厚煤層堆噴混凝土沿空留巷技術(shù)研究與應(yīng)用

韓紅兵

（冀中能源峰峰集團(tuán) 辛安礦，河北 邯鄲 056200）

1 概況

隨著礦井不斷開挖生產(chǎn)，辛安礦已進(jìn)入資源枯竭期，為提高煤炭回收率及延長礦井服務(wù)年限，在11212-2 煤柱工作面運(yùn)料巷實(shí)施沿空留巷。辛安礦11212-2 煤柱工作面，主采2 號煤層，平均厚度4.4 m，采用綜合機(jī)械化放頂煤方法回采，走向長873 m，傾斜長166 m（平均），切眼采用摸頂掘進(jìn)，臥底至大煤底板，進(jìn)行摸底安裝支架和回采。11212-2 運(yùn)料巷采用“堆噴混凝土沿空留巷”技術(shù)留巷長度770 m，成巷效果較好。

2 堆噴混凝土沿空留巷工藝

2.1 超前預(yù)裂爆破切頂

在11212-2 工作面運(yùn)料巷超前支護(hù)段以外，在巷道頂板靠近采幫的肩角位置沿巷道軸向均勻布置一排切頂鉆孔。保證切頂鉆孔沿巷道軸向在同一個平面上。與水平成55°夾角施工切頂爆破鉆孔，鉆孔傾斜長度為15 m，鉆頭直徑為48 mm。從孔底開始，依次放置6 節(jié)長度為1.5 m 的聚能管和1節(jié)長度為1 m 的聚能管，每節(jié)聚能管放置4 個藥卷，1 m 長的聚能管內(nèi)放置3 個藥卷，每個切縫鉆孔內(nèi)使用4×6+3=27 卷（規(guī)格為φ32 mm×300 mm、質(zhì)量0.3 kg/卷的煤礦許用三級乳化炸藥，單孔使用聚能管7 節(jié)，炸藥卷27 卷）。鉆孔剩余5 m部分，使用專用封孔炮泥封堵孔口，頂孔間距1 m。11212-2 煤柱工作面切頂爆破示意如圖1所示。

圖1 11212- 2 煤柱工作面切頂爆破示意Fig.1 Indication of roof cutting blasting in No.11212-2 Face

2.2 沿空留巷

2.2.1 支護(hù)原理

沿空留巷是由煤幫、巷旁支護(hù)及巷道上方頂板巖層所圍成的空間，留巷成功的關(guān)鍵在于保持此小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。煤系巖層為脆性材料，巷道頂板稍有離層或下沉變形就會發(fā)生斷裂破壞。

沿空留巷圍巖由巷內(nèi)支護(hù)及巷旁支護(hù)共同承載，由于巷內(nèi)錨網(wǎng)支護(hù)能力有限，因此，必須要求巷旁支護(hù)墻體盡早形成對頂板的高強(qiáng)支撐，阻止留巷頂板離層及下沉變形，同時能夠發(fā)揮切頂柱的作用，切斷采空側(cè)的懸臂頂板，使沿空留巷的基本頂巖層在采空區(qū)側(cè)斷裂，減輕沿空巷道所承受的側(cè)向壓力。

沿空留巷圍巖小結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示。

圖2 沿空留巷圍巖小結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Small structure of surrounding rock in gob- side entry retaining

2.2.2 堆噴沿空留巷工藝

堆噴工藝是一種新型的構(gòu)筑混凝土墻體的方法，是將砂石料、水泥、JCT-1 噴射混凝土外加劑在潮濕（或干燥） 狀態(tài)下按一定比例拌和均勻后裝入噴射機(jī)，用壓縮空氣將混合料沿管路輸送至噴頭處與水混合，并高速噴射至作業(yè)面，形成噴層或構(gòu)筑墻體，如圖3 所示。

圖3 堆噴工藝構(gòu)筑巷旁墻體示意Fig.3 The sign of building roadside wall by heap spraying technology

堆噴工藝構(gòu)筑的混凝土墻體或噴層具有如下特點(diǎn)。

①施工僅需構(gòu)筑簡易檔板，一次噴層厚度大，墻體成型快，無需支模和養(yǎng)護(hù)；②噴層具有高粘附性，降塵封水，回彈率小于5%；③早強(qiáng)且不損失最終強(qiáng)度，終期強(qiáng)度超過C30；④接頂效果好，噴層與巖層共同承受荷載；⑤墻體具有高密度、高強(qiáng)度、微膨脹特性，密實(shí)不漏風(fēng)；⑥施工設(shè)備體積小，快速靈活方便，節(jié)約了投資和勞力，施工效率較高。

堆噴工藝構(gòu)筑沿空留巷巷旁墻體施工速度快、操作方便，不損失混凝土強(qiáng)度，成本低，符合煤礦井下安全生產(chǎn)要求。堆噴工藝筑墻的速度主要和噴射機(jī)的噴射能力有關(guān)，在噴射機(jī)噴射能力滿足要求的情況下，堆噴工藝的速度可達(dá)7～8 m3/h，對提高筑墻速度，減少工人勞動強(qiáng)度，縮短工期，促進(jìn)煤礦安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

井下現(xiàn)場做試塊，委托河北工程大學(xué)采礦工程實(shí)驗(yàn)室做單軸抗壓強(qiáng)度測試，實(shí)測得到的堆噴混凝土強(qiáng)度曲線，如圖4 所示，3 d 強(qiáng)度即可達(dá)到19.43 MPa，28 d 強(qiáng)度可以達(dá)到40.6 MPa。

圖4 堆噴混凝土強(qiáng)度曲線Fig.4 Strength curve of pile-sprayed concrete

2.3 堆噴混凝土沿空留巷實(shí)施方案

（1） 留巷基本方式。超前切頂卸壓+補(bǔ)強(qiáng)錨索+堆噴巷旁墻體聯(lián)合支護(hù)。

（2） 巷旁擋矸方式。緊跟工作面液壓支架，沿采空區(qū)邊緣開挖基礎(chǔ)坑，并打設(shè)木點(diǎn)柱擋矸，木點(diǎn)柱靠巷道內(nèi)側(cè)鋪雙層金屬網(wǎng)+風(fēng)筒布。

（3） 留巷支護(hù)。留巷臨時支護(hù)、超前支護(hù)及滯后支護(hù)均使用單體液壓支柱+鉸接頂梁支護(hù)。

（4） 巷旁墻體尺寸。原巷道中線高度3.2 m，堆噴巷旁墻體中心線高度2.8 m，墻體高度為3.3 m（含基礎(chǔ)坑0.5 m），墻體底部寬度為1.2m，頂部寬度為1.0 m。

（5） 堆噴巷旁墻體。墻體靠采空側(cè)為木點(diǎn)柱+鋼筋網(wǎng)+風(fēng)筒布+鋼筋網(wǎng)，墻體靠留巷側(cè)架設(shè)一層鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)直徑為6 mm、網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm（一方面發(fā)揮構(gòu)造配筋的作用，另一方面起到控制墻體外形輪廓的作用），相鄰鋼筋網(wǎng)片與鋼筋網(wǎng)片之間重疊100 mm，并用鐵絲捆扎；沿墻體高度從底板向上均勻布置4 根長度為1～1.2 m 的橫向鋼筋，頂?shù)桌钪睆? mm，中間2 根采用直徑18 mm 的錨桿，（錨桿靠近采空區(qū)側(cè)折成彎鉤，巷道側(cè)上120 mm×120 mm×16 mm 的托盤，在中間2 排對拉錨桿上，每排順巷道再加2 趟配筋錨桿；為加強(qiáng)墻體整體性和穩(wěn)固性，配筋錨桿布置在墻體中線偏向兩側(cè)各0.2 m 處，間距0.4 m） 固定網(wǎng)片位置，沿豎直方向同一列橫向固定鋼筋的間距為1.0 m，相鄰兩列之間的排距為1.0 m，配筋與頂板底板外露錨桿用14 號鐵絲固定牢固?？苛粝飩?cè)的堆噴層覆蓋鋼筋網(wǎng)片5～10 mm，墻體底部的基礎(chǔ)坑內(nèi)鋪設(shè)一層φ6 mm 鋼筋焊接的寬度為1.2 m、網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm 的金屬網(wǎng)片。

（6） 堆噴設(shè)備及工藝。利用礦車下料至井下臨時料場處，在材料場按配合比混合好堆噴干料，混凝土噴射機(jī)在材料場通過管路輸送至施工處，緊跟采煤工作面機(jī)尾支架，堆噴作業(yè)構(gòu)筑巷旁墻體。

（7） 留巷作業(yè)。檢修班超前爆破切頂和補(bǔ)打加強(qiáng)錨索，運(yùn)料及其他準(zhǔn)備工作。生產(chǎn)班采煤、擋矸臨時支護(hù)、滯后臨時支護(hù)、堆噴構(gòu)筑巷旁墻體。

2.4 技術(shù)優(yōu)勢

堆噴混凝土巷旁墻體發(fā)揮隔離采空區(qū)和支撐巷道頂板的作用，該沿空留巷技術(shù)具有墻體承載能力高、密封性好、安全可靠、施工效率高、材料來源廣泛、經(jīng)濟(jì)成本低、不受煤層厚度及采煤工藝限制等特點(diǎn)，堆噴構(gòu)筑巷旁墻體可以對留巷頂板及時提供高強(qiáng)支撐，具有廣泛適應(yīng)性和推廣性。

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

回收煤柱長度770 m、寬8 m，即4 萬t，創(chuàng)造價值6720 萬元。減少巷道掘進(jìn)770 m，掘進(jìn)成本4500 元/m，可節(jié)約成本347 萬元。噸煤完全成本480 元，4 萬t 原煤，生產(chǎn)費(fèi)用為1920 萬元。留巷施工成本6236 元/m，工程量770 m，總成本480萬元。多采煤炭資源價值+節(jié)約掘巷成本- 原煤生產(chǎn)費(fèi)用- 留巷施工成本=總效益4667 萬元。

3.2 社會效益

在煤炭資源日趨枯竭的環(huán)境下，采用無煤柱開采，可提高煤炭回收率，延長礦井服務(wù)年限，有效解決工作面銜接緊張的問題。該沿空留巷墻體支撐強(qiáng)度大，對采空區(qū)的封閉性較好，降低了巷道收斂量及采空區(qū)自燃發(fā)火的風(fēng)險。該項(xiàng)目的實(shí)施，為其它工作面的設(shè)計(jì)和布置提供了新思路，為下一步的推廣使用總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)。