同理，围岩的最大可能弯矩处距煤帮的距离ｘ１
可由式（５）确定：
γ１ｍ（ａ＋ｂ＋ｘ１）＋（γ２ｈ＋ｑ）（Ｌ＋ｘ１）＝
∫ｘ１
０ σｙｄｘ＋ｐ０（５）
将式（２）代入式（５）可得ｐ０与ｘ１的关系为：
Ｄλ
２ｔａｎφ０
ｅｘｐ２ｔａｎφ０ ( Ｄλ ｘ１)
Ｃ０ｔａｎφ０
( ＋ｐλｘ) －
Ｃ０ｔａｎφ０
( ＋γ１ｍ＋γ２ｈ＋ｑ) ｘ１＝（ａ＋ｂ）γ１ｍ＋
Ｌ（γ２ｈ＋ｑ）＋Ｄλ
２ｔａｎφ０
Ｃ０ｔａｎφ０
( ＋ｐλｘ) －ｐ０（６）
由式（６）可知，围岩的最大可能弯矩处距煤帮的
距离随着预支撑支护阻力的增大而减小，当支护阻
力满足式（７）时，围岩断裂位置会转移到巷道外侧：
１２（γ２ｈ＋ｑ）（Ｌ＋ｘ１）２
＋
１
２γ１ｍ（ａ＋ｂ＋ｘ１）２－
∫ｘ１
０ σｙ（ｘ１－ｘ）ｄｘ－ｐ０ａ＋ｂ
( ２＋ｘ１) ＜２Ｍ（７）
围岩沿巷道外侧断裂后的隔离墙与围岩静力平
衡方程为：
１２（γ１ｍ＋γ２ｈ＋ｑ）（ａ＋ｂ＋ｘ１）２
－
Ｍ′＝