雙巷掘進(jìn)柔?；炷翢o煤柱開采技術(shù)應(yīng)用研究

李紅雷，劉 洋，雷平博

(1.山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司 唐安煤礦分公司，山西 高平 048407；2.陜西開拓建筑科技有限公司，陜西 西安 710054)

雙巷掘進(jìn)柔?；炷翢o煤柱開采技術(shù)的關(guān)鍵在于確定合理高效的雙巷掘進(jìn)施工方案以及利用合理的柔模混凝土隔離墻構(gòu)筑方案[1-3]。雙巷掘進(jìn)不同于傳統(tǒng)意義上的巷道掘進(jìn)，它取消了傳統(tǒng)的煤柱留設(shè)，一次成雙巷，提高了巷道的掘進(jìn)效率，方便采掘銜接，改變了落后的沿空留巷方式[4-9]。

其次柔模泵注混凝土技術(shù)[10，11]是使用一種橫斜雙拉纖維柔性模板，該模板由外部加筋纖維布和內(nèi)部拉筋組成，為封閉的三維紡織結(jié)構(gòu)，外形與支護(hù)體相同，是支護(hù)體的預(yù)成型體；使用此柔性模板快速澆筑連續(xù)混凝土隔離墻。利用此技術(shù)柔模透水不透漿的特性和泵壓強(qiáng)制接頂，主動(dòng)支撐頂板，構(gòu)筑成隔離墻密閉采空區(qū)[12]。

無煤柱開采技術(shù)是在井下開采過程中不留設(shè)保護(hù)煤柱，而采取其他方式支護(hù)圍護(hù)巷道的技術(shù)[13-16]。無煤柱開采具有延長(zhǎng)礦井壽命、緩和采掘關(guān)系、對(duì)生產(chǎn)礦井進(jìn)行技術(shù)改造等重要作用，可以改善礦井生產(chǎn)的安全條件和效率。以唐安煤礦2301(上)工作面雙巷掘進(jìn)柔?；炷翢o煤柱開采為工程實(shí)例，介紹此技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況。

1 工程概況

為了試驗(yàn)雙巷掘進(jìn)柔模混凝土無煤柱開采技術(shù)，特在唐安煤礦2301(上)工作面23011巷第三和第四橫川間實(shí)施，試驗(yàn)長(zhǎng)度200m。巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，掘進(jìn)高度3m，巷道坡度為0°～2°；唐安煤礦井田面積為13.806km2，可采煤層為3號(hào)、9號(hào)、15號(hào)煤層，現(xiàn)采3號(hào)煤層，為優(yōu)質(zhì)無煙煤，高瓦斯礦井，核定生產(chǎn)能力1.50Mt/a。

3號(hào)煤層采用分層開采方法，其上分層為雙巷掘進(jìn)方式。目前，正在回采的3號(hào)煤層2301(上)工作面采用“兩進(jìn)兩回、雙U”型通風(fēng)系統(tǒng)。雙U通風(fēng)雖然解決了掘進(jìn)及回采過程中瓦斯超限難題，但由于煤柱留設(shè)形成應(yīng)力集中，造成外圈巷道變形破壞，而且26m區(qū)段煤柱無法回收，不利于改善礦井技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

為此唐安煤礦經(jīng)廣泛調(diào)研，計(jì)劃在2301(上)工作面試驗(yàn)雙巷掘進(jìn)柔?；炷翢o煤柱開采技術(shù)，不僅解決瓦斯問題，而且實(shí)現(xiàn)區(qū)段無煤柱開采，延長(zhǎng)3#煤服務(wù)年限。試驗(yàn)段工程平面如圖1所示。

圖1 2301(上)工作面試驗(yàn)段工程平面

2 雙巷掘進(jìn)施工方案

2.1 總體方案

本項(xiàng)目不同于沿空掘巷，離采空區(qū)越近，壓力就越小[17]，也不同于普通掘進(jìn)巷道，單次只掘進(jìn)一條巷道，而是在23011巷沿著煤柱幫分兩次擴(kuò)巷，在巷道掘進(jìn)過程中澆筑柔?；炷粮綦x墻，同時(shí)柔模混凝土隔離墻是提前澆筑好的，比起沿空留巷巷旁支護(hù)要更早達(dá)到設(shè)計(jì)護(hù)強(qiáng)度；最后在超前2301(上)工作面實(shí)施聚能預(yù)裂爆破切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)，當(dāng)工作面回采過，柔模混凝土隔離墻采空區(qū)另外一側(cè)的巷道保留下來。雙巷掘進(jìn)施工主要包括以下六個(gè)步驟：

第一步：在23011巷煤柱幫一次擴(kuò)巷，擴(kuò)巷寬度3000mm，高度3000mm。

第二步：澆筑鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)寬度2000mm，基礎(chǔ)埋置深度800mm。

第三步：澆筑柔?；炷粮綦x墻，墻體寬度1400mm。

第四步：二次擴(kuò)巷，擴(kuò)巷寬度2600mm。

第五步：超前2301(上)回采工作面在23011巷施工切頂線。

第六步：2301(上)工作面回采，頂板沿切頂線垮落，形成沿空巷道。

2.2 一次擴(kuò)巷

根據(jù)掘進(jìn)設(shè)備工作要求及巷道掘進(jìn)要求，設(shè)計(jì)沿頂留底煤擴(kuò)幫，擴(kuò)幫寬度為3000mm，擴(kuò)幫段高度與原巷道高度一致，仍為3000mm。根據(jù)頂板巖層結(jié)構(gòu)，結(jié)合理論分析，參考類似工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)擴(kuò)幫段頂板采用“樹脂加長(zhǎng)錨固高強(qiáng)錨桿+錨索+鋼筋托梁+雙層金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)，設(shè)計(jì)擴(kuò)幫段煤幫采用玻璃鋼錨桿配合塑料網(wǎng)支護(hù)[18，19]。所有錨桿和錨索采取防錨桿或錨索破斷傷人措施。一次擴(kuò)巷施工流程如圖2所示。

圖2 一次擴(kuò)巷施工

2.3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

2301工作面采用分層開采工藝，為了保證墻體穩(wěn)定性，減少沿空巷道底鼓量，設(shè)計(jì)在墻體下施工植筋和鋼筋混凝土整體條形擴(kuò)展基礎(chǔ)。基坑開挖深度不低于800mm，開挖寬度不低于2000mm?；A(chǔ)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

2.4 柔?；炷粮綦x墻設(shè)計(jì)

在擴(kuò)巷區(qū)澆筑柔模混凝土隔離墻，澆筑隔離墻采用沿空留巷橫斜雙拉纖維柔性模板，該模板由外部加筋纖維布和內(nèi)部拉筋組成，為封閉的三維紡織結(jié)構(gòu)，外形與支護(hù)體相同，是支護(hù)體的預(yù)成型體；澆筑墻體寬度1400mm，墻體一側(cè)與23011巷原煤柱幫平齊，另一側(cè)距離一次擴(kuò)巷后新煤幫1600mm。墻體澆筑時(shí)具有3°迎山角，減輕墻體壓力，減少底鼓量。柔?；炷粮綦x墻如圖4所示。

圖4 柔?；炷粮綦x墻施工

2.5 二次擴(kuò)巷

為了滿足巷道復(fù)用要求，需要對(duì)一次擴(kuò)巷的斷面進(jìn)行二次擴(kuò)刷。設(shè)計(jì)沿頂留底煤擴(kuò)幫，擴(kuò)幫寬度為2600mm，擴(kuò)幫段高度與原巷道高度一致，仍為3000mm。二次擴(kuò)巷施工流程如圖5所示。

圖5 二次擴(kuò)巷施工

2.6 聚能預(yù)裂爆破切頂卸壓護(hù)巷

超前2301(上)工作面實(shí)施聚能預(yù)裂爆破切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)[20，21]，切頂卸壓孔直徑50mm，長(zhǎng)度17m，其中裝藥10m，封孔7m，炮孔傾角75°，孔間距600mm。聚能預(yù)裂爆破切頂卸壓護(hù)巷設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 聚能預(yù)裂爆破切頂卸壓護(hù)巷設(shè)計(jì)

2.7 沿空巷道

工作面回采過后，頂板沿切頂線垮落，柔?；炷粮綦x墻采空區(qū)一側(cè)的巷道保留下來，形成沿空巷道。沿空巷道如圖7所示。

圖7 沿空巷道

3 柔?；炷翢o煤柱開采施工技術(shù)

3.1 柔?；炷粮綦x墻施工工藝

工藝一：在地面將砂子、石子、水泥、外加劑等干料進(jìn)行混合攪拌，然后通過礦車運(yùn)輸?shù)骄禄炷帘谜?，這種工藝要求砂子含水率要低，但是質(zhì)量容易保證，井下工作量少。

工藝二：在地面配制砂子和石子混合料，與水泥和外加劑分別運(yùn)輸下井，在井下進(jìn)行物料配制，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且混凝土強(qiáng)度離散性大，容易堵管。

唐安礦2301(上)工作面實(shí)際施工中選擇第二種工藝。

3.2 柔?；炷粮綦x墻施工設(shè)備選擇

澆筑混凝土采用柔?；炷林苽漭斔蜋C(jī)組專用設(shè)備，該設(shè)備集自動(dòng)上料、攪拌和輸送功能于一體，設(shè)備型號(hào)為KTRHZSJ-50，設(shè)備總功率220kW，生產(chǎn)能力50m3/h，完全滿足井下施工要求。

3.3 礦用高性能混凝土澆筑

構(gòu)筑隔離墻所使用的是滿足自密實(shí)、快硬、早強(qiáng)、高強(qiáng)等要求的礦用高性能混凝土。在地面攪拌站將砂子、石子、外加劑按照配合比攪拌均均后運(yùn)輸至井下，將攪拌好的干物料與水泥按照比例輸送至機(jī)組攪拌機(jī)內(nèi)加水?dāng)嚢杈鶆?，利用混凝土輸送泵將高性能混凝土泵送至柔模?nèi)。

利用柔性模板透水不透漿特性和泵壓強(qiáng)制接頂，主動(dòng)支撐頂板，密閉采空區(qū)。

3.4 柔?；炷粮綦x墻養(yǎng)護(hù)

由于混凝土墻寬為1.4m，厚度大于1m，因此屬大體積混凝土。大體積混凝土水化發(fā)熱量大，混凝土澆筑成型后7d內(nèi)必須每班安排專人對(duì)墻體進(jìn)行灑水降溫和養(yǎng)護(hù)。同時(shí)為了保證隔離墻的質(zhì)量，每澆筑30m制作3組150×150×150mm砼試塊，每組3個(gè)，標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)3d、7d；將養(yǎng)護(hù)好的試塊送到專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)。

3.5 勞動(dòng)施工組織

按照每天3班運(yùn)料，早班和中班各澆筑1模，每天形成墻體6m計(jì)算，2301(上)工作面澆筑隔離墻勞動(dòng)組織如圖8所示。

圖8 勞動(dòng)組織

3.6 施工安全技術(shù)措施

施工前，班長(zhǎng)必須對(duì)作業(yè)地點(diǎn)的安全情況進(jìn)行全面檢查，確認(rèn)安全隱患排除后方可作業(yè)；跟班隊(duì)長(zhǎng)、班長(zhǎng)和安檢員，負(fù)責(zé)沿空留巷無煤柱開采的水、火、瓦斯、煤塵、機(jī)電、運(yùn)輸、頂板等隱患的監(jiān)督檢查工作，發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)匯報(bào)，并組織處理；每班由帶班隊(duì)長(zhǎng)負(fù)責(zé)施工組織和施工質(zhì)量的監(jiān)督檢查；指定專人負(fù)責(zé)沿空留巷設(shè)備的檢修和維護(hù)；嚴(yán)格按照安全技術(shù)措施進(jìn)行作業(yè)。

4 實(shí)施效果分析

4.1 巷道變形監(jiān)測(cè)分析

23011巷試驗(yàn)段巷道共澆筑柔模68個(gè)，澆筑后二次擴(kuò)巷斷面為4200mm×3000mm，為了解巷道礦壓顯現(xiàn)情況，于7月3日和8月6日分別對(duì)二次擴(kuò)巷段巷道斷面進(jìn)行測(cè)量。第一次測(cè)量，二次擴(kuò)巷段巷道寬度為3.7～4.3m，其中2處巷寬為3.7m，3處巷寬3.8m，6處巷寬3.9m，其余54處均不小于4m；二次擴(kuò)巷段巷道高度為2.6～3.2m，其中4處巷道2.6m，其余均在2.7m以上。

第二次測(cè)量，二次擴(kuò)巷段巷道寬度為3.69～4.6m，其中5處巷寬小于3.9m(3.69～3.86m)，其余巷寬均不小于3.9m；二次擴(kuò)巷段巷道高度為2.5～3.03m，其中一半以上巷高在2.7m以上。具體兩次測(cè)量巷寬、巷高對(duì)比如圖9、圖10所示。

圖9 二次擴(kuò)巷兩次測(cè)量巷寬對(duì)比

圖10 二次擴(kuò)巷兩次測(cè)量巷高對(duì)比

圖9和圖10中的系列1為7月3日測(cè)量數(shù)據(jù)，系列2為8月6日測(cè)量數(shù)據(jù)。1號(hào)柔模為最里側(cè)柔模，68號(hào)柔模為最外側(cè)柔模。

從圖9可以看出，雖然兩此測(cè)量間隔一個(gè)月，但在采動(dòng)影響下，試驗(yàn)段巷道寬度變化并不大。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，由于最里側(cè)柔模煤柱側(cè)壓力顯現(xiàn)，煤壁外鼓，巷道在寬度方向上有所收縮。從圖10可以看出，第二次測(cè)量時(shí)，自第21號(hào)柔模開始，巷道在高度方向上有收斂現(xiàn)象，收斂范圍20～100mm左右，自31號(hào)柔模開始巷高收斂量明顯增大，收斂范圍在70～280mm之間。究其原因，隨著回采工作面推進(jìn)，試驗(yàn)段巷道壓力隨著周期來壓，滯后壓力開始顯現(xiàn)。

4.2 錨桿錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)分析

4.2.1 1#測(cè)站錨桿錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)

1#測(cè)站布置于距2301(上)工作面切眼705m處，錨桿錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)如圖11、圖12、圖13所示。

圖11 1#測(cè)站錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)

圖12 1#測(cè)站頂板錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)

圖13 1#測(cè)站煤幫錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)

由圖11—圖13可知，頂板錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)：墻體側(cè)頂錨索及頂板中部錨索壓力在滯后工作面150～210m范圍內(nèi)迅速增大，峰值為400kN，之后處于穩(wěn)定狀態(tài)。煤幫側(cè)頂錨索頂錨桿壓力在滯后工作面195～210m范圍內(nèi)有明顯增大，之后迅速回落至200kN，壓力較為穩(wěn)定。

頂板錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)：墻體側(cè)頂板錨桿壓力顯現(xiàn)呈小幅波動(dòng)狀態(tài)，比較穩(wěn)定，最大壓力60kN；頂板中部錨桿壓力在滯后工作面150～210m范圍內(nèi)明顯增大，最大壓力80kN，之后趨于穩(wěn)定；煤幫側(cè)頂板錨桿壓力在滯后工作面150～210m范圍內(nèi)明顯增大，最大壓力135kN，之后趨于穩(wěn)定。

煤幫錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)：煤幫中部錨桿壓力在滯后工作面110～150m范圍內(nèi)持續(xù)增大，最大壓力235kN，之后趨于穩(wěn)定；煤幫上部錨桿壓力顯現(xiàn)較為穩(wěn)定，最大壓力140kN；煤幫下部錨桿壓力顯現(xiàn)較為穩(wěn)定，最大壓力80kN。

結(jié)論：根據(jù)該測(cè)站處應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，錨桿錨索壓力在滯后工作面140～210m范圍內(nèi)變化明顯，之后處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，頂板錨索最大壓力400kN，頂板錨桿最大壓力135kN，煤幫錨桿最大壓力235kN。

4.2.2 2#測(cè)站錨桿錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)

2#測(cè)站布置于距2301(上)工作面切眼755m處，錨桿錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)如圖14—圖16所示。

圖15 2#測(cè)站頂板錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)

圖16 2#測(cè)站煤幫錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)

由圖14—圖16可知：頂板錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)：煤幫側(cè)頂錨索壓力在滯后工作面100～130m范圍內(nèi)有明顯增大，之后趨于穩(wěn)定，最大壓力250kN；墻體側(cè)頂錨索壓力在滯后工作面100～155m范圍內(nèi)有明顯增大，之后趨于穩(wěn)定，最大壓力280kN；頂板中部錨索壓力在滯后工作面50～100m范圍內(nèi)迅速增大，峰值為300kN，之后處于穩(wěn)定狀態(tài)。

頂板錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)：墻體側(cè)頂板錨桿壓力顯現(xiàn)呈小幅波動(dòng)狀態(tài)，比較穩(wěn)定，最大壓力90kN；頂板中部錨桿壓力在滯后工作面100～160m范圍內(nèi)明顯增大，最大壓力180kN，之后趨于穩(wěn)定；煤幫側(cè)頂板錨桿壓力在滯后工作面150～210m范圍內(nèi)明顯增大，最大壓力135kN，之后趨于穩(wěn)定。

煤幫錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)：煤幫錨桿壓力在滯后工作面30～110m范圍內(nèi)持續(xù)增大，之后小幅波動(dòng)并趨于穩(wěn)定，最大壓力180kN。

根據(jù)該測(cè)站處應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，錨桿錨索壓力在滯后工作面50～170m范圍內(nèi)變化明顯，之后處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，頂板錨索最大壓力300kN，頂板錨桿最大壓力180kN，煤幫錨桿最大壓力180kN。

5 結(jié) 論

1)實(shí)施雙巷掘進(jìn)柔?；炷翢o煤柱開采技術(shù)后，有效解決了礦井掘進(jìn)及回采過程中瓦斯超限難題，提高了煤炭的采出率、巷道的掘進(jìn)效率，同時(shí)避免了井下煤柱的應(yīng)力集中。

2)通過礦壓監(jiān)測(cè)站收集的巷道變形數(shù)據(jù)分析可知，雙巷掘進(jìn)沿空留巷頂板錨索壓力穩(wěn)定在300kN，頂板錨桿壓力穩(wěn)定在135kN，煤幫錨桿壓力穩(wěn)定在180kN，巷道頂?shù)滓平孔畲鬄?5mm，兩幫移近量最大為163mm，巷道基本沒有變形；柔?；炷粮綦x墻基本完整，僅有部分墻體出現(xiàn)剪切破碎情況，但是還保留有支護(hù)能力。礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)直接說明了雙巷掘進(jìn)施工方案、柔?；炷粮綦x墻構(gòu)筑方案合理高效，留巷巷道可滿足二次復(fù)用條件。

3)真正意義上改變了傳統(tǒng)的煤柱留設(shè)，實(shí)現(xiàn)了無煤柱開采，延長(zhǎng)了礦井壽命，確保礦井可持續(xù)發(fā)展。推動(dòng)了煤炭產(chǎn)業(yè)技術(shù)革新，提高了煤礦井下施工中的安全性，還為煤礦創(chuàng)造了較高的經(jīng)濟(jì)效益，還可以在其他同類型煤礦中應(yīng)用，為我國(guó)煤炭事業(yè)作出貢獻(xiàn)。