柔模支護(hù)沿空留巷技術(shù)在高河礦的應(yīng)用

張正斌

（山西高河能源有限公司，山西省長治市，047100）

高河礦井屬高瓦斯礦井，瓦斯問題嚴(yán)重制約著礦井的快速發(fā)展。為了解決瓦斯問題，回采工作面采用雙U 型通風(fēng)方式，一個(gè)工作面需要布置4條煤巷、20～30個(gè)聯(lián)絡(luò)巷、外加開切眼和設(shè)備安裝巷，掘進(jìn)工程量大，潛在掘進(jìn)安全問題突出，噸煤成本高，并導(dǎo)致礦井采掘接續(xù)緊張；雙U 型通風(fēng)方式仍然沒有從根本上解決上隅角瓦斯超限問題，回采推進(jìn)度慢，嚴(yán)重制約了礦井的高產(chǎn)高效；煤炭資源低回收率問題也嚴(yán)重制約著高河礦井的可持續(xù)發(fā)展，雙U 型通風(fēng)方式使每個(gè)回采工作面至少浪費(fèi)寬50m 煤柱，按工作面平均長度300 m 計(jì)算，回收率不足86%，嚴(yán)重消耗著礦井的可采儲(chǔ)量，礦井至少縮短1／7的服務(wù)年限，不利于礦井的可持續(xù)發(fā)展。沿空留巷是提高資源回收率、降低巷道掘進(jìn)率、緩解采掘緊張關(guān)系的有效途徑。但是目前的沿空留巷技術(shù)仍存在著一些問題，一方面，由于采空區(qū)一側(cè)巷幫的缺失，造成頂板穩(wěn)定性差，頂板下沉量大致使圍巖破碎嚴(yán)重，存在巨大安全隱患；另一方面，在高瓦斯、煤層易自燃的礦井，上區(qū)段采空區(qū)一側(cè)的沿空留巷 （或掘巷）通風(fēng)問題采用局部通風(fēng)方式難以滿足要求，需要在采區(qū)后方專門布置一條準(zhǔn)備巷道 （上山或下山）作為進(jìn)風(fēng)巷，增加了巷道掘進(jìn)量和維護(hù)工作量。因此，可靠的巷旁支護(hù)是確保沿空留巷安全穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。針對(duì)此類問題，高河礦采用了西安科技大學(xué)王曉利教授課題組研發(fā)的柔模支護(hù)完全開采配套技術(shù)，本文著重從工程角度介紹了柔模支護(hù)在高河礦的應(yīng)用。

1 工作面巷道原支護(hù)概況

高河礦E1302 工作面是礦井東一盤區(qū)的首采工作面，工作面長度230 m，設(shè)計(jì)走向長度1738m，煤厚6.38m。工作面采用走向長壁、后退式低位放頂煤一次采全高全部垮落綜合機(jī)械化采煤方法，機(jī)采高度3.5 m，放煤高度2.88 m。工作面布置帶式輸送機(jī)巷、輔運(yùn)巷、回風(fēng)巷和外U回風(fēng)巷4條回采巷道，帶式輸送機(jī)巷與輔運(yùn)巷之間凈煤柱寬為30m，回風(fēng)巷與外U 回風(fēng)巷之間凈煤柱寬為20m。

E1302回風(fēng)巷采用矩形巷道斷面，斷面尺寸5000mm×3500 mm （寬×高），采用錨網(wǎng)索+梯子梁支護(hù)形式。錨桿采用?22mm×2400mm 左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，間排距為800mm×800mm，錨索采用?18.9mm×8300mm 高強(qiáng)度低松弛鋼絞線錨索，二、三布置，金屬網(wǎng)片采用10＃鉛絲加工編制的經(jīng)緯網(wǎng)，網(wǎng)孔為50mm×50mm。梯子梁選用?14mm 圓鋼加工而成。支護(hù)參數(shù)見圖1。

2 柔模支護(hù)原理

柔模支護(hù)的本質(zhì)是在進(jìn)行沿空留巷時(shí)，利用柔模支護(hù)技術(shù)在巷道采空區(qū)一側(cè)形成一個(gè)具有較好密封性和穩(wěn)定性的巷旁支護(hù)體，防止采空區(qū)瓦斯涌入巷道，保證礦井的通風(fēng)要求和留巷的圍巖穩(wěn)定性，進(jìn)而確保礦井安全，提高煤炭回采率。具體實(shí)施過程中，隨著采煤工作面的推進(jìn)，利用工作面端頭支護(hù)效應(yīng)，在單體液壓支柱超前支護(hù)保護(hù)下，在巷道采空區(qū)一側(cè)首先架設(shè)柔性模板，柔性模板上設(shè)有加筋繩、厚度控制拉筋、錨栓預(yù)留孔、灌注口和翼緣，利用泵機(jī)將特殊的可調(diào)凝調(diào)強(qiáng)自密實(shí)混凝土輸送到柔性模板內(nèi)，形成一道密閉連續(xù)的混凝土墻，充當(dāng)巷道另一側(cè)巷幫，保證回采巷道兩幫的完整性，與原有支護(hù)體共同承擔(dān)回采動(dòng)壓，保證巷道穩(wěn)定性，同時(shí)起到隔絕瓦斯、防止采空區(qū)遺煤自燃的作用。

圖1 E1302回風(fēng)巷原支護(hù)參數(shù)

3 沿空留巷柔模支護(hù)方案設(shè)計(jì)與參數(shù)確定

3.1 巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)與超前隔離支護(hù)

3.1.1 巷內(nèi)頂板加強(qiáng)支護(hù)

沿空留巷頂板巖層活動(dòng)劇烈，因此在進(jìn)行柔模支護(hù)施工前，必須先進(jìn)行巷內(nèi)頂板加強(qiáng)支護(hù)，通過巷內(nèi)支護(hù)手段與柔模支護(hù)體聯(lián)合控制圍巖大變形，該補(bǔ)強(qiáng)工作應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件進(jìn)行整條巷道統(tǒng)一補(bǔ)強(qiáng)或分段補(bǔ)強(qiáng)。巷內(nèi)支護(hù)的作用一方面是主動(dòng)控制頂板垮落帶范圍內(nèi)巖層 （包括頂煤和直接頂）的橫向剪切錯(cuò)動(dòng)，另一方面是主動(dòng)控制頂板垮落帶范圍內(nèi)巖層的縱向碎脹變形，即將頂板垮落帶范圍內(nèi)的巖層錨固成一個(gè)組合剛性頂板，提高頂板剛度，確保留巷頂板與柔模混凝土巷旁支護(hù)的剛度匹配，更好地控制圍巖變形。補(bǔ)強(qiáng)錨索的長度設(shè)計(jì)為10000mm，錨索直徑為18.9mm，每排3根，排距為1600mm，間距為1200～1900 mm，采用W鋼帶組合支護(hù)，W 鋼帶長3500mm。

3.1.2 巷內(nèi)臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)

圖2 E1302工作面回風(fēng)巷柔模泵注混凝土沿空留巷工程平面

沿空留巷的臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)直接影響巷旁支護(hù)體的支護(hù)效果，如果臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)不及時(shí)或支護(hù)強(qiáng)度不足，造成頂板過早下沉，不但使得支護(hù)體無法達(dá)到設(shè)計(jì)高度，而且還導(dǎo)致支護(hù)體起作用前頂板離層，使頂板的完整性和自承載能力遭到破壞，極大地影響了沿空留巷的效果。在超前工作面30m 和滯后工作面80m 范圍內(nèi)，采用 “單體液壓支柱+工字鋼梁”臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，超前工作面為一梁四柱，滯后工作面為一梁三柱，單體液壓支柱間排距1m，見圖2。

3.1.3 超前隔離支護(hù)

由于工作面回采后頂煤和直接頂隨采隨冒，導(dǎo)致垮落矸石可能沖入待澆筑空間，造成無法進(jìn)行巷旁柔模支護(hù)，給施工人員帶來一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，加之工作面回采后留巷側(cè)采空區(qū)頂板會(huì)緩慢下沉，如果不及時(shí)在采空區(qū)內(nèi)進(jìn)行支護(hù)，巷內(nèi)頂板也隨之下沉。因此，割煤后必須及時(shí)進(jìn)行隔離支護(hù)。

（1）切頂擋矸支柱。工作面割煤后緊跟支架尾沿采空區(qū)支設(shè)一排?200 mm×3500 mm 木點(diǎn)柱，中對(duì)中間距為500mm，同時(shí)在兩排木點(diǎn)柱之間支設(shè)DW38單體液壓支柱，中對(duì)中間距為500mm。

（2）護(hù)頂擋矸金屬網(wǎng)。靠近沿空留巷側(cè)3架液壓支架上方不放頂煤，在煤壁處對(duì)這3架液壓支架鋪頂網(wǎng)，防止待澆筑空間頂煤和采空區(qū)矸石進(jìn)入留巷。金屬網(wǎng)片采用10＃鉛絲加工編制的經(jīng)緯網(wǎng)，網(wǎng)孔為50mm×50mm。

3.2 柔性模板與混凝土澆筑參數(shù)

柔性模板上設(shè)有加筋繩、厚度控制拉筋、錨栓預(yù)留孔、灌注口和翼緣。柔性模板長度一般為3m。柔性模板高度大于澆筑空間高度，一般富余0.3m，取4.0 m。柔性模板厚度為混凝土厚度，即1.2m。柔性模板灌注口為3層，內(nèi)層至于柔性模板內(nèi)側(cè)，防止泵注完成拔管時(shí)漏漿，外面兩層與輸送管綁扎連接，長度為400mm。柔性模板翼緣上設(shè)置有3個(gè)套筒，根據(jù)煤層厚度變化選擇柔性模板掛吊高度。綜上所述，E1302工作面正式回采期間柔性模板尺寸為3m×1.2m×4.0m （長×寬×高）。E1302工作面回風(fēng)巷柔模泵注混凝土沿空留巷平面布置見圖2。

待澆筑空間控頂距是指在待澆筑空間柔模混凝土墻體前采用臨時(shí)支護(hù)控制頂板的距離。控頂距越大，頂煤穩(wěn)定性越差，容易發(fā)生漏冒事故，且采空區(qū)有害氣體和矸石涌入留巷內(nèi)的數(shù)量和機(jī)會(huì)就越多。每日檢修班澆筑一次，當(dāng)推進(jìn)進(jìn)度小時(shí)，2d澆筑一次，但必須保證最大控頂距不超過6m。澆筑混凝土初步配比見表1。

表1 C30泵注混凝土初步配合比

4 巷旁支護(hù)體特性監(jiān)測與適應(yīng)性分析

4.1 柔模支護(hù)體特性監(jiān)測

利用回彈儀對(duì)井下柔模混凝土墻體的強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)測，實(shí)測結(jié)果見圖3，從圖3中看到，1d齡期柔模混凝土抗壓強(qiáng)度為15MPa，3d齡期柔模混凝土抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到30 MPa以上，已滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度；0～3d齡期柔模混凝土強(qiáng)度增長速度較快；3～6d齡期柔模混凝土強(qiáng)度增速明顯放緩；6d齡期以后，柔模混凝土強(qiáng)度增速趨零，穩(wěn)定在40 MPa以上。

圖3 柔模混凝土抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系

圖4為巷旁支護(hù)強(qiáng)度隨采煤工作面距離的變化關(guān)系，可以看出：巷旁支護(hù)強(qiáng)度隨采煤工作面距離的增加整體呈先上升后穩(wěn)定的趨勢，但是巷旁支護(hù)強(qiáng)度隨采煤工作面距離的變化具有波動(dòng)性，分析原因可能為混凝土由于水泥參量或砂率的問題而產(chǎn)生質(zhì)量波動(dòng)。因此，有必要控制好混凝土配比，確保巷旁支護(hù)質(zhì)量。

圖4 巷旁支護(hù)強(qiáng)度隨采煤工作面距離的變化關(guān)系

4.2 試驗(yàn)巷道圍巖收斂變形量監(jiān)測

在高河礦E1302工作面后方30m 處設(shè)置觀測站對(duì)高河礦柔模支護(hù)巷道進(jìn)行適應(yīng)性分析，監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。監(jiān)測結(jié)果表明：

（1）在滯后工作面220 m 范圍內(nèi)，頂?shù)装遄畲笠平繛?80 mm，其中頂板最大下沉量240mm，底臌量最大140mm，頂板下沉量占總移近量的63.2%；兩幫最大移近量為300mm，其中煤幫最大內(nèi)移量240 mm，墻體最大內(nèi)移量60 mm，煤幫內(nèi)移量占兩幫總移近量的80%。

（2）在沿空巷道中主要變形為頂板下沉和煤幫內(nèi)移。分析其原因，一是頂煤力學(xué)性能較差，承載力低；二是巷道支護(hù)強(qiáng)度低，頂煤、直接頂、老頂沒有形成整體承載結(jié)構(gòu)。

（3）頂?shù)装逡平?guī)律表明工作面周期來壓步距為30m 左右。

（4）滯后工作面150 m 以后，沿空留巷圍巖變形保持穩(wěn)定。

圖5 高河礦E1302工作面沿空留巷圍巖監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)論

采用柔模支護(hù)技術(shù)可在巷道采空區(qū)一側(cè)形成一個(gè)具有較好密封性和穩(wěn)定性的巷旁支護(hù)體，防止采空區(qū)瓦斯涌入巷道，保證了礦井的通風(fēng)要求和留巷圍巖穩(wěn)定性。高河礦工業(yè)性試驗(yàn)中，柔模支護(hù)體強(qiáng)度隨著離采煤工作面距離的增加整體呈先上升后穩(wěn)定的趨勢，0～3d齡期柔模混凝土強(qiáng)度增長速度較快，可以達(dá)到30 MPa以上，3～6d齡期柔模混凝土強(qiáng)度增速明顯放緩，之后穩(wěn)定在40 MPa以上，滿足支護(hù)需求；同時(shí)留巷圍巖變形基本穩(wěn)定，滿足工程要求，保證了高河礦沿空留巷的頂板和通風(fēng)安全，提高了回采率。

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