厚煤層大采高工作面無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)研究及應(yīng)用

謝益盛，郝曉飛，2，楊亞威

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

我國(guó)煤礦一般通過(guò)留設(shè)煤柱來(lái)達(dá)到護(hù)巷的目的，但采用傳統(tǒng)的留設(shè)護(hù)巷煤柱的方式，會(huì)損失大量煤炭，損失量高達(dá)10%～30%，且下區(qū)段巷道在二次采動(dòng)影響期間，存在維護(hù)困難、支護(hù)成本較高及上隅角瓦斯易積聚等問(wèn)題。無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)作為一種提高煤炭采出率、改善巷道維護(hù)量、減少巷道掘進(jìn)量的開(kāi)采工藝，其主要包括沿空掘巷和沿空留巷兩種方式，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)方面取得了眾多的研究成果。在沿空掘巷方面，如侯朝炯、柏建彪等人[1-3]采用理論分析與力學(xué)推導(dǎo)相結(jié)合的方式，建立了沿空掘巷基本頂三角塊的力學(xué)模型，給出了基本頂三角塊結(jié)構(gòu)在掘巷不同階段的穩(wěn)定性系數(shù)；李學(xué)華[4，5]等人通過(guò)建立沿空掘巷時(shí)上覆巖體大結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，并對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行具體分析，提出沿空掘巷圍巖變形的基本規(guī)律及其機(jī)理；在沿空留巷方面，漆泰岳等人[6，7]針對(duì)不同圍巖條件下基本頂破斷時(shí)，進(jìn)行整體澆筑充填體變形及支護(hù)強(qiáng)度的研究，提出了充填體變形及支護(hù)強(qiáng)度的理論計(jì)算方法；張東升[8，9]等人針對(duì)厚煤層的無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)展開(kāi)研究，提出并實(shí)施了綜放工作面巷內(nèi)充填的原位沿空留巷技術(shù)。但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)厚煤層大采高工作面無(wú)煤柱開(kāi)采方面研究較少，本文主要依據(jù)長(zhǎng)平煤業(yè)Ⅲ4303工作面的具體條件，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、理論分析與工業(yè)性試驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)厚煤層大采高工作面無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行研究，為類似工程實(shí)踐提供一定的參考和借鑒。

1 工程背景

山西省晉煤集團(tuán)長(zhǎng)平煤業(yè)Ⅲ4303工作面位于Ⅲ四盤(pán)區(qū)，工作面走向長(zhǎng)599.78m，傾斜長(zhǎng)225m，工作面東部為下區(qū)段Ⅲ4305工作面，目前尚未掘進(jìn)，Ⅲ4303工作面所采煤層為3#煤，煤層厚度4.6m～5.2m，平均4.9m，平均傾角10°，煤層頂?shù)装鍘r層特征如圖1所示。

圖1 Ⅲ4303工作面頂?shù)装鍘r層特征圖

Ⅲ4303工作面進(jìn)風(fēng)巷設(shè)計(jì)沿3#煤層頂板隨層掘進(jìn)，工作面采用走向長(zhǎng)壁大采高一次采全高采煤工藝，采高控制在4.9m。Ⅲ4303工作面原有設(shè)計(jì)留設(shè)煤柱寬度25m，僅因留設(shè)煤柱一個(gè)工作面損失煤炭25萬(wàn)t。且3#煤為煤與瓦斯突出煤層，巷道掘進(jìn)需進(jìn)行消突，降低了巷道掘進(jìn)速度，故決定采用無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)來(lái)提高煤炭的采出率，實(shí)現(xiàn)工作面安全開(kāi)采。

2 柔?；炷亮W(xué)性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》和《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》和所給定的配合比設(shè)計(jì)方法[10]，取水灰比、石子的體積含量、外加劑摻量和砂子的體積比例4個(gè)主要影響因素進(jìn)行C30混凝土配合比試驗(yàn)，具體如下：

1)根據(jù)混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C30，確定水灰比。

混凝土配制強(qiáng)度f(wàn)cu.o的確定；計(jì)算公式如下：

fcu.o=fcu.k+1.645σ

(1)

式中，fcu.o為混凝土配制強(qiáng)度，N/m2；fcu.k為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，N/m2，取為30.00×106N/m2；σ為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，取σ=5.00×106N/m2。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得：fcu.o=38.225×106N/m2。

計(jì)算水灰比：

式中，αa，αb為回歸系數(shù)，本次混凝土中使用粗骨料為碎石，故通過(guò)查表知αa=0.46，αb=0.07；fce為水泥養(yǎng)護(hù)28d抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值，在無(wú)水泥標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d抗壓強(qiáng)度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，fce按fce=γc×fce.g確定，Pa；fce.g為水泥強(qiáng)度等級(jí)值，Pa；γc為水泥強(qiáng)度等級(jí)值的富余系數(shù)，取為1.13；根據(jù)使用水泥標(biāo)號(hào)為42.5。

計(jì)算得fce=48.025×106N/m2。

將上述數(shù)據(jù)代入式(2)中計(jì)算得出水灰比為0.55；配制C30等級(jí)以上的混凝土，自密實(shí)等級(jí)為II級(jí)的混凝土，所需混凝土的水灰比在0.55以下。

2)綜合砂漿中砂的體積含量、水灰比、用水量及粗骨料的松散體積等因素對(duì)混凝土流動(dòng)性的影響，選取水灰比為0.5，砂漿中砂的體積含量0.5，粗骨料的松散體積0.6，在試驗(yàn)初期控制粉煤灰摻量為粉體材料的10%～18%，外加劑的摻量為水泥0.2%，基于上述分析最終本實(shí)驗(yàn)的配合比見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)的配合比

3)在進(jìn)行混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)采用150mm×150mm×150mm的立方體試件，一組設(shè)置3個(gè)試件，分兩組進(jìn)行試驗(yàn)，一組為普通模具制作的混凝土試件命名為標(biāo)準(zhǔn)組，模具采用普通鋼試模；另一組采用柔模制作的混凝土試件命名為試驗(yàn)組，通過(guò)在鋼試模內(nèi)放置柔模，并在外部鋼試模中通過(guò)打設(shè)鉆孔的方式形成具有透水不透漿特性的柔?；炷聊＞遊11，12]；標(biāo)準(zhǔn)組：試塊在分別養(yǎng)護(hù)1d、3d、5d、7d、14d和28d時(shí)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)；試塊在每個(gè)齡期下進(jìn)行三組試驗(yàn)；對(duì)照組：試塊在分別養(yǎng)護(hù)8h、12h、1d、3d、5d、7d、14d和28d時(shí)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)；試塊在每個(gè)齡期下進(jìn)行三組試驗(yàn)。

4)將普通混凝土試塊和柔?；炷猎噳K在各個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期下進(jìn)行抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并繪制成曲線進(jìn)行具體分析。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出混凝土強(qiáng)度隨時(shí)間的增長(zhǎng)曲線圖如圖2所示。通過(guò)分析圖2能夠得出，混凝土在1—5d內(nèi)強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，柔?；炷猎?d強(qiáng)度已達(dá)到21.3MPa，普通混凝土和柔?；炷琉B(yǎng)護(hù)28d的強(qiáng)度分別為32.6MPa和38.3MPa，對(duì)照組的強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)組的強(qiáng)度，即柔?；炷恋膹?qiáng)度高于普通混凝土的強(qiáng)度，導(dǎo)致該現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因?yàn)槿崮Ｗ陨淼耐杆匦?，?huì)讓混凝土中多余的水分通過(guò)柔模流失，另外柔模同時(shí)具有透水不透漿的特性，采用柔模澆注的混凝土具有高強(qiáng)度、高密度及整體性好等特征，因此柔?；炷恋膹?qiáng)度高于普通混凝土強(qiáng)度。

圖2 混凝土抗壓強(qiáng)度曲線

3 無(wú)煤柱開(kāi)采支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)

在Ⅲ4303工作面回采前，超前Ⅲ4303工作面，在進(jìn)風(fēng)巷副巷進(jìn)行擴(kuò)幫和起底作業(yè)，擴(kuò)幫寬度2.5m，起底深度1.5m，在Ⅲ4303進(jìn)風(fēng)巷沿煤柱幫澆筑一道1.5m寬的柔模混凝土連續(xù)墻，待Ⅲ4303工作面回采后，頂板沿切頂垮落，待采空區(qū)上覆巖層垮落充分后，在采空區(qū)邊緣澆筑柔?；炷吝B續(xù)墻，并進(jìn)行Ⅲ4305工作面回風(fēng)巷的掘進(jìn)作業(yè)，以此實(shí)現(xiàn)Ⅲ4303工作面的無(wú)煤柱開(kāi)采[13]，具體技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)路線圖

3.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.2.1 Ⅲ4303工作面進(jìn)風(fēng)巷基本支護(hù)

Ⅲ4303工作面進(jìn)風(fēng)巷斷面為矩形斷面，凈寬×凈高=5.0m×4.0m，采用“錨桿+錨索+經(jīng)緯網(wǎng)+波紋鋼帶”聯(lián)合支護(hù)，鋼帶眼間排距為960mm×1000mm，頂部錨索“二·二”方式布置在鋼帶上，頂板角錨桿距兩幫200mm，角錨桿與垂直方向的夾角為15°，其它錨桿均垂直頂板布置；巷幫錨桿間排距為800mm×800mm，其中煤柱幫側(cè)距巷道底板2.0m位置，布置一排幫錨索，錨索型號(hào)與頂板相同，錨索向上傾角小于15°，按2.7m的排距進(jìn)行布置，具體支護(hù)方案如圖4所示。

3.2.2 Ⅲ4303工作面進(jìn)風(fēng)巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

1)進(jìn)風(fēng)巷擴(kuò)幫支護(hù)。由于Ⅲ4303工作面進(jìn)風(fēng)巷沿頂板掘進(jìn)，底板有0.9～1.5m的煤，為了保證墻體的穩(wěn)定及防止墻體發(fā)生鉆底現(xiàn)象，采用混凝土對(duì)墻體下方的煤體進(jìn)行置換，在擴(kuò)幫作業(yè)時(shí)一同起底，起底深度1.5m，寬度2.5m；擴(kuò)幫區(qū)頂板采用錨網(wǎng)索帶支護(hù)，頂部每排布置1根型號(hào)為Φ20mm×2200mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，布置2根型號(hào)為Φ17.8mm×7200mm的錨索，錨桿錨索相間布置，間排距為960mm×1000mm，采用波紋鋼帶組合支護(hù)。

圖4 Ⅲ4303工作面進(jìn)風(fēng)巷支護(hù)方案(mm)

2)巷旁充填體支護(hù)。運(yùn)用“分離巖塊法”分析確定柔?；炷吝B續(xù)墻所承受的壓力，該理論主要原理為巷旁充填體上方和沿空巷道一定范圍內(nèi)分離巖塊的重量構(gòu)成了隔離墻載荷[14-16]。隔離墻在冒落矸石和未采動(dòng)煤體的高壓力區(qū)之間，屬于降壓區(qū)。采空區(qū)側(cè)為主要的自由面。由于覆巖呈層狀賦存，可能出現(xiàn)離層現(xiàn)象，進(jìn)而使得巖塊沿煤壁以α角斷裂，斷裂后的巖塊進(jìn)入自由狀態(tài)，成為隔離墻的載荷。無(wú)煤柱開(kāi)采礦壓計(jì)算模型如圖5所示。計(jì)算公式見(jiàn)式(3)。

圖5 分離巖塊法計(jì)算墻體壓力模型

式中，q為隔離墻載荷，MPa；h為采高，m，取5m；α為剪切角，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取為26°；bB為隔離墻內(nèi)側(cè)到煤幫的距離，m，即以Ⅲ4305回風(fēng)巷的掘巷寬度，取5m；x為隔離墻寬度，取1.5m；bC為隔離墻外側(cè)懸頂距，取0.3m；γ為頂板分離巖塊容重，取26kN/m3；θ為煤層傾角，取8°；

代入式(3)得出隔離墻承受的載荷q=3.4MPa，動(dòng)壓系數(shù)取2，能夠計(jì)算出柔?；炷辽铣惺艿膲毫?0200kN/m。

根據(jù)柔?；炷亮W(xué)性能試驗(yàn)得知，選取每立方米水泥用量450kg，水用量200kg，砂用量800kg，石子1000kg，外加劑0.9kg配置的C30柔?；炷琉B(yǎng)護(hù)28d的強(qiáng)度為38.3MPa，查閱相關(guān)規(guī)范知素混凝土墻體的正截面承載能力為：

基于上述數(shù)據(jù)能夠計(jì)算出柔?；炷翂挾葹?.5m時(shí)，此時(shí)每米墻體的承載能力N=23025.4kN，遠(yuǎn)大于作用在墻體上的最大載荷10200kN/m，理論計(jì)算安全系數(shù)為2，故可視充填墻的支護(hù)強(qiáng)度滿足要求。

為充分保證混凝土墻的強(qiáng)度，在墻體內(nèi)布置橫向錨栓，兩側(cè)布置橫縱向鋼筋鋼帶，并鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)；錨栓采用型號(hào)為Φ22mm×1650mm的螺紋鋼，間排距為800mm×750mm；錨栓預(yù)緊扭矩不小于150N·m；鋼筋鋼帶Φ16圓鋼焊接而成；鋼筋網(wǎng)規(guī)格：Φ6.5mm，網(wǎng)孔100mm×100mm；在進(jìn)行混凝土澆筑作業(yè)時(shí)，在距離煤幫800mm的位置時(shí)開(kāi)始澆筑作業(yè)，澆筑時(shí)使用單體支柱掛設(shè)柔性模板；柔模混凝土墻體支護(hù)斷面圖及墻體錨栓及鋼筋鋼帶布置如圖6所示。

3)Ⅲ4305工作面回風(fēng)巷支護(hù)。根據(jù)Ⅲ4305工作面回風(fēng)巷的具體情況，并參照相鄰工作面的支護(hù)設(shè)計(jì)及大采高工作面無(wú)煤柱開(kāi)采工程實(shí)踐，對(duì)Ⅲ4305工作面回風(fēng)巷支護(hù)參數(shù)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，巷道采用“錨桿+錨索+經(jīng)緯網(wǎng)+波紋鋼帶”聯(lián)合支護(hù)，支護(hù)參數(shù)如下：①頂板支護(hù)：錨桿采用Φ20mm×2200mm螺紋鋼錨桿，間排距920mm×1000mm，錨索采用Φ17.8mm×7200mm鋼絞線，間排距1840mm×1000mm，波紋鋼帶采用6孔鋼帶，鋼帶眼間距960mm；②幫部支護(hù)：錨桿采用Φ20mm×2200mm螺紋鋼錨桿，間排距800mm×1000mm，最下一排錨桿距底板600mm，且向下傾斜15°布置，最上一根錨桿距頂300mm，且向上傾斜15°布置，其它錨桿垂直布置。在距離頂板2.0m位置，按2.7m間距布置一排幫錨索，且向上傾角不超過(guò)15°，具體Ⅲ4305工作面回風(fēng)巷支護(hù)方案如圖7所示。

圖6 Ⅲ4303工作面進(jìn)風(fēng)巷無(wú)煤柱護(hù)巷支護(hù)斷面圖(mm)

圖7 Ⅲ4305工作面回風(fēng)巷支護(hù)斷面圖(mm)

4 效果分析與經(jīng)濟(jì)效益

4.1 效果分析

由于在進(jìn)行無(wú)煤柱開(kāi)采作業(yè)時(shí)，在Ⅲ4303工作面進(jìn)風(fēng)巷側(cè)澆筑了一道柔模混凝土墻體，因此Ⅲ4303工作面進(jìn)風(fēng)巷在掘巷期間巷道圍巖變形量較小，當(dāng)Ⅲ4303工作面回采完畢后，進(jìn)風(fēng)巷即垮落形成采空區(qū)，故主要對(duì)Ⅲ4305工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)期間進(jìn)行觀測(cè)，從巷道掘進(jìn)迎頭開(kāi)始，每50m布置一個(gè)巷道表面位移監(jiān)測(cè)站，采用十字交叉法進(jìn)行表面位移的監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖8 Ⅲ4305工作面回風(fēng)巷圍巖變形量曲線

通過(guò)分析圖8可知，Ⅲ4305工作面回風(fēng)巷在掘進(jìn)期間，巷道圍巖變形量在逐漸增大，當(dāng)距離掘進(jìn)工作面80m時(shí)，巷道圍巖的變形速度逐漸降低，在距離掘進(jìn)工作面130m時(shí)，此時(shí)巷道的圍巖變形量基本達(dá)到穩(wěn)定，最終巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平康淖畲笾捣謩e為220mm和240mm，另外根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)知，Ⅲ4303工作面掘進(jìn)和回采期間，進(jìn)風(fēng)巷的圍巖變形量均滿足使用要求，據(jù)此可知Ⅲ4303工作面采用無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)，能夠保障巷道圍巖的穩(wěn)定。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

Ⅲ4303工作面采用無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)主要的經(jīng)濟(jì)效益體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：①煤柱效益：按照Ⅲ4303工作面進(jìn)風(fēng)巷煤柱寬度25m，可采長(zhǎng)度為1370m，煤層厚度5.0m，多采煤柱27.2萬(wàn)t，每噸售價(jià)420元，共計(jì)1.14億元，無(wú)煤柱開(kāi)采每米墻體材料費(fèi)、基礎(chǔ)材料費(fèi)、人工費(fèi)用共計(jì)8475.65元/m，無(wú)煤柱的開(kāi)采成本共計(jì)約為0.12億元，據(jù)此可知實(shí)現(xiàn)煤柱增收1.02億元；②減少防突費(fèi)用：Ⅲ4305工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)期間，可減少區(qū)域防突措施，按照小煤柱工藝掘進(jìn)；③加快掘巷速度：Ⅲ4305工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)時(shí)，墻體替代以一個(gè)煤幫，減少了一幫的支護(hù)時(shí)間，可增加掘進(jìn)效率。

5 結(jié) 論

1)根據(jù)柔?；炷恋牧W(xué)性能試驗(yàn)可知，由于柔模本身透水不透漿特性的存在，使得C30的柔?；炷恋膹?qiáng)度高于普通混凝土的強(qiáng)度，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d時(shí)C30普通混凝土強(qiáng)度為32.6MPa，柔?；炷翉?qiáng)度達(dá)到38.3MPa，抗壓強(qiáng)度相對(duì)提升17.5%。

2)根據(jù)Ⅲ4303工作面和Ⅲ4305工作面的具體地質(zhì)條件，對(duì)Ⅲ4303工作面無(wú)煤柱開(kāi)采的技術(shù)原理和巷道的支護(hù)方案進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，確定Ⅲ4303工作面進(jìn)風(fēng)巷和Ⅲ4303工作面回風(fēng)巷均采用“錨桿+錨索+經(jīng)緯網(wǎng)+波紋鋼帶”聯(lián)合支護(hù)的方式，采用實(shí)驗(yàn)分析和理論驗(yàn)證確定1.5m的C30柔?；炷料锱猿涮铙w強(qiáng)度滿足無(wú)煤柱開(kāi)采的使用要求。

3)厚煤層大采高工作面采用無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)主要的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益體現(xiàn)在：提高煤柱效益、減少防突費(fèi)用、提升巷道的掘進(jìn)速度。