综采面回撤巷道混凝土支柱支护设计

任祥林

(山西汾西矿业集团南关煤业，山西 晋中 031300)

矿井此前主要采用垛式支架作为预掘回撤通道的外部支护方式，在该矿5103工作面即将进入末采阶段时，综合考虑混凝土支柱的优点，决定在该工作面主回撤通道进行混凝土支柱支护的试验研究[1-2]。本文以5103工作面主回撤通道作为工程背景，对混凝土支柱快速施工工艺以进行了初步的研究。

1 工作面概况

5103工作面煤层厚度在2.4 m～3.8 m，平均厚度3.1 m，埋深约180 m。该煤层结构简单，煤层呈条带状结构，沥青光泽，节理不发育。直接顶为粉砂岩、中粗砂岩，中等稳定，零星分布有泥岩，厚度0.84 m～14.28 m。老顶为粉、细砂岩，中厚层状，比较稳定，厚度40 m 以上。直接底为砂质泥岩、泥岩，遇水强度降低，厚度0.65 m～7.50 m。该煤层顶板比较坚硬，预计为老顶来压强烈的Ⅲ级顶板，在工作面中部有一平缓凹陷，该处煤层变薄，对开采有一定影响。

5103工作面主回撤通道设计掘进断面为矩形，宽度5.0 m，高3.2 m，掘进断面16 m2。巷道支护采用锚网梯梁结合支护系统，锚索补强。顶板全部支护，工作面侧帮不支护，煤柱侧帮不支护，煤柱侧帮支护。

2 混凝土支柱支护设计

2.1 支护强度

根据《矿山压力与岩层控制》中对顶板压力的估算方法，按照4倍～8倍的采高对顶板压力进行估算，计算公式如式(1)[3]。

P=(4～8)ahr

(1)

式中：P为工作面支护估算强度，MPa；a为安全系数，取2；h为工作面采高，取3.2 m；r为顶板岩石重力密度，取27 kN/m3。

上述公式中，在周期来压不明显时应采用低倍数，而周期来压较剧烈时应采用高倍数加以估算。5103工作面煤层顶板比较坚硬，预计为老顶来压强烈的Ⅲ级顶板，因此按照8倍采高进行估算，混凝土支柱的支护强度P=1.38 MPa。

5102工作面预掘回撤通道外部支护方式为，ZD9000/17/35垛式液压支架68台，3.5 m单体支柱1 040根，其支护强度为：

P=(9 000×68+200×1 040)/(245×5)=0.67 MPa

通过以上理论计算以及和以往回撤经验的对比，为保证试验成功，设计混凝土支柱的支护强度为2 MPa，即每平方米所需的承载能力为200 t。

2.2 混凝土支柱参数的选取

现场拟采用直径为800 mm的混凝土支柱进行支护，其材料为C25商品混凝土，根据试验结果，支柱峰值载荷时的应力水平约为25 MPa，单根混凝土支柱能提供的最大支护能力约为1 200 t，能够满足顶板的载荷，所以共需混凝土支柱的数量计算见式(2)。

m=PS/T=2×106×245×5)/(12×106)=208个

(2)

式中：m为混凝土支柱的数量，个；P为工作面支护强度，MPa；S为巷道顶板面积，m2；T为单根混凝土支柱的支护能力，12×106N。

在初次试验中，为保证成功，实际安装的支柱数量应大于理论计算的结果。

2.3 混凝土支柱稳定性校核

从混凝土支柱参数的初步设计可以看出，混凝土支柱的高径比达到了4∶1左右，为了避免支柱在工作过程中因失稳引起失效，现对其稳定性进行校核[4]。混凝土支柱的柔度λ计算见式(3)，材料应力为比例极限时的柔度极限值见式(4)。

(3)

式中：μ为长度因素，按照两端固定计算，取0.5；h为混凝土支柱的高度，取3.2 m；i为混凝土支柱的惯性半径，0.25 d，0.2 m。

(4)

式中：λp为材料应力为比例极限时的柔度极限值；E为混凝土的弹性模量，26.67 GPa；σ为混凝土的比例极限，按照支柱的极限应力水平计算，取25 MPa。λ<λp，混凝土支柱的临界应力大于材料的比例极限，切线模量理论认为，在这种情况下，用失稳时的切线模量代替弹性模量，即可得到非弹性屈曲时的临界应力，仍采用欧拉公式的形式计算临界应力，见式(5)。

σcr=π2Ea(i/μh)2

(5)

式中：σcr为临界应力，MPa；Ea为失稳时的切线模量，GPa。

由奥尼西克建立的公式可得失稳时的切线模量，见式(6)。

Ea=E0(1-σcr/1.1fm)

(6)

式中：fm为混凝土抗压强度设计值，取25 MPa；E0为混凝土初始弹性模量，26.67 GPa。

因此，临界应力可表示为式(7)。

σcr=E0(1-σcr/1.1fm)π2(i/μl)2

(7)

通过计算，混凝土支柱失稳时的临界应力约为27.3 MPa，能够满足稳定性的要求。

2.4 混凝土支柱充填袋设计

混凝土支柱在预掘回撤通道中应用成功与否取决于两个关键的因素：最大支护能力和残余载荷能力，而这两个因素在一定程度上都受制于充填袋的性能，因此，充填袋的选取是保证混凝土支柱性能的关键[5]。

本次试验中选取的充填袋材料为机织长丝土工布，其横向抗拉强度可达8 600 kg/m，纵向抗拉强度为6 000 kg/m，断裂延伸率在25%左右，充填袋的接缝是依靠缝合来实现，充填袋的高度设计为3 m，采用50 mm宽的双层布料(与袋体布料相同)缝制成圆环，并固定在袋体上作为横向加强筋，以保持接缝强度；顶部对称缝制4个吊环用以悬挂。

2.5 混凝土支柱布置方案

在回采过程中，随着工作面的推进，剩余煤柱的宽度和强度不断减小，巷道顶板开始向着失效的工作面煤柱边缘向下偏转。这种活动会在外侧煤柱顶板区域引起拉伸应力和塑性变形，因此，在主回撤通道中混凝土支柱需要安装在靠近工作面剩余煤柱附近，以取代失效的剩余煤柱，限制顶板的旋转运动。

根据估算结果，结合井下锚杆、锚索的布置方式，拟在5103主回撤通道中共安装2排混凝土支柱。其中，靠工作面侧的混凝土支柱与煤壁的距离为500 mm，支柱的间距为1 800 mm，排距为2 000 mm，如图1所示。

图1 混凝土支柱布置

根据上述布置方案，预计在5103主回撤通道中共安装混凝土支柱230根～240根。

3 现场实施

3.1 混凝土支柱的浇注

在对井上和井下施工过程中的问题进行总结改正后，一切准备就绪的情况下，混凝土支柱的浇注于2014年4月8号开始正式施工，4月23号施工完毕，施工工艺总结如下。

1) 提前1 d在需要悬挂充填袋的位置补打1 m长短锚杆，每根支柱需4根锚杆，间排距为1 m×1 m。随后，施工过程中锚杆补打与支柱的浇注平行进行，直至补打完成。

2) 将混凝土泵及配套的管路等设备运至回撤通道合适的位置(一般位于03主回撤联巷口稍靠里的位置)，并进行安装和连接管路。在硬管的尽头连接一截5 m长的软管，通过导链拉拽软管调整其位置，以达到每拆卸一次硬管浇注多根混凝土支柱的目的。

3) 充填袋的悬挂：对于顶板较为平整的位置，用马蹄环穿过充填袋吊环，然后用螺母将其固定在锚杆的外露端，通过上下调节4个螺母的位置使袋口保持水平；对于顶板坡度较大的位置，螺母的上下移动仍不能使袋口平齐时，在顶板较高的位置采用大链代替马蹄环来悬挂充填袋，如图2所示。

图2 充填袋采用马蹄环悬挂

4) 调整充填袋底部与底板之间的距离。对于巷道高度较大的地方，采用混凝土在充填袋正下方打设底座；而巷道高度较小的地方则需要起底，然后用混凝土抹平。在底座的施工过程中采用水平尺进行测量，尽量使底座的上表面保持水平。最终充填袋底部距底板的距离为100 mm左右。

3.2 混凝土支柱的接顶施工

在所有混凝土支柱初步凝固后，拆除用以悬挂的大链和马蹄环，准备接顶施工，接顶的材料包括中密度板和水泥浆。施工过程中将中密度板切割成直径750 mm左右的圆板，水泥浆采用PO42.5水泥，水灰比为0.6左右，水泥浆的泵送采用ZBY-30/12.0高压水泥注浆泵。

将切割好的中密度板堆填在支柱顶部与顶板之间，预留出1层～2层板的厚度空间，用接顶充填袋从中密度板的顶部反套下来，下口用铁丝扎紧在柱体上，然后，采用水泥注浆泵通过预留的注浆口进行注浆，直至充填袋撑起并与顶板完全接触。

3.3 主回撤通道补强支护

混凝土支柱所有工序施工完成后，因混凝土支柱安装位置偏于工作面一侧，主回撤通道中部至煤柱方向以及联巷口没有顶板外部支护，为了保证末采期间顶板的安全，对这2个位置进行了后期补强护。

主回撤通道中部至煤柱方向顶板的补强支护如图3所示，混凝土支柱施工完成后，在该区域顶板的中部位置(距外侧煤柱约1 000 mm)补打一排锚索，锚索的规格为：单根钢绞线，Φ22 mm，长度6 300 mm，间距1 000 mm。

4 结论

本文对5103工作面混凝土支柱支护预掘回撤通道技术进行了现场试验，试验中对混凝土支柱这种外部支护技术的所有过程进行了仔细的研究，重点探索了混凝土支柱的施工工艺。本次试验取得成功，通过试验可以得出以下结论：

图3 顶板锚索补强支护布置图

1) 混凝土支柱作为预掘回撤通道的外部支护能够提供足够的支护强度保证工作面末采期间回撤通道的安全，本次试验中，尽管有个别混凝土支柱发生了脆性破坏，但整个支护系统还是安全地保证了工作面设备进入预掘回撤通道，顺利完成了采煤设备的回撤；

2) 混凝土支柱强度的设计标准为在保证支护强度的前提下，尽量不会对采煤机的切割造成困难，根据现场应用效果，混凝土支柱的强度略高，在以后的应用中，不改变支护密度的前提下可以适当降低混凝土的强度，同时混凝土骨料的硬度也不宜太大；

3) 接顶的处理对混凝土支柱支护的安全性至关重要，由于混凝土的刚度较大，接顶部分需提供足够的变形以保证支柱不会因为顶板下沉而发生脆性破坏，同时，要保证不会因变形量过大而导致巷道闭合过度；

4) 从本次现场施工过程可以看出，合理的充填袋结构能有效降低工序的复杂性，有待研究改进。