沿空掘巷擴(kuò)幫充填墻參數(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用效果

徐 鎮(zhèn)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)王莊煤業(yè)，山西 長治 047100）

采煤技術(shù)、支護(hù)方式的不斷創(chuàng)新，催生了井工煤礦無煤柱開采技術(shù)。圍繞沿空留巷這一護(hù)巷技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者展開了一系列深入的研究，如大變形恒阻式錨桿支護(hù)、沿空切頂留巷支護(hù)、101工法、切頂卸壓自動(dòng)成巷等［1-4］。這些方法在大量的實(shí)踐中取得了良好的應(yīng)用效果，提高了煤炭資源的采出率［5］。但由于這些支護(hù)方式均未能從根本上改變煤層上覆巖層的力學(xué)結(jié)構(gòu)，鄰近工作面圍巖及頂部的應(yīng)力仍有集中度過高的情況，受采空區(qū)影響，沿空巷道掘進(jìn)、維護(hù)存在一定困難。同時(shí)很多巷旁充填原料為剛性材料，頂板受壓后不具備同比變形的特征，頂部壓力無法釋放，充填材料容易壓垮受損，制約著煤礦安全生產(chǎn)［6］。針對(duì)這一系列的問題，筆者根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，在王莊礦采用柔?；炷脸涮?、基底進(jìn)行加固，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)節(jié)巷旁充填墻硬度，提高了留巷效果、保障了圍巖穩(wěn)定。

1 工程概況

分析王莊煤礦15#煤層賦存、圍巖性質(zhì)、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律等可知，15112工作面適用無煤柱開采技術(shù)。該工作面煤層平均埋深約325.2 m，可采長度1 026 m，切眼長度337 m，采用大采高回采工藝；煤層頂板依次為石灰?guī)r、泥巖、細(xì)粒砂巖，底板巖性依次為泥巖、細(xì)粒砂巖、泥巖，如表1、表2所示。

表1 15#煤層賦存特征

表2 15112工作面運(yùn)輸順槽圍巖特征

2 擴(kuò)幫支護(hù)設(shè)計(jì)

15112運(yùn)輸順槽沿煤層頂?shù)装寰蜻M(jìn)，矩形斷面，掘進(jìn)斷面寬5.5 m，高4.2 m，掘進(jìn)斷面23.1 m2，采用錨網(wǎng)（索）+鋼筋梯子梁聯(lián)合支護(hù)，如圖1所示。

圖1 15112運(yùn)輸順槽斷面

為加強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性，需要在15112工作面運(yùn)輸順槽掘進(jìn)過程中打設(shè)柱墻。設(shè)計(jì)巷旁墩柱直徑為1 m，考慮200 mm的安全間距，設(shè)計(jì)擴(kuò)幫斷面1.2 m，巷道總寬變?yōu)?.7 m，高度4.2 m。

2.1 頂板支護(hù)參數(shù)

15112工作面巷道頂板采用錨網(wǎng)索+梯子梁聯(lián)合支護(hù)方式，錨桿采用?22 mm×2 400 mm左旋無縱筋螺紋335號(hào)鋼材錨桿；錨桿垂直于巷道頂板以矩形方式布置，排、間距同為1 200 mm，每排均排列6根錨桿；錨固選取兩根規(guī)格為MSK2335和MSZ236型樹脂加長錨固配合使用；托盤為拱形高強(qiáng)度托盤，托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm，高度不小于拱形底部直徑的1/3，配合高強(qiáng)螺母、高強(qiáng)調(diào)心球墊和尼龍墊圈使用。護(hù)幫網(wǎng)片采用礦用阻燃塑料網(wǎng)，幫網(wǎng)規(guī)格為4 100 mm×1 300 mm，網(wǎng)孔50 mm×50 mm，用鐵絲隔孔連接、雙絲雙扣，搭接100 mm，如圖2所示。

圖2 15112工作面運(yùn)輸順槽支護(hù)

2.2 非回采幫支護(hù)參數(shù)

非回采幫的支護(hù)為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，桿體采用?22 mm×2 400 mm的玻璃纖維增強(qiáng)塑料錨桿，排、間距均設(shè)置為1 200 mm，每排4根錨桿。需要注意的是為防止圍巖松動(dòng)，最上一根錨桿布置在非回采幫部頂板300 mm處。

3 巷旁充填柱墻設(shè)計(jì)

充填柱墻是針對(duì)巷道斷面范圍以外與采空區(qū)交界處所人為設(shè)置的隔斷措施。設(shè)置充填柱墻的目的在于減弱巷道以外區(qū)域?qū)ο锏理敯灞旧淼膽?yīng)力作用，減輕巷道內(nèi)部的支護(hù)壓力，例如采空區(qū)、構(gòu)造帶、裂隙發(fā)育處等［7］。15112工作面運(yùn)輸順槽巷旁充填柱墻支護(hù)主要目的：一是降低上覆巖層垮落帶邊緣對(duì)巷道頂板的載荷，分擔(dān)15112工作面的支護(hù)壓力；二是當(dāng)直接頂硬度較大的區(qū)域或頂板周期來壓時(shí)，巷旁充填柱墻可以切斷頂板，避免頂板沿煤幫處斷裂的發(fā)生，同時(shí)利用充填墻承受直接頂冒落和老頂來壓所產(chǎn)生的震動(dòng)，如圖3所示。

圖3 沿柱墻掘巷布置平面

15112工作面運(yùn)輸順槽高度為4.2 m，采用混凝土柱方式進(jìn)行巷旁支護(hù)。設(shè)計(jì)巷旁強(qiáng)力混凝土墩柱的直徑為?1 000 mm，高度為4 500 mm（高度隨巷高變化），柱中心距為1 500 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，在頂板破碎區(qū)域，應(yīng)及時(shí)加密墩柱間距以提高控頂效果和支撐強(qiáng)度。

4 巷旁充填體基底加固設(shè)計(jì)

4.1 巷旁充填體基底加固設(shè)計(jì)

根據(jù)15112工作面運(yùn)輸順槽綜合柱狀圖以及現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)交底情況，15112工作面運(yùn)輸順槽直接底為厚度1.5 m左右的泥巖，遇水易膨脹弱化，在礦山壓力的作用下易產(chǎn)生底鼓，影響巷旁柱墻支護(hù)的穩(wěn)定性，且巷旁支護(hù)必須澆筑在實(shí)底上，否則受到頂板來壓將會(huì)導(dǎo)致巷旁充填體下沉。因此，采用“預(yù)澆混凝土底板加固+混凝土柱”的方式對(duì)15112工作面運(yùn)輸順槽進(jìn)行巷旁支護(hù)。設(shè)計(jì)底板清理寬度為1 200 mm，高度為1 000 mm?；炷粱诐仓挾葹? 200 mm，高度1 000 mm（由于底板泥巖厚度變異性較大，在泥巖厚度小于1 m的底板，起底至砂巖段即可，若厚度超過1 m，起底厚度均按1 m考慮），混凝土墩柱直徑1 000 mm，高度4 500 mm。墩柱與基底采用箍筋連接，箍筋直徑800 mm，高度1 000 mm，排距1.5 m，采用6#鋼筋網(wǎng)編制而成。箍筋的700 mm位于底板泥巖中，300 mm位于柱體內(nèi)?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為

C35，柱墻布置如圖4所示。

圖4 柱墻布置

4.2 巷旁充填材料選擇

巷旁充填的主要充填材料包括矸石堆填、木垛堆填、膏石充填、高水充填和SCC混凝土等技術(shù)［8］，但是都存在一些缺點(diǎn)，如單一充填物硬度難以控制、運(yùn)輸不便等。根據(jù)王莊礦井下實(shí)際情況，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，筆者對(duì)充填物進(jìn)行了優(yōu)化，采用混凝土加柔性約束管的方式進(jìn)行支護(hù)，C35注漿混凝土的材料配比如表3所示。

表3 C35泵注混凝土配比

混凝土墩柱由約束套管、柔模袋、混凝土材料組成，將濕料泵注于約束套管內(nèi)，在套管的約束下形成的三向受力的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體。

試驗(yàn)顯示，混凝土類材料低齡期強(qiáng)度增長快，1 d后強(qiáng)度能達(dá)到15 MPa以上，后續(xù)可根據(jù)礦壓調(diào)整；5 d后強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，終凝強(qiáng)度能達(dá)到40 MPa以上。

柔模具有透水不透漿的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)大水灰比的輸送，在井下實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，最遠(yuǎn)可依靠高壓泵送至700 m處。

混凝土材料采用約束套管進(jìn)行包裹，受自重及泵壓的推動(dòng)產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，抑制混凝土在壓縮過程中產(chǎn)生的裂隙及擴(kuò)展，因此具有隨壓形變的特點(diǎn)。一是混凝土材料在壓力下多余水分濾出，早期強(qiáng)度上升快，實(shí)現(xiàn)飽和接頂，防止混凝土材料水分流失造成的縮水導(dǎo)致接頂不實(shí)；二是約束套管具有較強(qiáng)的約束性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在約束套管的強(qiáng)約束條件下，C35混凝土材料1 d后的強(qiáng)度可以提高25%以上，其變形抗壓能力可以提高40%以上，與礦山壓力的變化節(jié)奏相適應(yīng)，利于沿空巷道圍巖的輔助支護(hù)。

5 應(yīng)用效果

在15112工作面運(yùn)輸順槽進(jìn)行沿空掘巷擴(kuò)幫充填墻后，經(jīng)濟(jì)效益得到了顯著提升，順槽保護(hù)煤柱長1 026 m，寬20 m，煤厚3.75 m，容重1.42 t/m3，多回收煤柱量為：多回收煤柱量=煤柱長度×煤柱寬度×平均煤厚×容重×回收率=1 026×20×3.75×1.42×0.97=10.6萬噸。實(shí)施沿空留柱墻后回收煤柱煤量為10.6萬噸，按每噸煤不含稅利潤為500元計(jì)算，王莊煤業(yè)回收煤柱獲得的利潤約為5 300萬元。

6 結(jié)語

15112工作面運(yùn)輸順槽沿空掘巷在掘進(jìn)過程中打設(shè)柱墻，進(jìn)行擴(kuò)幫，可以很大程度地提高圍巖穩(wěn)定性，同時(shí)由約束套管、柔模袋、混凝土材料組成墻體充填材料可以有效提高其抗壓能力，該技術(shù)對(duì)緩解圍巖應(yīng)力集中問題和提高煤柱回收率有著良好的實(shí)際效果，15112工作面的無煤柱開采技術(shù)得到了進(jìn)一步的優(yōu)化升級(jí)。