15119 工作面無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)研究與應(yīng)用

王瑞栓

（山西陽(yáng)煤寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉中 045300）

1 工程概況

山西陽(yáng)煤寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司11509 工作面位于15#煤層，地面標(biāo)高+918～1068 m，井下標(biāo)高+487～576 m，煤層平均厚度4.8 m，平均傾角8°，頂板巖層為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，底板巖層為砂質(zhì)泥巖、11#煤和細(xì)砂巖。為提升煤炭采出率，在11509工作面鄰近15117 工作面回采前，在進(jìn)風(fēng)巷靠近11509 工作面一側(cè)進(jìn)行沿空留墻，當(dāng)11507 工作面回采完畢穩(wěn)定后再沿墻進(jìn)行15119 工作面回風(fēng)巷巷道的掘進(jìn)作業(yè)。

2 無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

15117 工作面回采前，在該工作面進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)沿著煤柱幫一側(cè)進(jìn)行墻體的澆筑，墻體材料采用柔模混凝土，隨后15117 工作面進(jìn)行回采作業(yè)，在15117 工作面回采完畢后可進(jìn)行11509 工作面回風(fēng)巷的掘進(jìn)作業(yè)，11509 工作面回風(fēng)巷沿著預(yù)留墻體的邊緣進(jìn)行掘進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了11507 和11509 之間完全無(wú)煤柱開(kāi)采[1-3]。15119 工作面無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)原理圖如圖1。

圖1 15119 工作面無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)原理圖

2.2 施工工藝

15119 工作面沿空留墻施工工藝流程、設(shè)備布置方式如下：

（1）運(yùn)料方式。主運(yùn)輸采用皮帶和煤溜運(yùn)輸。在15117 工作面進(jìn)風(fēng)巷口處安裝一部煤溜和一部翻矸車(chē)，煤溜挖地槽，混凝土料裝車(chē)后通過(guò)道岔進(jìn)入翻矸車(chē)，將混凝土料翻至煤溜，煤溜搭接皮帶進(jìn)行運(yùn)輸。

（2）澆筑站布置。澆筑站布置2 個(gè)，1 號(hào)澆筑站布置在頭部皮帶機(jī)頭位置，2 號(hào)澆筑站布置在二部皮帶機(jī)頭位置。待1 號(hào)澆筑站澆筑700 m 后將設(shè)備倒至2 號(hào)澆筑站。澆筑站不再施工硐室，直接放在皮帶機(jī)頭前方，混凝土直接通過(guò)皮帶至澆筑設(shè)備中。

（3）擴(kuò)幫工藝。先在巷道中施工切口，在切口里安裝綜掘機(jī)。每個(gè)切口安裝2 臺(tái)綜掘機(jī)和1 部煤機(jī)。1 臺(tái)綜掘機(jī)安裝二運(yùn)皮帶擴(kuò)上部，另一臺(tái)掃底挖基礎(chǔ)。

2.3 沿空留墻圍巖壓力分析

為掌握預(yù)留墻體所承受的圍巖壓力大小，結(jié)合現(xiàn)有礦壓理論，確定采用“分離巖塊法”進(jìn)行分析。該理論是將留巷和支護(hù)體上方一定范圍內(nèi)的巖塊視為墻體所受的載荷，墻體處于鄰近采空區(qū)冒落區(qū)域未采動(dòng)煤體側(cè)之間的降壓區(qū)，隨著回采動(dòng)壓的擾動(dòng)，基于巖層層狀賦存的特征，且鄰近采空區(qū)給巖塊提供了自由面，故假設(shè)巖塊會(huì)沿著煤壁成α 破斷，則破斷后巖塊的重量即為作用到墻體上的主要荷載來(lái)源[4-6]。具體理論計(jì)算模型如圖2。

圖2 分離巖塊法計(jì)算沿空留墻壓力的計(jì)算模型

式中：q 為隔離墻載荷，MPa；bB為隔離墻內(nèi)側(cè)到煤幫的距離，即15119 回風(fēng)巷掘巷寬度，取值5 m；x 為隔離墻寬度，取1.5 m；bc為隔離墻外側(cè)懸頂距，取0.3 m；γ 為頂板分離巖塊容重，取26 kN/m3；h 為采高，取5 m；α 為剪切角，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取為26°；θ 為煤層傾角，為8°。

結(jié)合工作面的具體地質(zhì)條件，確定bB=5 m，x=1.5 m，bc=0.3 m，γ=26 kN/m3，h=5 m，α=26°，θ=8°。將數(shù)據(jù)代入上式，計(jì)算可得隔離墻承受的載荷為：q=3.4 MPa。

考慮2 的動(dòng)壓系數(shù)，計(jì)算得出墻體所受壓力為10 200 kN/m。

3 圍巖控制及效果

3.1 圍巖控制方案

（1）沿空留墻墻體寬度參數(shù)。11507 工作面進(jìn)風(fēng)巷的沿空留墻寬度設(shè)置為1.5 m，筑墻采用C40混凝土，筑墻工藝采用柔?；炷凉に嚕Y(jié)合《混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》中墻體承載能力驗(yàn)證公式為：

式中：N 為紡織結(jié)構(gòu)混凝土墻體的承載能力，kN/m；φ 為素混凝土構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，l0/b=1.5H/b=4.1，查閱規(guī)范得φ=0.97；fcc為素混凝土抗壓強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值，C40 混凝土?xí)r，fcc=21.1 MPa?；谏鲜鰯?shù)據(jù)，計(jì)算得出C40 柔?；炷翂w的承載能力為30 700.5 kN/m，與上述計(jì)算得出的墻體所受荷載相比，其承受能力約為所受荷載的3 倍，據(jù)此可判斷出采用1.5 m 的C40 混凝土作為墻體滿(mǎn)足使用要求。

（2）切頂卸壓方案。為減少15117 工作面采空區(qū)頂板對(duì)墻體及15119 工作面礦壓影響，在15117進(jìn)風(fēng)巷墻體740～1240 m 段（隨墻掘進(jìn)300～800 m段），對(duì)頂板進(jìn)行水力壓裂。壓裂長(zhǎng)度共計(jì)500 m，其中：1240～1040 m 之間施工單排孔200 m，鉆孔總長(zhǎng)度820 m；1040～840 m 之間施工雙排孔200 m，鉆孔總長(zhǎng)度1480 m；在840～740 m 之間施工單排孔100 m，鉆孔總長(zhǎng)度410 m。施工區(qū)域總長(zhǎng)度為500 m，三個(gè)區(qū)域共計(jì)施工鉆孔長(zhǎng)度為2910 m。壓裂鉆孔長(zhǎng)度為41.1 m，間距12 m，壓裂深度為11.7～41.1 m，每1.5 m 壓裂一次，每次不少于30 min。

（3）支護(hù)方案設(shè)計(jì)。15119 工作面回風(fēng)巷斷面為矩形，巷道掘進(jìn)寬度為5.4 m，掘進(jìn)高度為4.1 m，巷道內(nèi)部的基本支護(hù)采用錨網(wǎng)索支護(hù)。現(xiàn)考慮到頂板巖層整體性較差的特征，為應(yīng)對(duì)5.6 m 厚砂質(zhì)泥巖直接頂及容易離層的0.4 m 厚粉砂巖和1.5 m 厚的細(xì)粒砂巖，確定頂板采用全錨索支護(hù)，使頂板軟弱巖層通過(guò)全錨索端錨懸吊在5.5 m 厚的穩(wěn)定中粒砂巖巖層內(nèi)，錨入中粒砂巖中的深度約在1.5～2 m。具體頂板錨索端錨關(guān)鍵層位支護(hù)如圖3（a）。

巷道頂板支護(hù)：采用6 孔W 鋼帶打注錨索，錨索規(guī)格為Φ21.6 mm×8200 mm，錨索托盤(pán)規(guī)格為300 mm×280 mm×14 mm 異形W 錨索托盤(pán)，間排距為1000 mm×1000 mm，角錨索距兩幫200 mm，所有錨索垂直巷頂打注。經(jīng)緯網(wǎng)長(zhǎng)邊垂直掘進(jìn)方向鋪設(shè)，經(jīng)緯網(wǎng)規(guī)格為5800 mm×1100 mm，頂W 鋼帶規(guī)格為BHW235/280/6-5300-1000-6。煤柱幫為寬1.5 m 高強(qiáng)度預(yù)留墻體，墻體之間及墻體與頂板接頂處全長(zhǎng)噴漿封閉，噴漿厚度為100 mm?，F(xiàn)為防止巷道圍巖的變形，在滯后掘進(jìn)工作面400 m 時(shí)，進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)，補(bǔ)強(qiáng)錨索Φ21.6 mm×9700 mm 的1×7 股鋼絞線，頂板布置三根補(bǔ)強(qiáng)錨索。

采幫采用錨桿（鋼護(hù)板）+錨索+菱形網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。采幫每排錨索、錨桿共布置5 根，間距為800 mm，從上至下第一、第二、第三根布置錨索，第四、第五根布置錨桿，最上一根距頂300 mm，最下一根距底600 mm，所有錨索、錨桿垂直巷幫打注。錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×4200 mm，錨桿規(guī)格為Φ20 mm×2200 mm 左旋無(wú)縱肋螺紋鋼錨桿，錨桿索排距均為1000 mm，錨桿索間同樣通過(guò)W鋼帶進(jìn)行連接，并采用規(guī)格為4400 mm×1100 mm的菱形網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表。

具體巷道支護(hù)方案如圖3（b）。

3.2 效果分析

為分析15119 工作面回風(fēng)巷的圍巖控制效果，從巷道掘進(jìn)迎頭開(kāi)始，隨著巷道的不斷向前掘進(jìn)，每50 m 布置一個(gè)巷道表面位移監(jiān)測(cè)站，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果得出曲線如圖4。

圖3 錨索錨固層位及巷道支護(hù)斷面圖

圖4 15119 工作面回風(fēng)巷圍巖變形量曲線

通過(guò)分析圖4 可知，掘進(jìn)期間圍巖變形主要發(fā)生在滯后掘進(jìn)工作面0～80 m 范圍內(nèi)，隨后隨著掘進(jìn)作業(yè)的進(jìn)行，監(jiān)測(cè)斷面巷道表面位移速率逐漸減小。當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面滯后掘進(jìn)工作面130 m 時(shí)，此時(shí)圍巖變形量基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最終巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笠平糠謩e為220 mm 和240 mm，圍巖變形量滿(mǎn)足回采巷道的使用要求。

4 結(jié)論

根據(jù)15119 工作面的地質(zhì)條件，結(jié)合沿空留墻技術(shù)原理和施工工藝，通過(guò)計(jì)算沿空留墻承載壓力，設(shè)計(jì)留墻采用C40 柔?；炷粒瑝w寬度為1.5 m，驗(yàn)證得出墻體承載力滿(mǎn)足使用要求，并基于巷道圍巖條件和墻體參數(shù)進(jìn)一步對(duì)巷道支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果得出，15119 工作面回風(fēng)巷在該種支護(hù)方案下圍巖控制效果良好。