西曲礦18403工作面沿空留巷可行性探討

張繼東

（山西西山煤電西曲礦，山西古交030200）

0 引言

雖然我國各種新能源蓬勃發(fā)展，但是煤炭仍然處于我國能源的主導(dǎo)地位。目前我國大多數(shù)煤礦仍采用傳統(tǒng)的采礦方法，采用較寬的區(qū)段煤柱（煤柱寬度一般為20 m～30 m）來對(duì)回采巷道進(jìn)行保護(hù)，這樣會(huì)造成在煤礦開采過程中，大部分的煤柱在工作面回采過后會(huì)被遺留到采空區(qū)內(nèi)，這樣就會(huì)造成大量的資源浪費(fèi)，并且留設(shè)區(qū)段煤柱時(shí)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中、采空區(qū)發(fā)火等問題。

為解決上述問題，提出了采用沿空留巷無煤柱開采的技術(shù)，許多的采礦方面的學(xué)者進(jìn)行了不懈的努力，如柏建彪等[1]在綜述巷旁支護(hù)技術(shù)發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上,提出膏體材料巷旁充填沿空留巷新技術(shù)；分析沿空留巷頂板破斷垮落特征,建立了膏體材料巷旁充填沿空留巷的力學(xué)模型,提出了膏體材料巷旁支護(hù)體主要參數(shù)的確定方法。李化敏［2］分析了沿空留巷頂板巖層運(yùn)動(dòng)的過程及其變形特征，明確了頂板巖層運(yùn)動(dòng)各階段巷旁充填體的作用，根據(jù)充填體與頂板相互作用原理，確定了各階段沿空留巷巷旁充填體支護(hù)阻力的控制設(shè)計(jì)原則，并建立了相應(yīng)的支護(hù)阻力及合理壓縮量數(shù)學(xué)模型。

沿空留巷技術(shù)無論從理論上還是技術(shù)上，都已經(jīng)發(fā)展的相對(duì)較為完善，并且我國有許多礦井都已經(jīng)成功的實(shí)施了沿空留巷無煤柱開采技術(shù)，為我們的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，出于經(jīng)濟(jì)等方面的考慮，西曲礦擬采用沿空留巷無煤柱開采技術(shù)，通過采用理論分析的方法，從實(shí)施沿空留巷的必要性、何種巷旁支護(hù)體最佳、采用柔?；炷料锱灾ёo(hù)技術(shù)的可行性、巷內(nèi)支護(hù)、充填設(shè)備等技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益考慮，對(duì)西曲礦18403回采工作面應(yīng)用沿空留巷無煤柱開采技術(shù)的可行性進(jìn)行探討。

1 項(xiàng)目背景

18403工作面位于南四盤區(qū)南部，西鄰永樹曲村、新建村保護(hù)煤柱，東部為南983運(yùn)輸大巷，南部待采的18401 工作面，北部為開采的18404 工作面。18403 工作面的采高為3.5 m。煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

根據(jù)查閱相關(guān)資料并對(duì)比西曲礦18403工作面地質(zhì)條件，西曲礦具備應(yīng)用沿空留巷技術(shù)的可行性。

圖1 工作面工程平面

沿空留巷的技術(shù)工藝為在工作面推進(jìn)的過程中在回風(fēng)順槽沿著工作面一側(cè)澆筑墻體，在本工作面回采完成后將回風(fēng)順槽保留下來作為下一個(gè)工作面的運(yùn)輸順槽。采用沿空留巷技術(shù)后能夠?qū)崿F(xiàn)Y 型通風(fēng)，對(duì)于解決上隅角以及回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛瘸迒栴}積聚有著突出的優(yōu)勢(shì)。

沿空留巷技術(shù)之所以在回風(fēng)順槽中進(jìn)行，是因?yàn)檫\(yùn)輸順槽中有膠帶輸送機(jī)需要運(yùn)煤，而在回風(fēng)順槽中實(shí)施，空間較大能夠鋪設(shè)一系列設(shè)備。

2 西曲礦沿空留巷技術(shù)應(yīng)用可行性分析

2.1 沿空留巷巷旁支護(hù)體的選擇

經(jīng)查閱相關(guān)資料，沿空掘巷常用的巷旁支護(hù)體有柔模泵注混凝土巷旁支護(hù)技術(shù)和鋼模泵注混凝土巷旁支護(hù)技術(shù)兩種。柔模泵注混凝土較傳統(tǒng)的剛性模板有突出的優(yōu)點(diǎn)，如1、在泵壓作用下，柔?；炷两禹斝Ч?；2、運(yùn)輸方便，操作方便，工序簡單，效率高；3、柔模析水快，墻體達(dá)強(qiáng)快且支護(hù)阻力大，具有一定的可縮性，與沿空掘巷圍巖變形相適應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。而鋼性模板施工困難，勞動(dòng)強(qiáng)度大，施工時(shí)間長，占用作業(yè)空間，容易漏漿，對(duì)不平整頂板適用性差，難接頂。

根據(jù)上述對(duì)常見兩種巷旁支護(hù)體的分析可知柔?；炷料锱灾ёo(hù)有著突出的優(yōu)勢(shì)，因此本項(xiàng)目中沿空掘巷采用柔模泵注混凝土巷旁支護(hù)技術(shù)是較為合理的選擇，即采用柔模混凝土連續(xù)墻作為巷旁支護(hù)體。

2.2 采用柔?；炷料锱灾ёo(hù)的可行性分析

2.2.1 沿空留巷壓力計(jì)算

依據(jù)西曲礦18403 工作面的實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件，決定采用“分離巖塊法”來計(jì)算頂板的壓力。“分離巖塊法”認(rèn)為在沿空巷道上方一定范圍內(nèi)的巖體形成分離巖塊，支護(hù)體的載荷為分離巖塊的重量。因此為保證巷旁支護(hù)體能夠起到其支承分離巖塊的作用，就必須計(jì)算巷旁支護(hù)體上的載荷即來自頂板的壓力q。根據(jù)工作面三機(jī)配套和回風(fēng)要求，確定18403 工作面沿空留巷后的寬度為4 500 mm。計(jì)算模型見圖2。

圖2 沿空留巷礦壓計(jì)算模型

頂板壓力q的計(jì)算公式如下：

式中，q—巷旁支護(hù)體載荷；bB—巷旁支護(hù)內(nèi)側(cè)到煤幫的距離，即留巷寬度，取4.5 m；x—巷旁支護(hù)寬度，根據(jù)相似沿空留巷礦井實(shí)施案例，初步取1.5 m；bC—巷旁支護(hù)外側(cè)懸頂距，取0.5 m；γ—頂板分離巖塊容重，取27 kN/m3；h—采高，取3.5 m；θ—剪切角（上覆巖層的斷裂角），根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取為26°；

計(jì)算可得支護(hù)厚度為1.5 m時(shí)，巷旁支護(hù)承受的壓強(qiáng)為：

即單位長度巷旁支護(hù)承受的載荷為Q1,

巷旁支護(hù)體上的載荷來源于直接頂分離巖塊的重量和老頂轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)直接頂造成的動(dòng)壓，但是其動(dòng)壓以目前的技術(shù)水平很難測(cè)得，因此一般所采用的方法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)所得的數(shù)據(jù)乘以一個(gè)動(dòng)載系數(shù)η，η 一般取1～2，在計(jì)算時(shí)一般從最大值考慮取2，這樣巷旁支護(hù)上的最大載荷為Q2，Q2=2Q1:[3][4]

2.2.2 墻體承載力驗(yàn)算

根據(jù)上述對(duì)常見兩種常用沿空留巷巷旁支護(hù)體的分析，此次18403 工作面沿空留巷巷旁支護(hù)體選用柔?；炷翞橄锱灾ёo(hù)體。

柔模混凝土是一種纖維包裹加筋的預(yù)應(yīng)力復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體，其承載力主要由約束增強(qiáng)體和核心混凝土兩部分組成。在混凝土的軸向方向上，錨栓會(huì)產(chǎn)生拉伸擴(kuò)容變形形成橫向約束力，使得混凝土處于三向應(yīng)力狀態(tài)。與素混凝土相比，柔?；炷恋膹?qiáng)度和延性都得到提高。因此混凝土的承載力是沿空掘巷能否成功的關(guān)鍵因素。柔?；炷翂w的承載力計(jì)算公式為：

錨栓的約束應(yīng)力計(jì)算公式為：

式中：N2—巷旁支護(hù)的承載能力，kN，其值由2.3.1計(jì)算可得；σr—錨栓套箍作用產(chǎn)生的有效約束力；MPa；Acor—環(huán)向包裹內(nèi)混凝土面積，m2，為1.5×103m2；fc—混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2，C30 混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為14.3 N/mm2；d—錨栓直徑，mm，普通沿空留巷所用錨栓的直徑為20 mm；σb—鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取300 MPa；a1,a2—錨栓的間排距，mm；

計(jì)算可得錨栓的約束應(yīng)力為：

柔?；炷翂w的承載能力為：

根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)巷旁支護(hù)安全系數(shù)大于1.2時(shí)可認(rèn)為支護(hù)強(qiáng)度滿足要求，本項(xiàng)目中墻體的承載力為27 339.12 kN/m，沿空留巷頂板壓力為18 866 kN/m，安全系數(shù)為1.45，因此巷旁支護(hù)滿足安全要求。

因此當(dāng)18403工作面采用沿空留巷時(shí)選擇柔?；炷翂w為巷旁支護(hù)體時(shí)，可很好地滿足安全的需求。

2.3 巷旁支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

墻體高度為3.5 m，墻體寬度為1 500 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。在柔?；炷翂w內(nèi)預(yù)置錨栓，錨栓為? 20×1 700 mm 的螺紋鋼，兩端絲扣長度各為100 mm，托板尺寸為150×150×16 mm，雙托板雙螺母；錨栓的間排距為1 500×1 000 mm，巷旁支護(hù)橫斷面見圖3。

圖3 巷旁支護(hù)斷面圖

2.4 巷旁支護(hù)設(shè)備及施工工藝

采用柔?；炷裂乜樟粝锛夹g(shù)時(shí)，其設(shè)備主要包括混凝土配料機(jī)、混凝土攪拌機(jī)、混凝土輸送泵等，其材料主要包括柔性模板、水泥、錨栓、鐵托板等。由于目前柔模混凝土沿空留巷市場(chǎng)較大，因此設(shè)備生產(chǎn)廠家有較多的選擇，這就為實(shí)施沿空留巷技術(shù)提供了更多的可能性。

沿空留巷施工主要包括地面制備干混料、運(yùn)料下井、井下制備與輸送混凝土和澆筑柔模混凝土墻體等幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。[5]

3 沿空留巷成本及經(jīng)濟(jì)效益

沿空留巷成本包括材料費(fèi)（如錨栓、混凝土、一次性纖維柔性模板等）、設(shè)備費(fèi)、人工費(fèi)。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研一整套柔?；炷猎O(shè)備約為240萬元。

煤柱效益：按照留巷長度1 199 m 計(jì)算，煤層平均厚度3.5 m，密度1.4 t/m3，煤柱20 m，采出率95%，采用沿空留巷以后，共計(jì)多回收煤炭資源11.8萬噸，噸煤效益按照200 元計(jì)算，每個(gè)工作面僅回收煤柱就可以創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益2 360萬元。

少掘巷效益：預(yù)估算每米留巷成本與掘巷成本基本持平，但是采用沿空留巷以后，工作面至少可以少掘停采線至采區(qū)大巷之間的巷道。

由于每米留巷成本與掘巷成本基本持平，因此回收一條煤柱所創(chuàng)造的利潤為2 360萬元，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。

4 結(jié)論

本文以西曲礦18403 工作面為研究背景，從巷旁支護(hù)、裝備、施工工藝以及經(jīng)濟(jì)效益等角度分析18403工作面采用沿空留巷技術(shù)是完全可行的，并且實(shí)施沿空留巷技術(shù)可以為礦井產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，研究結(jié)果也可以為相似礦井采用沿空留巷技術(shù)提供借鑒。