大采高工作面順槽預(yù)設(shè)混凝土墻體無煤柱開采技術(shù)

郭俊良

（陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部，山西 陽泉 045000）

留設(shè)煤柱工藝不僅浪費(fèi)大量煤炭，同時(shí)增加了采空區(qū)自然發(fā)火的概率。在突出煤層掘進(jìn)過程中，大量的防突措施限制了掘進(jìn)速度，增加了掘巷成本，沿空掘巷無煤柱技術(shù)是合理的[1-3]。

陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）寺家莊煤礦屬于煤與瓦斯突出礦井，現(xiàn)采15#煤層平均厚度4.82m，留設(shè)煤柱工藝造成大量的煤炭損失，故決定在15117工作面進(jìn)風(fēng)巷實(shí)施柔?；炷翑U(kuò)巷，為下一區(qū)段采煤工作面創(chuàng)造沿空掘巷條件，真正實(shí)現(xiàn)無煤柱開采。

柔?；炷翑U(kuò)巷無煤柱開采技術(shù)原理是在15117工作面回采前，沿15117進(jìn)風(fēng)巷煤柱幫澆筑一道柔?；炷吝B續(xù)墻，待15117工作面回采后且圍巖趨于穩(wěn)定時(shí)，沿墻體掘進(jìn)巷道作為下一工作面回風(fēng)巷。

1 項(xiàng)目概況

15117工作面主采15#煤，工作面埋藏深度431～493m，設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度1460m，傾向長(zhǎng)度220m，煤層傾角為4～13°，平均8°，煤層厚度4.5～5.2m，平均4.85m。工作面采用走向長(zhǎng)壁采煤法，綜合機(jī)械化大采高一次采全高采煤工藝，全部跨落法管理頂板。

擴(kuò)巷巷道是15117進(jìn)風(fēng)巷，沿15#煤層頂板隨層掘進(jìn)。掘進(jìn)斷面為矩形，掘進(jìn)寬度5.2m，高度4.1m，斷面積為21.32m2。巷道凈斷面寬度5.0m，高度4.0m。15117工作面進(jìn)風(fēng)巷斷面及支護(hù)圖見圖1。

圖1 15117工作面進(jìn)風(fēng)巷斷面及支護(hù)圖 （單位：mm）

2 沿空掘巷巷道支護(hù)參數(shù)

2.1 擴(kuò)幫支護(hù)設(shè)計(jì)

15117工作面擴(kuò)幫寬度2.5m，頂部每排布置1根錨桿2根錨索，錨桿錨索相間布置，間距960mm，排距1000mm，采用波紋鋼帶組合支護(hù)。錨桿規(guī)格Φ20×2200mm，左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨索規(guī)格為Φ17.8×7200mm。

擴(kuò)幫區(qū)煤幫采用錨網(wǎng)支護(hù)，支護(hù)參數(shù)為：幫錨桿每排5根，間距800mm，幫部最上一根錨桿距頂300mm，向上傾斜15°布置。最下一排錨桿距底板600mm，向下傾斜15°布置。其他錨桿垂直巷幫打注。

2.2 底板置換技術(shù)

15117工作面進(jìn)風(fēng)巷沿煤層頂板掘進(jìn)，底板留有1.5～2m厚的底煤，為了保證沿空掘巷墻體的穩(wěn)定及防止墻體鉆底，故需將底煤進(jìn)行處理。

考慮到施工因素，采用混凝土將底煤置換，即在進(jìn)行擴(kuò)幫時(shí)，將擴(kuò)幫處進(jìn)行起底，起底深度不小于1.5m，后采用混凝土澆筑填平，沿空掘巷墻體坐落于堅(jiān)實(shí)的混凝土基礎(chǔ)上。

沿空掘巷擴(kuò)幫及支護(hù)圖見圖2。

圖2 沿空掘巷擴(kuò)幫及支護(hù)圖 （單位：mm）

2.3 巷旁支護(hù)設(shè)計(jì)

采用C40三維紡織結(jié)構(gòu)柔模混凝土澆筑隔離墻體，墻體寬度1500mm，墻體內(nèi)布置橫向錨栓，兩側(cè)布置橫縱向鋼筋鋼帶，兩側(cè)鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)。

錨栓規(guī)格Φ22×1650mm螺紋鋼，500號(hào)鋼，間排距為800×750mm；桿體兩端都設(shè)有絲扣，每段絲扣長(zhǎng)度100mm；桿體兩端各配一套高強(qiáng)度托板、調(diào)心球形墊和尼龍墊圈，托板采用150mm×150mm×10mm拱形高強(qiáng)度托盤；墻體成型1d后，給錨栓施加預(yù)緊力，預(yù)緊扭矩不小于150N·m。

鋼筋鋼帶用Φ16mm圓鋼焊接而成，鋼筋鋼帶外寬80mm，采用長(zhǎng)度為1.2m、3m、3.6m三種規(guī)格；鋼筋網(wǎng)Φ6.5mm，網(wǎng)孔100×100mm。

距離煤幫800mm澆筑柔模混凝土墻體，施工時(shí)墻體兩側(cè)采用單體支柱掛設(shè)柔性模板。

沿空留墻巷旁支護(hù)設(shè)計(jì)圖見圖3。墻體錨栓及鋼筋鋼帶布置圖見圖4。

圖3 沿空留墻巷旁支護(hù)設(shè)計(jì)圖 （單位：mm）

圖4 墻體錨栓及鋼筋鋼帶布置圖 （單位：mm）

3 沿空掘巷施工工藝

3.1 工藝流程

15117工作面擴(kuò)巷施工工藝流程包括擴(kuò)幫及起底、巷道支護(hù)、混凝土干料制備及運(yùn)輸、基礎(chǔ)澆筑、掛設(shè)柔模、墻體澆筑等工序。施工工藝流程圖見圖5。

圖5 施工工藝流程圖

3.2 擴(kuò)幫及起底

為了保證15117工作面的正?；夭?，沿空掘巷施工決定在3個(gè)月內(nèi)完成，故采用4臺(tái)55型掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工。擴(kuò)幫分為兩個(gè)擴(kuò)幫頭，一頭2臺(tái)掘進(jìn)機(jī)臺(tái)階型施工，第一臺(tái)掘進(jìn)機(jī)施工上部臺(tái)階，擴(kuò)幫寬度2.5m，高度3m，第二臺(tái)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行擴(kuò)幫及起底，高度2.5m。

第一個(gè)擴(kuò)幫頭位于15119切眼處，由里向外擴(kuò)幫，擴(kuò)幫長(zhǎng)度350m。第二個(gè)擴(kuò)幫頭位于距15119切眼350m處，由里向外擴(kuò)幫。第一個(gè)擴(kuò)幫頭350m施工完成后，將設(shè)備移至距15119切眼1000m處向外擴(kuò)幫，第二個(gè)擴(kuò)幫頭一直向外擴(kuò)幫，完成650m后設(shè)備移出升井。

3.3 混凝土干料的制備與運(yùn)輸

（1）混凝土干料配合比

沿空掘巷施工采用C40混凝土，混凝土配合比見表1。

表1 C40混凝土配合比

（2）混凝土干料的用量

根據(jù)設(shè)計(jì)，15117工作面沿空掘巷墻體澆筑每日施工20m，加上基礎(chǔ)澆筑，則每日需混凝土干料250m3，1.5t固定廂式礦車體積為1.7m3，按照每車裝混凝土干料1.5m3計(jì)算，則每天需運(yùn)輸160車。

（3）混凝土干料運(yùn)輸

混凝土干料由地面商混站制備，采用膠輪車運(yùn)輸至井口料場(chǎng)，用鏟車將干料裝入礦車下井，運(yùn)輸至15117進(jìn)風(fēng)巷巷口，采用皮帶將混凝土干料輸送至井下混凝土機(jī)攪拌站。

3.4 基礎(chǔ)澆筑

基礎(chǔ)澆筑超前墻體20m，保證在掛設(shè)柔模時(shí)基礎(chǔ)具有足夠的強(qiáng)度。每次基礎(chǔ)澆筑的長(zhǎng)度根據(jù)巷道坡度確定，巷道坡度較小時(shí)，一次澆筑長(zhǎng)度可以提高至10～15m左右，坡度較大時(shí)，縮短一次澆筑長(zhǎng)度至4～6m，保證基礎(chǔ)完成后，巷道頂板距基礎(chǔ)頂面的距離不超過4.1m。

3.5 掛設(shè)柔模

柔性模板是一個(gè)長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，四周全封閉僅留一個(gè)注漿口用于泵注混凝土，由翼緣、灌注口、拉筋、錨栓孔等組成，尺寸為長(zhǎng)×寬×高=3m×1.5m×4.3m。

掛設(shè)柔性模板時(shí)，沿長(zhǎng)度方向?qū)炷ｄ摻畈迦腠敳恳砭?，用單體將掛模鋼筋固定在頂板澆筑位置上，將高強(qiáng)螺紋鋼筋插入預(yù)留錨栓孔，上鋼筋網(wǎng)及橫豎鋼筋梁，擰上托盤螺母，柔模掛設(shè)完畢。

3.6 泵注混凝土

混凝土泵注采用柔?；炷林苽漭斔蜋C(jī)組。該機(jī)組包括攪拌機(jī)和混凝土泵，混凝土干料通過皮帶輸送至攪拌機(jī)內(nèi)，通過攪拌機(jī)加水進(jìn)行攪拌，攪拌均勻后由混凝土泵經(jīng)由輸送管泵注進(jìn)柔模內(nèi)。

4 混凝土強(qiáng)度觀測(cè)

施工過程中采用混凝土回彈儀對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

表2 混凝土回彈儀觀測(cè)數(shù)據(jù)

由表2可以看出，柔模混凝土一天強(qiáng)度可達(dá)11MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的27.5%，3天可達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的65.2%，7天即可達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度40MPa。

5 結(jié)論

截至目前，擴(kuò)巷施工30天，施工距離560m，最快施工速度可達(dá)每天30m，滿足工期要求。

混凝土墻體最終強(qiáng)度達(dá)到46MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度115%，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

15117 工作面進(jìn)風(fēng)巷擴(kuò)巷的實(shí)施，可以實(shí)現(xiàn)真正無煤柱開采，僅回收煤柱一項(xiàng)，即可多回收煤炭資源30萬t，可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值1.5億元。

寺家莊煤礦沿空掘巷的實(shí)施，為陽煤集團(tuán)大采高工作面無煤柱開采提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，對(duì)大采高工作面的無煤柱開采具有重要意義。