厚煤層無煤柱自成巷柔?；炷林ёo(hù)技術(shù)

， ，，，斌慧

(1.陜煤集團(tuán) 神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

沿空留巷技術(shù)是目前礦井普遍采用的無煤柱開采技術(shù)之一[1-3]。沿空留巷的核心技術(shù)是采用一定的巷內(nèi)支護(hù)技術(shù)和巷旁支護(hù)技術(shù)將上一區(qū)段的回采巷道保留下來供下一區(qū)段使用。該技術(shù)成功的實(shí)現(xiàn)了無煤柱開采，同時(shí)具有減少巷道掘進(jìn)量、取消區(qū)段煤柱、提高煤炭資源回收率、實(shí)現(xiàn) Y 型通風(fēng)、降低工作面隅角瓦斯積聚等優(yōu)勢(shì)[4，5]，從而降低礦井生產(chǎn)成本，對(duì)于安全高產(chǎn)高效礦井建設(shè)起到一定的推動(dòng)作用。且該技術(shù)理論成熟，施工簡單方便，不影響綜采工作面的正?；夭伤俣?，能有效減少采空區(qū)遺留煤自然發(fā)火的可能性，是我國煤炭井工開采的先進(jìn)技術(shù)之一[6]。但由于目前的沿空留巷技術(shù)的巷內(nèi)支護(hù)仍采用剛性支護(hù)，不能適當(dāng)讓壓，易發(fā)生大變形導(dǎo)致支護(hù)材料失去強(qiáng)度。而巷旁支護(hù)技術(shù)支護(hù)強(qiáng)度低且不能及時(shí)支護(hù)，充填系統(tǒng)施工復(fù)雜，充填成本較高，留巷速度慢，且接頂效果差，漏風(fēng)嚴(yán)重，整體安全性差等[7]。同時(shí)沿空留巷技術(shù)所留的巷道是通過掘進(jìn)機(jī)掘出的巷道，隨著工作面推進(jìn)，把掘出的巷道保留下來，即留巷的前提一定是先掘出巷道。針對(duì)上述問題，我國何滿潮院士創(chuàng)新性地提出了一種不需提前開掘巷道、不留設(shè)煤柱的新技術(shù)。在一邊采煤的同時(shí)，一邊形成巷道，應(yīng)用一系列的關(guān)鍵工藝和裝備將形成的巷道保留[8]。該技術(shù)在陜西檸條塔礦S1201-II工作面成功試驗(yàn)，取得了良好的應(yīng)用效果。

留巷過程中，沿空留巷巷旁支護(hù)技術(shù)由木垛、密集支柱、矸石帶、混凝土砌塊等傳統(tǒng)低強(qiáng)度支護(hù)方式，發(fā)展到目前高水速凝材料和膏體材料等高強(qiáng)度支護(hù)方式[9]。低強(qiáng)度支護(hù)不能滿足留巷要求，高強(qiáng)度支護(hù)成本高、施工復(fù)雜等問題至今仍是留巷的難題。針對(duì)這類問題西安科技大學(xué)王曉利教授課題組研發(fā)了柔?；炷林ёo(hù)技術(shù)，柔?；炷林ёo(hù)技術(shù)具有工藝簡單、施工速度快、安全性高、成型時(shí)間短、密封接頂效果好、支撐能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[10]。結(jié)合檸條塔S1201-II工作面切頂卸壓自成巷新技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，決定隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)側(cè)的擋矸支架待巷道圍巖變形穩(wěn)定后，用柔模混凝土柱替換擋矸支架，替下來的擋矸支架可以繼續(xù)隨著工作面的推進(jìn)循環(huán)使用，既保證了施工速度同時(shí)又節(jié)約了初期成本。這種用柔?；炷林鳛橛谰眯灾ёo(hù)技術(shù)在檸條塔S1201-II工作面應(yīng)用效果顯著，留巷效果良好。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)及巷道布置

工作面老頂為中粒砂巖，厚5.4～21.5m，灰白色，回采區(qū)域以中粒砂巖為主，工作面外段，局部頂板含砂質(zhì)泥巖，成分以石英為主，長石次之，分選性中等，具大型交錯(cuò)層理。直接頂為粉砂巖，厚0.78～4.05m，灰色，灰白色，回采區(qū)域以中粒砂巖為主，工作面外段，局部頂板含砂質(zhì)泥巖，成分以石英為主，長石次之，分選性中等，具大型交錯(cuò)層理。直接底為粉砂巖，厚1.8～16.3m，灰色，夾細(xì)粒砂巖薄層，并與之互層，見有劈理，工作面外段局部底板為炭質(zhì)泥巖。老底為細(xì)粒砂巖，厚3.2～19.6m，白色灰薄層狀細(xì)粒長石石英砂巖，含白云母碎片，具波狀層理。

檸條塔煤礦S1201-II工作面位于2-2煤層，工作面傾向長度280m，走向長度2344m，可采儲(chǔ)量336.7萬t，煤層厚度3.81～4.35m，煤層平均厚度4.11m，埋藏深度90～165m，煤層賦存穩(wěn)定，煤層傾角近水平。工作面巷道布置方式如圖1所示。S1201-II工作面采煤步距800mm。左側(cè)為S1201-I輔運(yùn)巷，巷道斷面為矩型，尺寸5200mm(寬)×3750mm(高)；右側(cè)為切頂卸壓無煤柱自成巷預(yù)留設(shè)巷道，預(yù)留設(shè)長度為2344m，斷面尺寸為6200mm(寬)×3750mm(高)。

1.2 工作面初期支護(hù)方案及參數(shù)

1)切縫參數(shù)及留巷尺寸。通過采空區(qū)矸石垮落膨脹系數(shù)計(jì)算得出切縫高度為9m，為了保證頂板順利的垮落，減少垮落時(shí)摩擦力帶來的影響。切縫角度定為10°，向采空區(qū)側(cè)傾斜。留巷的寬度為6.2m，高度為3.75m。

2)頂板支護(hù)及參數(shù)。巷內(nèi)頂板支護(hù)采用“恒阻大變形錨索+W鋼帶+鉛絲網(wǎng)”，恒阻大變形錨索采用Φ21.8mm×10.5m，留巷頂板每排布置5根恒阻值為35t的恒阻大變形錨索，錨索排距800mm(一個(gè)采煤步距)，第一根錨索距切縫線500mm，錨索間距自切縫側(cè)分別為1245mm、1295mm、1230mm、1230mm。

3)擋矸支護(hù)及參數(shù)。切頂卸壓自成巷技術(shù)一邊采煤一邊形成巷道，這就需要在留巷過程中采空區(qū)側(cè)的巷旁支護(hù)要有足夠的承載能力。為了保證留巷安全性和留巷質(zhì)量，決定采用與該技術(shù)配套的“擋矸支架+U型鋼+金屬網(wǎng)”作為巷旁支護(hù)。U型鋼間距為600mm，U型鋼豎直布置，并使用鐵絲將其與金屬網(wǎng)連接固定。安裝完成后利用檔矸支架側(cè)向擋矸橫梁抵緊U型鋼。

2 巷旁支護(hù)存在的問題

由于擋矸支架的成本較高，如果整條留巷都需要擋矸支架作為巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)，則會(huì)造成留巷初期成本過高的問題，為了解決擋矸支架作為巷旁支護(hù)成本突出問題，現(xiàn)場(chǎng)考慮了目前應(yīng)用比較廣泛的柔模混凝土巷旁支護(hù)技術(shù)，并對(duì)柔?；炷林ёo(hù)技術(shù)與擋矸支架支護(hù)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比。兩種巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)比見表1。

表1 兩種巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)比

對(duì)比表1分析可知，結(jié)合厚煤層無煤柱自成巷技術(shù)初期需要一定的支護(hù)強(qiáng)度和強(qiáng)度增速，則采用擋矸支架作為臨時(shí)支護(hù)，購入一定數(shù)量后，為了節(jié)約初期成本，當(dāng)巷道圍巖變形穩(wěn)定后采用柔?；炷林鎿Q擋矸支架作為永久支護(hù)結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了兩種支護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避開了其缺點(diǎn)。從而得到了最優(yōu)巷旁支護(hù)方案。

3 柔?；炷林脑O(shè)計(jì)與施工

3.1 柔?；炷林贾梅绞郊皡?shù)

由于混凝土初期承載力低，達(dá)到最大支護(hù)強(qiáng)度需要一定的硬化時(shí)間，柔?；炷林盟秃?，到混凝土強(qiáng)度達(dá)到一定強(qiáng)度后，才開始撤掉擋矸支架供給工作面循環(huán)使用。其柔?；炷林е贾梅绞饺鐖D2所示。具體參數(shù)如下：

圖2 柔?；炷林е贾梅绞绞疽鈭D(mm)

1)采空區(qū)側(cè)安裝1排直徑為600mm的柔?；炷林ее挥谠瓎卧Ъ荛g，支柱的間距為3000mm。

2)混凝土支柱的強(qiáng)度等級(jí)選取為25MPa(最終強(qiáng)度25～30MPa)，通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，混凝土的主要配合比為水泥∶砂子∶石子∶水=1∶2.4∶2.94∶0.88，其密度為2100kg/m3，即每立方米混凝土水泥的用量為291kg，砂子的用量為698kg，矸石(取自采空區(qū)破碎)的用量為854kg，水的用量為257kg?；炷敛捎玫孛鏀嚢韬笸ㄟ^車運(yùn)送到井下巷道內(nèi)的移動(dòng)泵站車，然后通過泵站車對(duì)柔模進(jìn)行泵注，一車混凝土可以一次泵注兩個(gè)柔?；炷林е?。

3)接頂采用水泥與水玻璃雙漿液注漿包，注漿包的重量配合比為水泥∶水玻璃=1∶1。

3.2 柔?；炷林е休d力驗(yàn)算

3.2.1 計(jì)算模型

根據(jù)英國威特克“分離巖塊法”的方法，將巷旁支護(hù)計(jì)算簡化為計(jì)算模型，如圖3所示，其計(jì)算理論依據(jù)是：巷道和支護(hù)體上方一定范圍內(nèi)分離巖塊的質(zhì)量構(gòu)成了支護(hù)體的荷載[11]。

圖3 支護(hù)體荷載計(jì)算模型

計(jì)算模型需要假設(shè)上部分離巖塊均質(zhì)，在巖塊頂部和兩邊沒有作用力，巖塊兩邊剪切角相同，重心在分離巖塊幾何中心；柔?；炷林е軌簳r(shí)是中心受壓。

3.2.2 支護(hù)體荷載計(jì)算

計(jì)算模型中上部分離巖塊受重力G，支護(hù)體支護(hù)荷載N1，為了使整個(gè)結(jié)構(gòu)平衡同時(shí)對(duì)O點(diǎn)取矩。得到如下平衡公式：

G·L3=N1·L2

即：L1·B·H1·γs=N1·L2

式中，G為分離巖塊重力，N；B為兩個(gè)相鄰混凝土柱距離，即分離巖塊的寬，取3m；H1為分離巖塊高度，當(dāng)切縫高度為9m、角度10°時(shí)，H1=9cos10°；γs為直接頂和基本頂?shù)钠骄囟?，?2.8kN/m3；N1為支護(hù)體支護(hù)荷載，kN；L1為留巷寬度，m；L2為支護(hù)體中心到O點(diǎn)的水平距離，m；L3為分離巖塊重心到O點(diǎn)的水平距離，m。

經(jīng)計(jì)算，兩個(gè)相鄰支護(hù)體之間的支護(hù)荷載為2557.63kN。

3.2.3 支護(hù)體承載能力計(jì)算

柔?；炷林е髧?yán)格接頂，則高度為巷道高度3.75m，直徑為0.6m，長細(xì)比為6.25。查閱軸心受壓構(gòu)件計(jì)算方法，構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)φ=1。支護(hù)體的承載能力計(jì)算公式如下所示：

N2=0.9φ×Afc

式中，N2為支護(hù)體承載能力，kN；φ為穩(wěn)定系數(shù)；A為支護(hù)體截面面積，m2；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度，C25時(shí)為11.9N/mm2。

N2=0.9×1×0.09π×11.9×103=3026.65kN

經(jīng)計(jì)算，一根柔?；炷林е某休d能力為3026.65kN。

計(jì)算支護(hù)體荷載是以兩個(gè)相鄰混凝土柱這一部分為計(jì)算模型的，當(dāng)為連續(xù)的巷道時(shí)，一根柔?；炷林е某休d能力為3026.65kN，大于這部分巖塊的支護(hù)荷載2557.63kN。因此滿足巷旁支護(hù)穩(wěn)定性。

3.3 柔?；炷潦┕すに囘^程

混凝土支柱施工具體工藝包括打短錨桿、懸掛充填袋、泵注、接頂，具體施工參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)施工如下：

1)補(bǔ)打懸掛充填袋所需的短錨桿：每根支柱需4根錨桿，位于支柱位置正上方，間排距700mm×700mm，錨桿外露150mm左右。

2)懸掛充填袋：用馬蹄環(huán)將充填袋懸掛在補(bǔ)打的短錨桿上，懸掛完成后控制袋子底部距底板100～150mm左右。

3)澆注混凝土支柱：由采空區(qū)側(cè)開始澆注，一根全部澆注完成后再進(jìn)行下一根的澆注。

4)接頂：支柱初凝后拆除馬蹄環(huán)，在支柱與頂板之間預(yù)留20～30cm的空間放入接頂充填袋，每兩根一組進(jìn)行接頂注漿。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

檸條塔S1201-Ⅱ工作面柔?；炷林鶓?yīng)用前后。對(duì)其巷道圍巖變形情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，在采用擋矸支架作為巷旁支護(hù)時(shí)，在滯后工作面150m范圍內(nèi)，圍巖變形處于不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)滯后工作面150m以外時(shí)，圍巖變形基本穩(wěn)定。在工作面推進(jìn)到840m時(shí)，從切眼位置逐步利用柔?；炷林鎿Q擋矸支架，替換前后圍巖變形基本保持穩(wěn)定，說明柔模混凝土柱能夠很好地代替擋矸支架，同時(shí)柔模對(duì)混凝土的約束作用能提高混凝土柱的承載能力，從而保證巷旁支護(hù)的穩(wěn)定性。

圖4 保留的擋矸支架受力圖

為了保證利用柔?；炷林鎿Q擋矸支架(切頂支架)的安全性，同時(shí)由于柔?；炷林氖芰η闆r不容易測(cè)量，為了便于觀測(cè)其受力情況，采用從距離開切眼10m處開始，每隔20m保留一個(gè)擋矸支架(切頂支架)。隨著柔?；炷林鎿Q擋矸支架(切頂支架)，分別記錄了10m處和30m處的擋矸支架(切頂支架)的受力情況，如圖4所示，從而推測(cè)出柔?；炷林氖芰η闆r。從其所留的擋矸支架(切頂支架)的受力情況可知，當(dāng)用柔?；炷林鎿Q掉擋矸支架(切頂支架)后，在替換后的40m內(nèi)，所留擋矸支架壓力有所上升，最大達(dá)到28MPa，但在替換后的60m外，所留擋矸支架壓力達(dá)到穩(wěn)定值8MPa。通過對(duì)所留擋矸支架受力分析可推之柔?；炷林彩穷愃频氖芰η闆r。從而可以說明，利用柔模混凝土柱替換擋矸支架，可以滿足巷道穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

1)柔模混凝土支護(hù)技術(shù)具有自成型、支模速度快、工藝簡單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，并從初期成本角度考慮，檸條塔S1201-Ⅱ工作面決定初期利用擋矸支架作為巷旁支護(hù)，待圍巖穩(wěn)定后，用柔?；炷林ёo(hù)技術(shù)代替擋矸支架。充分利用了兩者的優(yōu)點(diǎn)，避開其缺點(diǎn)，使巷旁支護(hù)得到合理的優(yōu)化。既節(jié)約了留巷成本，又保證了留巷安全性和留巷質(zhì)量，對(duì)其他礦區(qū)留巷技術(shù)提供借鑒。

2)柔?；炷林O(shè)計(jì)為直徑600mm，柱間距為3000mm，采用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為25MPa。利用“分離巖塊法”對(duì)混凝土柱支護(hù)建立了力學(xué)模型，并進(jìn)行了承載力驗(yàn)算，滿足巷道穩(wěn)定性要求。并闡述了柔?；炷林氖┕すに囘^程。

3)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在滯后工作面150m內(nèi)，巷道圍巖屬于不穩(wěn)定變化區(qū)，在滯后工作面150m外，巷道圍巖基本穩(wěn)定。利用柔?；炷林鎿蹴分Ъ芎螅Y(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和成巷效果，巷道圍巖變形基本穩(wěn)定，留巷效果很好。