人工隔離墻置換采煤工作面間小煤柱的工藝研究

童漢宏

（淮南礦業(yè)集團(tuán)張集煤礦，安徽 淮南 232174）

1 多層網(wǎng)噴混凝土施工條件和原理

1.1 復(fù)雜條件工作面施工隔離墻條件分析

綜采工作面間留設(shè)5～8m煤柱是目前的通常做法。但在資源緊張等條件的煤礦，用人工隔離墻代替該煤柱，提高資源回收率是延長(zhǎng)礦井壽命、提高經(jīng)濟(jì)效益的不二選項(xiàng)。

根據(jù)煤礦井下實(shí)際生產(chǎn)情況和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，研究了一種在巷道掘進(jìn)時(shí)或采煤前，分層網(wǎng)噴混凝土建高強(qiáng)密封支柱隔離墻替換掉煤柱的方法，解決綜采工作面遺棄的煤柱。

掘進(jìn)時(shí)或采煤前多層噴射混凝土建立隔離墻，時(shí)間和空間充足，噴射混凝土施工靈活簡(jiǎn)易，適用掘進(jìn)巷道同步施工，適合掘進(jìn)后采煤前作業(yè)。實(shí)際生產(chǎn)中，工作面的巷道會(huì)有兩幫凹凸、頂?shù)装灏纪?、正反U型起伏等復(fù)雜情況，隔離墻的密封可靠、有效接頂是關(guān)鍵。提前分層噴射錨網(wǎng)混凝土支柱墻，工藝簡(jiǎn)單，解決巷道自身缺陷造成的難題。

1.2 掘進(jìn)同步、采煤前分層網(wǎng)噴混凝土隔離墻原理

掘進(jìn)中同步跟進(jìn)錨網(wǎng)噴混凝土隔離墻或采煤前建立錨網(wǎng)混凝土隔離墻原理如圖1所示。工作面巷道掘進(jìn)時(shí)，相應(yīng)加寬巷道設(shè)計(jì)，沿相鄰下一工作面?zhèn)染o貼巷道幫壁，跟進(jìn)施工一道0.5～1m分層網(wǎng)噴混凝土隔離墻，用錨網(wǎng)噴混凝土隔離墻替代留置煤柱，在相鄰下一工作面掘進(jìn)時(shí)沿墻掘進(jìn)，實(shí)現(xiàn)采煤面間無(wú)煤柱。噴射混凝土建墻不受巷道自身頂?shù)装迤鸱?、凹凸、臺(tái)階等影響，全覆蓋，無(wú)死角，封閉性高。

圖1 掘進(jìn)時(shí)建噴射混凝土支柱隔離墻原理

2 多層網(wǎng)噴高強(qiáng)密封混凝土隔離墻施工

2.1 掘進(jìn)同步或采煤前網(wǎng)噴混凝土隔離墻

掘進(jìn)中噴射混凝土支柱隔離墻，在建墻的一幫，巷道掘進(jìn)加寬0.5～1.2m。待掘巷進(jìn)行一段后，頂?shù)装宓V壓較小，無(wú)破碎，采高3m以下的，墻厚0.3～0.6m，采高3m以上，墻厚選擇0.6～1.2m。掘進(jìn)巷道底板留底煤的，在噴射混凝土隔離墻前挖地槽澆筑，順幫壁向下挖地槽到巖石，地槽內(nèi)澆注混凝土高于底板0.2m，使用噴射充填或現(xiàn)場(chǎng)配制攪拌混凝土澆注，如圖1。

分層噴射建墻工藝如下：第一步，在巷道幫部待噴漿段每根幫部支護(hù)錨桿外露螺紋端頭上，通過(guò)螺母連接，安裝一根長(zhǎng)度0.5m～1m全螺紋鋼筋，全螺紋鋼筋外露螺紋套上塑料套管保護(hù)；第二步，首次噴射厚度0.1～0.2m混凝土；第三步，首噴完成2h后，將塑料套管取出，在巷道幫壁噴射混凝土層外從頂板向下掛一層10#鍍鋅鐵絲金屬網(wǎng)，使用一副螺母和一副錨桿墊板將錨桿處金屬網(wǎng)夾緊，金屬網(wǎng)距離幫壁保持0.1～0.3m范圍，外露螺紋再次套塑料套管保護(hù)；第四步，噴射混凝土，將金屬網(wǎng)噴入混凝土內(nèi)；第五步，循環(huán)作業(yè)，分層噴射加厚混凝土墻到設(shè)計(jì)厚度。如果需要加快進(jìn)度，還可以嘗試一次分層掛齊3～5層金屬網(wǎng)，多層網(wǎng)一次噴全厚。

錨網(wǎng)噴混凝土隔離墻隨巷道掘進(jìn)分段施工延伸，部分地方因各類硐室斷開的，要在采煤前另砌混凝土墻封閉貫通。

2.2 掘進(jìn)時(shí)、采煤前金屬網(wǎng)夾墻充填噴射混凝土隔離墻

掘進(jìn)中或采煤前，金屬網(wǎng)夾墻噴射混凝土隔離墻施工技術(shù)，掘巷后距幫部0.8m左右掛一次雙層8#鐵絲金屬網(wǎng)，在金屬網(wǎng)與幫壁之間噴射充填混凝土。施工工藝：第一步，預(yù)留好噴射混凝土隔離墻距離，使用雙層8#鍍鋅鐵絲金屬網(wǎng)從頂板到底板掛網(wǎng)，將每根幫部錨桿使用雙股8#鍍鋅鐵絲與外掛網(wǎng)綁扎連接形成拉筋；第二步，網(wǎng)外用鐵絲綁扎固定一層4m×0.2m×0.03m木板；第三步，對(duì)金屬網(wǎng)與巷道幫部夾壁間噴射充填混凝土；第四步，噴射的混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，拆除外層木模板，循環(huán)延續(xù)施工下一段隔離墻。實(shí)際作業(yè)時(shí)在不綁扎模板的情況下，從兩個(gè)方向進(jìn)行噴射作業(yè)可能更快捷，這是一項(xiàng)最快捷的建墻方法。

2.3 液壓?jiǎn)误w木模板夾墻噴射充填隔離墻

采用液壓?jiǎn)误w木模板夾墻充填噴射方式，在巷道幫一定距離，用液壓?jiǎn)误w綁扎木模板與巷道幫部形成夾壁，夾壁內(nèi)噴射充填混凝土，建設(shè)混凝土隔離墻。施工工藝：第一步，使用液壓?jiǎn)误w在預(yù)留好隔離墻寬度位置每距離2m安裝一根接頂液壓?jiǎn)误w；第二步，單體內(nèi)側(cè)用雙股10#鐵絲綁扎固定一層4m×0.2m×0.03m木板作為模板；第三步，在掘進(jìn)方向，使用噴射法對(duì)模板與幫部之間密實(shí)充填混凝土；第四步，噴射的混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，拆除單體和模板，循環(huán)延續(xù)施工。如圖2所示。

圖2 夾壁噴射混凝土充填建隔離墻原理

2.4 掘后采前榫槽式大預(yù)制塊復(fù)合噴射混凝土隔離墻法

對(duì)于巷道寬闊平整、頂板壓力不大、能夠進(jìn)行起吊或叉車作業(yè)的，可以采用榫槽式混凝土大砌塊法快速成墻，再配合表面噴射混凝土。施工工藝：第一步，先在地面預(yù)制混凝土榫槽式大砌塊，砌塊規(guī)格：（0.5～0.8m）寬×（0.5～1m）高×（1.5～2m）長(zhǎng)，砌塊強(qiáng)度不低于C20；第二步，井下砌塊抹縫砌墻，緊靠巷幫需要砌墻的底板鋪一層現(xiàn)澆混凝土，然后使用8#鍍鋅鐵絲起吊榫槽式砌塊砌墻，砌塊上下層之間抹一層水泥砂漿；第三步，使用噴射混凝土將頂板與砌塊墻間隙充填密實(shí)；第四步，貼著預(yù)制塊墻外從頂板到底板掛一層10#鍍鋅鐵絲金屬網(wǎng)，對(duì)預(yù)制塊墻和金屬網(wǎng)進(jìn)行全斷面常規(guī)噴射厚度0.1～0.2m混凝土。如圖3所示。

3 多層網(wǎng)噴混凝土墻支承強(qiáng)度

3.1 多層網(wǎng)噴混凝土墻體載荷和支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算

混凝土墻體代替的煤柱載荷一般認(rèn)為分為巷道開挖后產(chǎn)生的載荷和回采過(guò)程中產(chǎn)生的附加載荷。

混凝土墻體單位面積的平均載荷即平均應(yīng)力：

圍巖豎向均布?jí)毫?/p>

式中：

s-圍巖級(jí)別，Ⅱ級(jí)，s=2，這里計(jì)算?、蠹?jí)，s=3；

γ-圍巖容重，這里計(jì)算取γ=2.8kN/m3；

ω-寬度影響系數(shù)，ω=1+i（B-5）；

B-巷道寬度，m；

i-B=5m基準(zhǔn)，B每增減1m時(shí)圍巖壓力增減率。當(dāng)B＜5m，取i=0.2；當(dāng)B＞5m，取i=0.1；

且巷道高度/寬度，H/B小于1.7，設(shè)初始寬巷施工的巷道6m，高3.5m，頂板Ⅲ級(jí)圍巖，則：

錨網(wǎng)噴混凝土隔離墻代替煤柱單位面積的平均載荷即平均應(yīng)力：

回采過(guò)程錨網(wǎng)噴混凝土隔離墻代替煤柱單位面積的采動(dòng)載荷:

k-采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)，范圍2.5～3.0。

C20錨網(wǎng)噴混凝土隔離墻厚度1m時(shí)，支承強(qiáng)度16MPa以上，大于P=15.2MPa采動(dòng)時(shí)頂板壓力，滿足要求。

圖3 榫槽式混凝土預(yù)制塊隔離墻示意圖

根據(jù)礦壓觀測(cè)，正常巷道頂板離層壓力0.1～15MPa，采動(dòng)壓力波動(dòng)范圍1～20MPa，采空區(qū)頂板來(lái)壓斷裂垮落沖擊壓可達(dá)25～35MPa。噴射隔離墻選用C15～C35噴射混凝土，錨網(wǎng)噴混凝土強(qiáng)度為同等級(jí)混凝土的80%，如果選用C20噴射混凝土，其強(qiáng)度16MPa。經(jīng)過(guò)以上驗(yàn)算噴射混凝土支柱隔離墻比煤柱剛性強(qiáng)，支護(hù)強(qiáng)度高于煤柱，可壓縮性和壓出移動(dòng)小于煤柱。當(dāng)需要更大的承載強(qiáng)度，選用C30以上等級(jí)噴射混凝土，加寬墻體，進(jìn)行墻內(nèi)配置鋼筋，提高支承強(qiáng)度。實(shí)際生產(chǎn)中，1m厚混凝土墻或混凝土砌塊墻在井下廣泛應(yīng)用，作為封閉墻、防火隔離墻、防水墻，密閉性和支承強(qiáng)度得到廣泛實(shí)踐驗(yàn)證。

3.2 多層網(wǎng)噴混凝土墻對(duì)頂板圍巖控制

0.5～1.2m多層網(wǎng)噴混凝土墻，垂向?qū)敯逯ёo(hù)強(qiáng)度和水平抗擠壓強(qiáng)度大于留置煤柱，變煤柱半被動(dòng)支護(hù)為主動(dòng)支護(hù)，支護(hù)強(qiáng)度優(yōu)于煤柱，工作面巷道支護(hù)強(qiáng)度得到很大提高。當(dāng)上覆巖層和巷幫煤體采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)時(shí)，采空區(qū)一側(cè)會(huì)形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性由巷道圍巖結(jié)構(gòu)、巷旁充填支護(hù)體等強(qiáng)度決定[1]。巷旁支護(hù)形式及支護(hù)強(qiáng)度的大小是影響沿空留巷懸臂梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素，當(dāng)巷旁支護(hù)體強(qiáng)度很高時(shí)，理論上切頂效果較好，頂板裂隙少，懸臂梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)性良好，老頂斜跨梁結(jié)構(gòu)則會(huì)朝向采空區(qū)側(cè)發(fā)生偏移[2]。

建立混凝土隔離墻替代煤柱，對(duì)巷道頂板圍巖進(jìn)行高強(qiáng)剛性支撐，頂板下沉不明顯，二次采煤時(shí)超前動(dòng)壓對(duì)兩巷破壞力下降，對(duì)于解決采煤時(shí)工作面兩巷壓力大、巷道維護(hù)復(fù)雜等問(wèn)題起到很好作用，工作面回采難度下降。沿空掘進(jìn)、采煤接近實(shí)體狀態(tài)，有效解決沿空掘進(jìn)、沿空采煤支護(hù)諸多問(wèn)題。

4 多層網(wǎng)噴混凝土隔離墻替代煤柱效益

正常工作面寬240m，面與面之間留5～8m煤柱，四面三柱（3×5/4～3×8/4）/240，遺煤率1.56%～2.5%。噴射混凝土隔離墻以1m厚錨網(wǎng)噴混凝土墻替代5～8m煤柱為例，根據(jù)預(yù)算錨網(wǎng)噴混凝土成本1200元/m3左右，以煤炭?jī)r(jià)格350元/t，容重1.35t/m3計(jì)算，1m3混凝土效費(fèi)比：350×5×1.35/1200=1.96。礦井年產(chǎn)1000萬(wàn)t，每年替出煤柱收益：1000×1.5%×350元/t×1.96/（1+1.96）=3476萬(wàn)元。建立混凝土隔離墻替出5～8m煤柱，除具有以上直接經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)后期掘進(jìn)和采煤有很大溢出效益。工作面巷道支護(hù)強(qiáng)度得到很大提高，兩次采煤和后期掘進(jìn)時(shí)超前動(dòng)壓對(duì)兩巷破壞力下降，后期采煤、掘進(jìn)時(shí)接近實(shí)體巷道，采煤掘進(jìn)難度下降，大幅度減少采煤期間兩巷人力物力投入，采煤費(fèi)用下降不小于替出煤炭收益。

5 結(jié)論

基于井下成熟的噴射混凝土施工方法，建立多層網(wǎng)噴混凝土支柱隔離墻，建墻時(shí)間空間提前到掘進(jìn)時(shí)或采煤前，實(shí)現(xiàn)高于留置煤柱的頂板支撐強(qiáng)度，既有利于瓦斯防治工作，又減少了生產(chǎn)環(huán)節(jié)，提高了資源回收率，具有良好的安全和社會(huì)效益。