大傾角中厚煤層柔性護(hù)巷技術(shù)

周忠國(guó) 盧運(yùn)海 張孟軍 張海云 劉 建 簡(jiǎn)學(xué)才

（四川省華鎣山煤業(yè)股份有限公司綠水洞煤礦，四川華鎣 638600）

0 引言

綠水洞煤礦煤層構(gòu)造屬較復(fù)雜，煤層中部有厚度0.07m高嶺石夾矸，夾矸層上還有一層夾矸層，厚度變化大，巷道巖體環(huán)境相對(duì)復(fù)雜。煤層傾角0 ～90°（大多在40 ～65°），開(kāi)采難度較大，礦井年核定生產(chǎn)能力為110 萬(wàn)噸。隨著綠水洞煤礦近幾年的高強(qiáng)度開(kāi)采，導(dǎo)致礦井掘進(jìn)相對(duì)滯后，采掘接替緊張，優(yōu)質(zhì)煤炭資源不能得到有效開(kāi)發(fā)，制約了礦井發(fā)展。沿空留巷是綠水洞煤礦回采巷道利用的最佳選擇，為順應(yīng)新技術(shù)、新工藝、新形勢(shì)，扭轉(zhuǎn)治災(zāi)滯后和接替被動(dòng)的局面，研究適合綠水洞煤礦的無(wú)煤柱沿空留巷技術(shù)是該礦發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。得益于國(guó)內(nèi)外沿空留巷技術(shù)與理論的發(fā)展，近幾年，川煤集團(tuán)在水平煤層沿空留巷方面進(jìn)行了大量研究與實(shí)踐，取得了許多成功的技術(shù)成果和經(jīng)驗(yàn)。留巷效果取決于巷道周?chē)膽?yīng)力環(huán)境和巷道圍巖環(huán)境，由于綠水洞煤礦是大傾角煤層，傳統(tǒng)的沿空留巷穩(wěn)定性力學(xué)模型不再適用，其圍巖環(huán)境也更容易突變和惡化，需要針對(duì)性強(qiáng)的巷道處理方法和支護(hù)技術(shù)。目前，礦井采區(qū)平巷一直沿用留煤柱的方法進(jìn)行護(hù)巷，即在工作面之間留設(shè)一定寬度的煤柱，用于防止工作面與相鄰采空區(qū)通透漏風(fēng)而引起采空區(qū)自然發(fā)火。同時(shí)，兼顧工作面礦山壓力影響，但是采用煤柱護(hù)巷會(huì)造成大量煤炭資源損失。此外，煤柱留設(shè)不合理，會(huì)使復(fù)巖應(yīng)力在煤柱處形成集中，對(duì)巷道造成破壞[1-7]。按傳統(tǒng)布置方式，采煤工作面都要掘進(jìn)機(jī)巷和風(fēng)巷，且上一個(gè)工作面的機(jī)巷與下一個(gè)工作面的風(fēng)巷之間需要留設(shè)煤柱，造成掘進(jìn)工程量較大，對(duì)緊張的采掘接替更是“雪上加霜”。

1 技術(shù)方案制定

1.1 方案一：密集擋矸工字鋼沿空留巷

采煤工作面1#液壓支架安裝距離機(jī)巷高幫控制在1.5m左右，在距離機(jī)巷高幫底板1m 位置采用11#礦用工字鋼配鋼筋網(wǎng)片、菱形金屬網(wǎng)、風(fēng)筒布等對(duì)采空區(qū)進(jìn)行遮擋實(shí)施沿空留巷，工字鋼間距0.5m，工字鋼長(zhǎng)度根據(jù)采高確定，迎山角2 ～3°。工字鋼上端靠于頂板橫梁，下端嵌入底板不低于0.3m，在已采工作面后方機(jī)巷靠高幫0.5m 位置（1#液壓支架后），底板采用φ=16mm、L=1800mm 脹殼式錨桿配鋼筋網(wǎng)片支護(hù)，錨桿排距1m，高幫采用φ=15.24mm、L=3000mm 錨索配鋼帶支護(hù)，錨索排距2m，頂板在原巷道支護(hù)基礎(chǔ)上采用φ=18mm、L=2000mm 樹(shù)脂錨桿配菱形金屬網(wǎng)支護(hù)，錨桿間排距1m，頂上增加一排φ=15.24mm、L=5000mm 錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，錨索間距1m，排距2m，與原巷道內(nèi)支護(hù)的錨索呈“品”字型布置，所有支護(hù)完成后再進(jìn)行噴漿支護(hù)。

1.2 方案二：柔?；炷裂乜樟粝?/h3>

在不使用護(hù)巷支架情況下，1#液壓支架下邊緣距機(jī)巷高幫不大于1.5m，共兩排支護(hù)。第一排距1#液壓支架下邊緣不大于500mm，采用11#礦用工字鋼配鋼筋網(wǎng)片、金屬網(wǎng)、風(fēng)筒布等對(duì)采空區(qū)矸石進(jìn)行一級(jí)阻擋，工字鋼間距0.5m；第二排距1#液壓支架下邊緣不大于1.1m，采用單體液壓支柱支護(hù)，支柱間距0.5m，第一、二排之間即為柔模墻體，在澆筑區(qū)域范圍內(nèi)，若頂板完整，則采用單體液壓支柱戴帽進(jìn)行支護(hù)，若頂板破碎則用單體液壓支柱配合槽鋼進(jìn)行支護(hù)（必要時(shí)對(duì)頂板進(jìn)行錨網(wǎng)索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)），柔模掛設(shè)時(shí)仍采用這兩排支護(hù)。初期實(shí)施巷旁柔?；炷粒舾邘蛡?cè)底板無(wú)法保留，則實(shí)施巷內(nèi)柔模混凝土。

1.3 方案對(duì)比

（1）經(jīng)濟(jì)性：方案一延米直接費(fèi)用約1805 元/m，方案二延米直接費(fèi)用約4706 元/m，除去巷內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)費(fèi)用，方案一較方案二費(fèi)用更為節(jié)約。

（2）安全性：方案一采用礦用工字鋼等對(duì)采空區(qū)矸石進(jìn)行阻擋，在矸石的沖擊和頂板變形壓力作用下，礦用工字鋼容易產(chǎn)生變形、折斷，對(duì)采空區(qū)的封閉效果相對(duì)較差，特別是頂部位置，給采煤工作面采空區(qū)防滅火管理帶來(lái)較大難度，底板受采空區(qū)水影響極易出現(xiàn)推底現(xiàn)象，造成支護(hù)失效，巷道后期的維修量相對(duì)較大，需對(duì)頂板及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，工作面初采初放期間需采取強(qiáng)制放頂或提前鋪設(shè)墊層以阻抗沖擊，鋪設(shè)的工字鋼與機(jī)巷高幫之間需長(zhǎng)時(shí)間采用單體液壓支柱進(jìn)行支護(hù)。方案二采用巷旁柔?；炷裂乜樟粝铮仨?shù)装暹M(jìn)行支設(shè)，能夠起到有效的支撐作用，巷道利用空間相對(duì)較大，能夠適應(yīng)巷道變形量，做到透水不透漿，封頂效果相對(duì)較好且能夠通過(guò)單模之間預(yù)埋排水管、注漿管等，能夠及時(shí)對(duì)采空區(qū)水進(jìn)行疏排和注氮，防止自燃，巷道后期維修量相對(duì)較小。柔?；炷辽舷露诵桄i固牢靠，采高過(guò)高或傾角較大時(shí)，柔?；炷恋姆€(wěn)定性和抗剪切性能不高。

1.4 方案選擇

通過(guò)對(duì)比分析，結(jié)合龍門(mén)峽南煤礦、鐵山南煤礦、斌郎煤礦等實(shí)施沿空留巷成果，為確保實(shí)施安全性及可靠性，初期選擇方案二組織實(shí)施，在實(shí)施過(guò)程中不斷優(yōu)化和完善方案，后續(xù)采取間隔一定距離施工柔?；炷粱騿我徊捎妹芗瘬蹴饭ぷ咒撘患?jí)阻擋方式。

2 護(hù)巷區(qū)域支護(hù)

（1）下出口支護(hù)：為保證下出口行人安全及不損傷頂板，采煤工作面下出口采用ZTHQ8400/16/28D 型急傾斜橫式端頭液壓支架，主要起確保人員安全通行的作用。

（2）護(hù)巷區(qū)支護(hù)：第一層護(hù)巷工字鋼，沿走向鋪設(shè)工字鋼、網(wǎng)片、金屬網(wǎng)及風(fēng)筒布，工字鋼長(zhǎng)度根據(jù)采高確定，上端緊貼頂板，下端嵌入底板不低于0.3m，相鄰工字鋼采用油絲繩纏繞連接成整體，以防止其中一根工字鋼折斷后采空區(qū)出現(xiàn)垮漏。第二層采用單體液壓支柱對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)。在第一層與第二層支護(hù)之間施工柔?；炷吝M(jìn)行沿空留巷，每膜長(zhǎng)度4m，厚度0.6m，采用φ=18mm、L=1100mm 錨栓固定，間距0.5m，排距1m，以控制柔模成型，在柔模中間頂板和底板位置施工φ=18mm、L=1000mm 樹(shù)脂錨桿作為植筋錨桿，間距0.5m。在已采工作面后方機(jī)巷靠高幫0.5m 位置（1#液壓支架背后）底板采用φ=16mm、L=1800mm 脹殼式錨桿配鋼筋網(wǎng)片支護(hù)，錨桿排距1m，高幫采用φ=15.24mm、L=3000mm 錨索配鋼帶支護(hù)，錨索排距2m。所有支護(hù)完成后再進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)，強(qiáng)度等級(jí)C25，噴體厚度不低于50mm。

3 柔?；炷裂乜樟粝?/h2>

3.1 配套裝備

（1）柔?；炷林苽漭斔蜋C(jī)組：澆筑混凝土采用柔?；炷林苽漭斔蜋C(jī)組，型號(hào)為KTRHZSJ-50。包括地面混凝土干料準(zhǔn)備和井下柔?；炷林苽漭斔拖到y(tǒng)，其中地面混凝土干料制備系統(tǒng)包括地面混凝土配料機(jī)、攪拌機(jī)各一臺(tái)，生產(chǎn)能力為50m3/h，井下柔?；炷林苽漭斔拖到y(tǒng)包括煤礦用混凝土泵、煤礦用混凝土、煤礦用刮板式上料機(jī)、攪拌機(jī)各一臺(tái)，配套管路300m。

（2）井下混凝土制備輸送系統(tǒng)：井下混凝土制備輸送系統(tǒng)包括煤礦用刮板式上料機(jī)、煤礦用攪拌機(jī)（55kW、660/1140V）和煤礦用混凝土泵（110kW、660/1140V），混凝土生產(chǎn)能力為80m3/h，井下設(shè)備的最大可靠輸送距離為200m。

（3）設(shè)備布置：地面混凝土干料準(zhǔn)備，柔?；炷敛捎枚螖嚢韫に?。一次攪拌在地面攪拌均勻，使用常規(guī)攪拌機(jī)將水泥、石粉、外加劑等拌合干料?；炷粮闪蠑嚢柙O(shè)備主要有混凝土攪拌機(jī)、配料機(jī)。干料儲(chǔ)備量應(yīng)滿(mǎn)足至少1 天的施工用量。井下設(shè)備布置，井下柔?；炷林苽錂C(jī)組初期布置在機(jī)巷。由近及遠(yuǎn)進(jìn)行泵送，最大輸送距離300m，利用礦車(chē)將干料輸送至井下柔模混凝土制備輸送系統(tǒng)旁，將混凝土干料直接卸到上料機(jī)上。

3.2 技術(shù)要求

（1）針對(duì)采用擋矸工字鋼沿空留巷段，需提前取斜撐鋼梁。在斜撐鋼梁下方搭建牢靠的平臺(tái)，用防倒繩將斜撐鋼梁兩端捆扎好，取掉螺母和壓板，人員遠(yuǎn)距離移除斜撐鋼梁。

（2）頂板上布置一排φ=20mm、L=1000mm 螺紋鋼式樹(shù)脂錨桿作為植筋錨桿，間距0.5m，外露長(zhǎng)度200mm。柔性模板上端兩側(cè)耳座固定采用φ=20mm、L=1000mm螺紋鋼式樹(shù)脂錨桿，錨桿間距0.6m，排距1m，外露長(zhǎng)度不超過(guò)100mm，每根錨桿眼孔內(nèi)裝填一支CK2370 型樹(shù)脂錨固劑。采用φ=16mm 圓鋼穿入柔性模板兩側(cè)耳座邊緣孔中。

（3）在擋矸工字鋼下方掛設(shè)長(zhǎng)度3m 或4m，寬度0.6m，高度隨采高變化選擇柔性模板，傾角85 ～87°。

（4）為控制柔模成形，采用φ=20mm、L=1000mm全螺紋鋼式樹(shù)脂錨桿，兩端配托盤(pán)和螺母形成錨栓，間排距0.8m。柔性模板外側(cè)采用戴帽點(diǎn)柱或單體液壓支柱配方木進(jìn)行支護(hù)，支柱柱距1m，在柔性模板與支柱間插入δ=50mm 木板，柔性模板靠工作面煤壁側(cè)打設(shè)一根單體液壓支柱，使其側(cè)邊呈凹狀，成型后取掉該支柱，使相鄰柔性模板之間實(shí)現(xiàn)密接，減少間隙和漏風(fēng)。

（5）柔模注漿設(shè)備初期安裝在機(jī)巷靠尾部進(jìn)風(fēng)石門(mén)端，后期移輾至底抽巷安裝，泵送最大距離控制在300m以?xún)?nèi)。

（6）柔性模板掛好后，先使用清水對(duì)注漿泵進(jìn)行清洗。泵注混凝土前，使用鐵絲將混凝土輸送管與灌注口外層綁扎，內(nèi)層置于柔模內(nèi)，起到自封閉作用。灌注完畢后處理好封口，盡量避免混凝土的流出?；炷磷⑷脒^(guò)程要注意振搗，確保柔模充實(shí)，特別是邊緣及頂部?；炷凉嘧⒔枬M(mǎn)時(shí)，應(yīng)暫停5 分鐘，待柔模中的水析出后，再灌注至飽滿(mǎn)。

（7）柔模墻質(zhì)量要求，柔模墻施工完好后，墻體必須接頂嚴(yán)實(shí)，錨栓張緊度適中，墻體不得出現(xiàn)孔洞，墻內(nèi)空氣排除干凈，墻體不得歪斜。

（8）柔性模板注漿完成后，對(duì)支設(shè)的單體液壓支柱進(jìn)行包裹保護(hù)。對(duì)巷道頂幫錨網(wǎng)支護(hù)段進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)，強(qiáng)度等級(jí)為C20，噴體厚度50mm，滯后距離不超過(guò)4m。

4 結(jié)論

（1）結(jié)合礦井實(shí)際，在未采用護(hù)巷支架的情形下，針對(duì)性提出采用密集擋矸工字鋼+錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)和密集擋矸工字鋼+柔模混凝土兩種方式，成功實(shí)現(xiàn)急傾斜、大采高、中厚煤層條件下沿空留巷，成功實(shí)現(xiàn)區(qū)段煤柱完全回收。

（2）采用預(yù)裂爆破+鋪緩沖層+反崩支柱+鋼梁斜撐+整體連接等方式，成功阻擋采煤工作面初次來(lái)壓和周期來(lái)壓期間頂板垮落矸石沖擊，實(shí)現(xiàn)沿空留巷巷道穩(wěn)定。

（3）在機(jī)巷超前支護(hù)范圍頂板施工鉆孔，采用鉆孔窺視儀對(duì)鉆孔進(jìn)行探測(cè)，掌握頂板離層情況，根據(jù)離層情況決定是否提前開(kāi)幫，以減少對(duì)回采的影響。同時(shí)，采用鉆孔窺視儀對(duì)沿空留巷段巷道頂板離層情況進(jìn)行探測(cè)，以采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施。

（4）對(duì)于要實(shí)施沿空留巷技術(shù)的采煤工作面，前期必須進(jìn)行系統(tǒng)考慮，從采區(qū)設(shè)計(jì)、巷道施工設(shè)計(jì)等就要著手，否則后期再來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)改造是非常麻煩和復(fù)雜的，而且改造后還不一定方便使用。