特厚煤層小煤柱加固及雙柔模墻留巷支護設計研究

張智強，趙浩亮，曹新云，曹曉凡，3

(1.陜西開拓建筑科技有限公司，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 煤礦支護研發(fā)中心，陜西 西安 710054；3.西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054)

隨著經濟的飛速發(fā)展，對煤礦安全高效生產提出了新的要求，采煤沿空留巷技術的不斷發(fā)展完善，大大的提高了礦井安全生產和礦井技術效益[1-7]。近年來隨著柔?；炷裂乜樟粝锛夹g發(fā)展成熟，其施工簡單，地質適應性強，價格低廉等各種優(yōu)點受到了國內許多礦井的高度肯定，并進行了廣泛應用，也得到了較多的科學應用性成果[8-13]。2018年賈牛駿等進行了柔模混凝土沿空留巷過陷落柱支護技術研究，工程檢驗表明：在陷落柱影響段柔?；炷裂乜樟粝锸┕に俣瓤欤粝镄Ч?，采空區(qū)封堵嚴實，具有良好的經濟效益和應用前景[14]。2019年劉輝等進行了厚煤層無煤柱自成巷柔模混凝土支護技術實踐，實踐結果表明：留巷效果好，減少了初期投入成本，取得了巨大的收益[15]。2019年李曉白等進行了6m大采高沿空留巷巷旁支護研究，重點設計研究了巷旁支護參數(shù)、底板加固參數(shù)、臨時加強支護參數(shù)，研究結果參數(shù)合理，效果良好，具有很好的經濟效益和應用前景[16]。2020年高登云等進行了神東礦區(qū)無煤柱開采關鍵技術及應用研究，有效提高了掘進效率，緩解了接續(xù)緊張，保證了頂板安全[17]。2020年王俊峰等進行了窄柔模墻體沿空留巷圍巖偏應力演化與控制研究并實踐，現(xiàn)場工程實踐表明，沿空留巷圍巖控制效果良好[18]。2021年李紅雷等進行雙巷掘進柔?；炷翢o煤柱開采技術應用研究，不僅解決了礦井掘進及回采過程中瓦斯超限難題，避免了井下煤柱的應力集中，而且實現(xiàn)了區(qū)段無煤柱開采，提高了煤炭的采出率，具有良好的經濟效益和應用前景[19]。2021年周宏范等進行深部復雜條件下切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術應用研究，最終留巷效果良好[20]。

雖然現(xiàn)階段柔模混凝土沿空留巷技術發(fā)展成熟，并且取得了較多成果，但就目前資料來看：隨著國內外在一次采全高沿空留巷技術漸漸成熟，特厚煤層分層開采底分層沿空留巷技術尚不多見。因此白芨溝煤礦根據(jù)以往柔模混凝土沿空留巷技術經驗，進行了特厚煤層分層開采柔?；炷裂乜樟粝锛夹g研究，在加固小煤柱基礎上，首次使用了柔?；炷岭p墻留巷技術，該研究對厚煤層及特厚煤層沿空留巷技術有重大意義。

1 工程概況

白芨溝煤礦目前開采的二3煤層為特厚煤層，煤層總厚度13～18m，二3煤層平均厚度為12.6m，埋深135m，煤質堅硬，分層厚度3.2m，共分五層進行開采。0102402工作面走向長度1252m，傾向長度227m，根據(jù)礦方采掘計劃，該工作面回采至距終采線660m位置處進行沿空留巷，留巷段工作面走向長度660m，煤層厚度3.2m。工作面頂板為該區(qū)段3分層回采采空區(qū)，底板為該區(qū)段尚未進行開采的5分層，工作面運輸巷副幫為留設的9m小煤柱。

0102402綜采工作面西到0102402回風巷，東到0102402運輸巷，北到0102402工作面設計終采位置，其中回風巷、運輸巷沿走向布置。0102103工作面布置于0102402工作面東部，在010203區(qū)段開采過程中，受采動壓力和全負壓通風的影響，工作面四周遺留煤柱和采空區(qū)內的瓦斯將會大量涌入工作面。因此為了治理瓦斯，并減少煤炭資源損失，將0102402工作面回風巷進行沿空留巷保留下來，作為瓦斯抽放巷抽采010203區(qū)段瓦斯，以減少區(qū)段煤柱損失。

礦方原計劃通過留設小煤柱保留住0102402工作面后段660m巷道，讓其作為010203工作面5個分層的瓦斯治理巷，在0102103回風巷掘進完成后，受0102402工作面回采超前回采壓力影響，0102103回風巷變形嚴重，故由此提出特厚煤層分層開采底分層沿空留巷技術研究。0102402工作面留巷段巷道布置如圖1所示。

圖1 沿空留巷段巷道布置

2 特厚煤層沿空留巷巷道布置

2.1 原巷道支護情況

0102402工作面巷道采用梯形斷面，頂凈寬為3200mm，底凈寬為4628mm；凈高為3200mm，凈斷面積為12.5m2。支護形式為梯形金屬支架對棚支護。3424(梁) mm×3452(腿)mm，均為11#礦用工字鋼。巷道支護如圖2所示。

圖2 巷道支護方式(mm)

2.2 巷道布置形式

010202工作面分層開采，運輸巷與回風巷巷道布置方式為重疊式，如圖3所示。根據(jù)礦方有關技術方案，在0102402工作面運輸巷與0102103工作面回風巷留設小煤柱，煤柱中對中尺寸9m，煤柱凈寬5m。因0102103工作面回風巷掘進過程中變形嚴重，故在沿空留巷期間需要對小煤柱進行加固支護。

圖3 沿空留巷巷道布置

3 沿空留巷支護技術研究

3.1 小煤柱加固支護設計

3.1.1 小煤柱加固前巷道形變情況

根據(jù)0102103工作面回風巷掘進后小煤柱側巷道受力情況，0102402工作面運輸巷小煤柱側巷道煤柱塑性較大，鋼梁彎曲，煤體外鼓，巷道形變難以控制，0102103工作面回風巷現(xiàn)場形變如圖4(a)所示，0102402工作面運輸巷現(xiàn)場形變如圖4(b)所示。

圖4 現(xiàn)場巷道變形情況

3.1.2 巷道形變機理分析

由于分層工作面局部地段回采巷道圍巖周邊變形的不規(guī)則性和非均勻性，對于棚架式支架來說，造成了支架受力條件惡化，例如側向壓力引起拱頂向上彎曲，棚腿折損，頂部壓力使拱頂壓平等。井下實際使用過程中，由于受巷道掘進和支護工藝的限制，掘進形成的巷道斷面難以形成與支架在周邊緊密接觸的形狀，不可避免地在支架背后形成壁后空間，使支架與圍巖間形成不同尺寸的空隙及不規(guī)則的點線接觸，造成支架的支撐能力長期得不到充分發(fā)揮；同時巷道圍巖變形的不均勻性和不規(guī)則性，使支架受到不均勻的集中載荷和偏心載荷作用，惡化支架的受力狀況。使得巷內棚式支架實際支護阻力遠低于理論計算最大值，支架所具有的承載能力不能充分發(fā)揮，低阻力或不受限制的圍巖變形和破壞又將使支架受到不均勻的動載荷的作用，加速支架或支護結構的變形破壞；另外，壁后空間的存在使巷道圍巖松動圈范圍擴大，圍巖穩(wěn)定性降低，變形量增大。

當小煤柱留巷巷道受到多次采動壓力時，巷道水平變形量會非常大，若小煤柱側巷道沒用支護手段約束，小煤柱側巷道水平變形更多的將涌向巷道，造成留巷巷道有效斷面不能滿足使用要求，導致留巷失敗。

3.1.3 支護方案

根據(jù)現(xiàn)場實際情況及煤柱受力分析，針對小煤柱側支護提出兩種支護方案。

1)方案一：小煤柱煤壁采用“混凝土單墻+錨索”聯(lián)合支護。柔模墻體為上寬500mm，下寬1000mm的梯形墻，強度C30；距離頂板500mm位置處打設?21.6mm×4500mm錨索一根，距頂板1500mm、2500mm處打設?21.6mm×5000mm錨索各一根，錨索排距1000mm，采用3節(jié)MSZ2370型樹脂錨固劑，錨索采用雙托盤布置，即先向煤壁打設錨索并施加預計力，后錨索外漏部分穿過柔模墻體，施加第二層托板，形成“柔模混凝土墻體+錨索”聯(lián)合支護。小煤柱補強支護方案如圖5所示。

圖5 方案一小煤柱補強支護(mm)

2)方案二：小煤柱煤壁采用 “錨網(wǎng)索+工字鋼梁”聯(lián)合支護。錨索采用“二·三·二·三”布置方式，錨索規(guī)格?21.96mm×6000mm，間排距1.6m×1.6m，相對應的兩排錨索采用走向11#工字鋼梁作為托盤打設，每排打設4根錨桿，規(guī)格?20mm×2400mm，間排距800mm×750mm，每排錨桿配1根鋼筋梯，規(guī)格?14mm×2800mm，鋼筋梯寬度80mm，巷內靠小煤柱側補打單體，間排距500mm×1000mm，具體支護方案如圖6所示。

圖6 方案二小煤柱補強支護(mm)

3.2 巷旁支護設計研究

本設計采用“給定荷載計算法”和“分離巖塊法”兩種方法，對留巷巷旁支護體支承載荷進行分析計算。

3.2.1 給定載荷計算法

分層開采沿空留巷底分層留巷巷內支護體處于“給定載荷”工作狀態(tài)，根據(jù)留巷上覆巖層活動規(guī)律，建立確定支護體載荷的計算模型，如圖7所示。圖中，Ⅰ為巷道上方的“再生”巖層，其高度為中分層冒落帶巖層重新壓實的高度，這部分巖石以倒梯形狀作用于巷道頂板上。Ⅱ為中分層開采后裂隙帶下位巖層，隨著底分層開采，冒落高度增加，這部分巖層失去了相互聯(lián)系，將其自重通過拱作用于留巷頂板上。

圖7 底分層沿空留巷荷載計算模型

留巷巷道頂板的載荷P，也即巷旁支護體柔模墻體載荷P為：

P=P1+P2

(1)

式中，P1為Ⅰ部分巖層的容重，kN/m；P2為Ⅱ部分巖層的容重，其值為底分層開采后留巷上方原中分層裂隙帶轉化為冒落帶的巖重，kN/m。

P2=B′×(H′-H-h)×V/B

(3)

式中，B為巷道寬，m；B′為倒梯形的上部邊界寬，m；H為中分層開采后冒落帶壓實后的高度，可由試驗獲得或按式(6)選取，m；V為“再生”巖層容重，kN /m；H′為底分層開采后的冒落帶高度，可依試驗或按式(6)選取，m；h為巷道高度，m。

B′=B+2HcotT

(4)

通過計算，給定載荷計算法得出巷旁支護最大采動支護壓力為2.31MPa。

3.2.2 分離巖塊法

該方法的理論依據(jù)是沿空巷道和支護體上方一定范圍內分離巖塊的重量構成了支護體載荷，沿空留巷力學模型如圖8所示。通過式(7)計算，分離巖塊法計算得出巷旁支護最大采動支護壓力為4.38MPa。

式中，q為支護體載荷，MPa；h為采高，m；θ為剪切角，(°)；bB為支護體內側到煤壁的距離，本次支護中支護體左側邊緣在巷道內，m；x為支護體的寬度，m；bC為支護體外側懸頂距，由于頂板為假頂，工作面隨采隨冒，該距離取為0m；γs為巖塊重度，按上覆巖體平均重度22kN/m3計算；α為煤層傾角，(°)。

圖8 沿空留巷力學模型

通過兩種計算方法得出沿空留巷墻體上的計算荷載均較小，但沿空留巷墻體在本次留巷后還要經歷多次動壓影響，同時分層開采沿空留巷尚無成熟經驗可以借鑒，為安全起見，暫定混凝土設計強度C30，柔?；炷梁穸热?m，實際施工后根據(jù)墻體礦壓觀測情況進行優(yōu)化。具體沿空留巷設計方案如下：

1)方案一：“柔?；炷岭p墻+工字鋼棚”。設計留巷凈寬2.2m，高度3.2m，凈斷面7.04m2，采用“柔模混凝土雙墻+工字鋼”進行沿空留巷。回風巷下幫(回采側)巷旁采用柔?；炷林ёo，柔?；炷翂w厚度1m，設計強度C30，澆筑于采空區(qū)；上幫(煤壁側)采用柔模混凝土梯形墻體支護，柔模混凝土墻體上寬0.5m，下寬1.0m，設計強度C30，緊貼煤壁澆筑。小煤柱側支護按小煤柱加固方案一所提及的加固方案執(zhí)行，即小煤柱側采用錨索配合柔?；炷翂w支護。留巷時原有巷內支設的工字鋼頂梁保留，在靠回采側打設單體支撐工字鋼梁，同時在上幫、下幫墻體頂部另外支設11#工字鋼梁，長度4.2m，排距0.8m，與墻體共同承載。 回采時在回風巷下幫預澆墻處沿工作面傾向(向機頭方向)鋪設頂網(wǎng)，鋪網(wǎng)寬度5m，進行擋矸護頂，金屬網(wǎng)為8#鉛絲編織菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm，雙層鋪設。沿空留巷斷面支護如圖9所示。

圖9 方案一沿空留巷支護(mm)

2)方案二：“柔?；炷羻螇?單體+工字鋼”。設計留巷凈寬2.7m，高度3.2m，凈斷面8.64m2，采用“柔?；炷羻螇?工字鋼+單體支柱”進行沿空留巷。回風巷下幫(回采側)巷旁采用柔?；炷林ёo，柔?；炷翂w厚度1m，設計強度C30，澆筑于巷內；上幫采用單體支護，排距0.8m，巷道在服務期限內單體不回撤。小煤柱側支護按小煤柱加固方案二所提及的加固方案執(zhí)行，即小煤柱側采用錨網(wǎng)索配合工字鋼梁支護。留巷時原有巷內支設的工字鋼頂梁保留，同時在上幫、下幫墻體頂部另外支設11#工字鋼梁，長度4.2m，排距0.8m，與墻體共同承載； 回采時在回風巷下幫預澆墻處沿工作面傾向(向機頭方向)鋪設頂網(wǎng)，鋪網(wǎng)寬度5m，進行擋矸護頂，金屬網(wǎng)為8#鉛絲編織菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm，雙層鋪設。沿空留巷斷面支護如圖10所示。

圖10 方案二沿空留巷支護(mm)

3.3 臨時加強支護

沿空留巷實施時超前工作面30m對回風巷進行加強支護，巷中打設單體進行支護。滯后工作面利用澆筑柔模墻體的單體進行支護，滯后支護暫定100m后回撤單體。滯后支護長度根據(jù)留巷后頂板壓力觀測結果進行調整。方案一和方案二沿空留巷臨時支護如圖11所示。

圖11 沿空留巷臨時支護(mm)

4 方案比選及工業(yè)應用

4.1 方案比選

1)方案一：柔?；炷岭p墻結構優(yōu)缺點分析。①煤柱側超前補打錨索并泵注柔模混凝土支護，采用泵注施工，緊跟回采工作面澆筑采空區(qū)側泵注速度快，不影響工作面生產；②柔?；炷翂w支護強度高，支護阻力大，保證留巷空間安全可靠；采用雙柔模墻體支護，支護材料費用及人工費用較方案二高。

2)方案二：柔?；炷羻螇Y構優(yōu)缺點分析。①煤柱側超前補打錨桿、錨索支護，同時補打雙排單體支護，采用泵注施工，緊跟回采工作面澆筑采空區(qū)側柔模墻體，泵注速度快，不影響工作面生產；②小煤柱側采用錨桿錨索支護，小煤柱受應力作用發(fā)生塑性破壞后，煤柱側支護強度會大大減小，無法滿足保證巷道能夠承受4次采動壓力影響；采空區(qū)側采用柔?；炷羻螇χёo，支護材料及人工成本低。

綜合上述技術、安全、經濟因素及礦方實際工程情況，推薦選用方案一作為0102402工作面運輸巷沿空留巷實行方案，留巷過程中根據(jù)留巷情況進行支護方案的優(yōu)化改進。

4.2 工業(yè)應用

目前已在白芨溝煤礦厚煤層分層開采四分層應用柔?；炷裂乜樟粝锊⒁秧樌粝锿戤?，通過現(xiàn)場留巷情況可以看出，頂?shù)装逍巫兞繙p小，巷道采空區(qū)側頂板圍護較好，頂板鋼梁形變量小，整體留巷效果好，但仍有部分巷道有不同程度的底鼓現(xiàn)象。隨著工作面繼續(xù)向前推進，留巷巷道滯后工作面基本穩(wěn)定，同時隨著作業(yè)人員對施工工藝的逐漸熟悉與完善，以及對前幾階段留巷問題的改進及優(yōu)化，最終特厚煤層分層開采雙柔模墻沿空留巷設計應用效果良好。

5 結 論

1)結合現(xiàn)場實際情況，分析小煤柱變形機理，提出兩種小煤柱支護方案，選用柔?；炷翂w配合錨索支護進行小煤柱加固，通過工程應用，留巷巷道滿足礦方使用要求。

2)提出了“柔模混凝土雙墻+工字鋼棚”和“柔?；炷羻螇?單體+工字鋼”沿空留巷設計方案，根據(jù)“給定荷載計算法”和“分離巖塊法”計算，通過對比分析最終采用“柔?；炷岭p墻+工字鋼棚”留巷方案，通過現(xiàn)場留巷效果可以看出，頂板鋼梁形變量小，頂?shù)装逍巫兞繙p小。