筑墻雙巷無煤柱開采技術(shù)研究與應(yīng)用

孫凱

（晉能控股煤業(yè)集團亨元礦 山西 晉中 045400）

0 引言

國內(nèi)外研究學(xué)者針對傳統(tǒng)的無煤柱開采技術(shù)做了大量的研究工作［1］，我國在20世紀70年代末開始推廣和使用無煤柱開采技術(shù)［2］，筑墻雙巷無煤柱開采的作用原理與巷旁支護墻沿空留巷相似，與沿空留巷相比，該技術(shù)在未受采動影響前澆筑墻體，與采煤作業(yè)沒有交叉，無需增加特殊支架，墻體成型好，對頂板施加了一定初撐力，有利于頂板控制。同時也存在一次掘巷跨度大、墻體多承受一次回采工作面超前壓力影響等缺點［3］。綜上分析，在一定的條件下，筑墻雙巷方案優(yōu)于沿空留巷方案，通過分析壽陽亨元煤業(yè)的生產(chǎn)條件，優(yōu)先選用筑墻雙巷方案。

1 礦井地質(zhì)概況

壽陽亨元煤業(yè)現(xiàn)開采6#和8#煤層，6#煤平均煤厚1.89 m，8#煤平均煤厚1.65 m，層間距平均為10 m。筑墻雙巷巷道為080211 采煤工作面與080210 采煤工作面間的巷道，該巷道埋深為194 m～219 m，沿8#煤層底板挑頂掘進，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層平均厚度1.7 m，硬度系數(shù)f約為2，煤層傾向N～S，煤層傾角3°～5°，平均4°，為近水平煤層，直接頂為砂質(zhì)泥巖，老頂為細粒砂巖、中粒砂巖，直接底為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖。工作面掘進期間絕對瓦斯涌出量0.33 m3/min；煤層不易自燃，煤塵爆炸指數(shù)為19.8%。巷道施工工藝為綜掘，凈斷面：6 m×2.6 m，采用錨網(wǎng)支護。

2 筑墻雙巷無煤柱開采方案設(shè)計

筑墻雙巷巷道掘進寬度6 m，巷道掘進完成后在巷道中部砌筑一道混凝土支護墻，支護墻寬度0.8 m，將該巷道分割成兩條巷道?？拷?80210 工作面的寬度2.1 m，作為開采080210工作面時的回風(fēng)巷道，靠近080211 工作面的寬度3.1 m，作為開采080211 工作面時的回風(fēng)巷道。

圖1 筑墻雙巷無煤柱開采方案平面圖

2.1 墻體強度設(shè)計

基于亨元煤礦的地質(zhì)與開采條件，確定采用“分離巖塊法”計算混凝土支護墻的頂板壓力。其理論依據(jù)是保留巷道上方一定范圍內(nèi)分離巖塊的重量構(gòu)成了支護靜載荷，混凝土支護墻礦壓計算模型見圖2。

圖2 混凝土支護墻礦壓計算模型

為了保證沿空留巷穩(wěn)定，巷旁支護墻需承擔巷道上方巖塊的重量，根據(jù)力矩平衡理論，分離巖塊和巷旁支護墻對于煤層上右頂角A點處處于力矩平衡狀態(tài)。

式中：

q—巷旁支護載荷；

b—巷旁支護內(nèi)側(cè)到煤幫的距離，即留巷寬度，取3.1m；

bP—巷旁支護寬度，取0.8 m；

bX—巷旁支護外側(cè)懸頂距，取0.5 m；

γ—頂板分離巖塊容重，取27 kN/m3；

α—剪切角，根據(jù)經(jīng)驗選取為20°；

H—頂板垮落高度，取39.0 m。

計算可得混凝土支護墻寬度為0.8 m，留巷寬度3.1 m時的巷旁支護承受的壓強為：

混凝土支護墻上的載荷來源于直接頂分離巖塊的重量和老頂轉(zhuǎn)動對直接頂造成的動壓，老頂轉(zhuǎn)動對直接頂造成的動壓一直難以確定，傳統(tǒng)的觀點是用實測的方法測得所謂的動載系數(shù)η。根據(jù)綜采經(jīng)驗數(shù)據(jù)，η在一般情況下為1～2，在設(shè)計沿空留巷巷旁支護時取1.5，這樣巷旁支護上的最大載荷為：

q大=1.5q=28 MPa＜C30 混凝土最小抗壓強度30 MPa

經(jīng)計算可知，墻體寬度為0.8 m，留巷寬度3.1 m時，墻體強度應(yīng)大于28 MPa，故選用C30 混凝土澆筑墻體。

2.2 加強支護設(shè)計

影響巷道頂板壓力的主要因素為頂板冒落高度與采空區(qū)頂板的懸頂長度。由于8#煤上部的10 m 左右為6#煤采空區(qū)，6#煤層采空區(qū)上方15 m 左右為3#煤采空區(qū)，混凝土支護墻足以切斷8#煤上部10 m左右的巖層，所以不會產(chǎn)生大的頂板懸頂，頂板壓力是確定的，不能人為改變頂板壓力條件。對頂板的支撐主要取決于混凝土支護墻及巷幫煤壁。

2.2.1 煤壁加強支護

頂板壓力主要由煤壁與混凝土支護墻承擔，煤壁加強支護的作用主要是減少煤壁塑性區(qū)范圍、防止煤壁片幫、增大煤壁支撐力，煤壁加強支護采用全長錨固錨索加梯子梁承擔。

在靠近080211 工作面的煤壁打1 根錨索，呈“三花”布置，錨索間距為800 mm，距底板高度為1.2 m/2.0 m。錨索選用?17.8×4 200 mm低松弛鋼絞線，錨索錨固力不小于230 kN，梯子梁采用?18 mm 圓鋼焊接制作，規(guī)格為4 000 mm×100 mm。

2.2.2 混凝土墻支護設(shè)計

在巷旁支護墻體內(nèi)預(yù)置對拉錨栓，錨栓為?18×900 mm的螺紋鋼，兩端絲扣長度各為50 mm，托板尺寸為150×150×16 mm，雙托板雙螺母；錨栓間距為750 mm，錨栓排距為1 000 mm，錨栓的排距應(yīng)隨采煤工作面推進的進尺而調(diào)整，但排距最大不超過1 000 m，對拉錨栓的預(yù)緊力不小于150 N·m。

圖3 加強支護示意圖

2.2.3 超前、滯后支護

該巷道施工完畢并筑墻成雙巷后，先回采080210工作面。回采期間，080210回風(fēng)巷及080211回風(fēng)巷在080210 工作面采線前方30 m 范圍內(nèi)進行超前支護，080211工作面超前支護在080210工作面推過后不撤，作為該巷道的滯后支護。

超前支護采用支設(shè)帽柱的支護方式，其中：080210工作面回風(fēng)巷支設(shè)2 路單體帽柱，排距為0.8 m，間距1.0 m；080211 工作面回風(fēng)巷支設(shè)3 路單體帽柱，排距為0.8 m，間距1.0 m。當頂板破碎、形成網(wǎng)包或巷道動壓劇烈顯現(xiàn)等情況出現(xiàn)的特殊回采期間采用抬棚、套棚支護。

3 現(xiàn)場礦壓監(jiān)測

重點監(jiān)測080210 工作面回采對080211 回風(fēng)巷的動壓影響，選取080211 回風(fēng)巷具有代表性的測站，巷道表面位移曲線見圖4。

圖4 080211回風(fēng)巷監(jiān)測斷面變化曲線圖

080210 工作面的回采推進造成080211 回風(fēng)巷表面位移隨之緩慢增加，工作面回采至距測站30 m附近巷道表面位移迅速增加，工作面回采至超過測站70 m后巷道表面位移增長趨于放緩，最終080211回風(fēng)巷頂?shù)装逡平繛?10 mm，兩幫移近量為130 mm，巷道圍巖控制效果良好，能滿足080211工作面回采需求。

4 結(jié)論

根據(jù)亨元煤業(yè)地質(zhì)條件，結(jié)合筑墻雙巷技術(shù)原理及巷道斷面需求，通過計算墻體承載壓力，設(shè)計筑墻采用C30 混凝土，墻體寬度為0.8 m，驗證得出墻體承載力滿足使用要求，并進行了加強支護設(shè)計，通過巷道表面位移監(jiān)測結(jié)果得出，筑墻雙巷無煤柱開采方案可滿足相鄰兩個工作面回采需求，且能提高煤炭資源采出率，實現(xiàn)無煤柱開采。