淺埋煤層沿墻掘巷技術應用研究

文/李永勤

榆家梁煤礦是神東特大礦井之一，核定生產能力1630萬噸/a。為提高煤炭回收率，減少工程施工量，本文針對榆家梁煤礦開采的52煤層無煤柱孤島開采工作面52402綜采工作面的回順側沿墻掘巷技術進行研究，以期為類似地質條件下安全回采提供借鑒。

一、工作面概況

52401工作面回采后，沿墻掘進一條巷道作為52402工作面的進風巷、輔助運輸巷。52401工作面埋深75～145m，巷道沿頂見底掘進。老頂以粉及中砂巖為主，厚17.32～19.2m，直接頂以粉砂質泥巖為主，厚度 0～1.3m；底板為粉砂巖，厚 0.9～6.2m。

煤層屬低變質煙煤，賦存穩(wěn)定，煤厚3.40～4.10m，平均 3.70m，傾角 1°～2°，容重 1.31t/m3。 地表為黃土溝壑區(qū)，最大高差137.5m；地層總的趨勢是以極緩的坡度向北西傾斜的單斜構造，傾角1°～2°，斷層不發(fā)育，后生裂隙發(fā)育。

二、52402工作面沿墻掘巷支護參數及施工

1.沿墻掘巷無煤柱開采技術原理

超前52401工作面200～300m，在52401工作面運輸巷沿副幫澆筑一道連續(xù)的柔模混凝土墻體，52401工作面回采結束后，混凝土墻體埋進采空區(qū)。采空區(qū)巖層垮落活動穩(wěn)定后，緊貼柔模混凝土連續(xù)墻掘進52402工作面軌道巷，實現(xiàn)無煤柱開采。

2.52401運輸巷斷面及支護參數

巷道形狀為矩形，巷寬5.5m、高3.6m，斷面積19.8m2。

52401運順采用鋼筋網片+螺紋鋼錨桿+π型鋼帶+錨索聯(lián)合支護，錨桿5根/排，排距為1m；副幫側第二根錨桿為單軌吊錨桿，采用螺紋鋼錨桿，要求放線施工，錨桿外露段長度50~80mm。錨索矩形布置，排距為2套/4m，間距為2.1m。

3.52401工作面沿空留墻支護及施工

（1）總體支護

52401運輸巷超前工作面澆筑柔模混凝土墻體總體支護方案：巷道整體采用錨網索支護，超前工作面200~300m澆筑C30柔模混凝土墻體，墻厚1m，緊貼副幫澆筑。

（2）墻體支護參數

柔模混凝土墻體寬度1000mm，高度3400mm，混凝土強度C30，墻體內預安裝橫向錨栓，提高墻體結構強度并限制橫向變形。

柔性模板參數：柔性模板為三維紡織預成型體，透水不透漿，阻燃防靜電，長寬高為：3000×1000×3500mm。

混凝土為地面上攪拌好干混料，井下加水攪拌成混凝土并通過混凝土泵輸送至柔性模板內。

錨栓規(guī)格：Φ22×1100mm螺紋鋼，間排距為900×750mm；桿體兩端都設有絲扣，每端絲扣長度100mm；桿體兩端各配一套高強度托板、調心球形墊和尼龍墊圈，托板采用200×200×15mm鋼托盤。

（3）巷旁支護載荷計算

依據沿墻掘巷無煤柱開采技術原理，墻體所承受的載荷主要是沿墻掘巷后墻體所承載的上覆頂板巖層的重量，所以采用沿空留巷“分離巖塊法”理論計算墻體載荷較為合適，但區(qū)別是：沿墻掘巷墻體所受的動壓較留巷要小。

經計算，留巷寬5.2m、支護厚度為1m時支護體的載荷為：q=2559.5kN/m

考慮沿墻掘進時，圍巖二次穩(wěn)定的動壓影響系數為1~4，這里取2，沿墻掘巷期間作用在柔模混凝土上的最大支護載荷為：q=5119kN/m

（4）柔模混凝土墻體承載力核算

柔模混凝土是一種纖維包裹加筋的預應力復合材料結構體。因此，柔模混凝土的承載力由約束增強體和核心混凝土兩部分組成。在軸向壓力作用下，被約束的核心混凝土產生橫向擴容變形，使得錨栓產生拉伸變形，從而形成了作用于核心混凝土的橫向約束力，核心混凝土處于三向受壓應力狀態(tài)。加載初期，柔模混凝土的應力應變關系與普通素混凝土的曲線基本一致；當應力達到混凝土強度以后，柔模混凝土的曲線仍能保持一定的上升趨勢；最終，曲線以較為平緩的下降段結束。因此，柔模混凝土的實際承載力相比于一般的混凝土軸心抗壓構件強度要高。

這里為簡化起見，將單位長度、厚度1m的支護體視為軸心受壓柱模型，可計算出支護體的正截面承載能力。

受壓柱高3.4m，短邊長1m，構件的長細比為3.4∶1=3.4，構件穩(wěn)定性系數φ取1.0，構件的承載力安全系數取0.9。

N=0.9φ×fcA

式中，N——支護體的承載能力；

φ——構件的穩(wěn)定系數，查《混凝土結構設計規(guī)范》可知 φ=1；

fc——混凝土的軸心抗壓強度設計值，N/mm2，C30混凝土軸心抗壓強度設計值為15N/mm2；

A——截面面積為l×b。

將上述參數代入上式，計算得柔模混凝土每延米1m，厚承載能力為N=13500kN/m。因此，巷旁柔模混凝土承載能力N=13500kN/m＞q=5119kN/m，采用1m厚C30柔模混凝土墻體有1倍以上的安全系數，所以可視支護結構承載能力滿足要求。

（5）墻體澆筑施工

①施工工藝及流程

柔模泵注混凝土沿空留墻整體工序主要包括地面干混料的制備和運輸、柔模掛設、井下上料、攪拌、泵送和澆筑等關鍵施工環(huán)節(jié)。

施工流程：地面按配合比拌干混料→干混料運輸至井下混凝土施工裝備處→掛柔模并安裝錨栓→泵注混凝土→下一循環(huán)。

混凝土制備與輸送工藝流程：地面配制混凝土→地面攪拌干混料→地面攪拌站到井下泵站運輸→井下刮板上料→井下雙軸連續(xù)強制攪拌→井下高壓連續(xù)泵送混凝土。

地面柔模混凝土制備混合系統(tǒng)的主要作用是將水泥、砂子、石子和外加劑按照設計配合比精確配制與混合。井下柔模混凝土制備泵送系統(tǒng)的主要作用是將干混料運輸到攪拌機內，加水攪拌，然后通過高壓輸送泵將混凝土輸送到柔性模板內，主要設備為混凝土泵、連續(xù)攪拌機、上料機。

②沿空留墻施工裝備及布置

a.地面配料設備及布置

考慮到運輸以及混凝土拌合物存放時間有限等因素，柔模泵注混凝土采用兩次攪拌工藝。一次攪拌在集中攪拌站進行，混凝土干料攪拌設備主要有混凝土攪拌機、配料機。按C30級別混凝土，將水泥、砂、石子、外加劑等拌合成干料，水須在井下施工點進行二次攪拌時添加。干料一般為當天運輸，儲備量一般滿足半天的施工用量。根據52401工作面推采進度9m/天，日用新拌混凝土34.2m3計算，干料為46.68m3。

b.工作面設備及布置

井下作業(yè)時所有機械設備必須有防爆性能，且要達到行業(yè)要求。

由于井巷窄長的特點，要求設備寬度要盡量短小，以寬度小于1.5m為宜。

因煤礦巷道斷面一般較小，一次泵注量不大，泵可隨工作面移動，以高壓小排量為宜。

為滿足混凝土強度要求，在不降低石子粒徑及含量的情況下，采取短距離輸送易保證混凝土質量，堵管后易于處理。輸送距離一般在200～350m較為合適。

根據井下工作環(huán)境及斷面大小，輸送量為15m3/h～35m3/h。

一般混凝土泵壓力16MPa，高壓條件容易損壞柔模，壓力低輸送距離短，易堵管。經試驗，井下使用一般10～16MPa為宜。

輸送管選定為Φ125管道。

c.施工設備布置

柔模混凝土制備輸送機組布置在52401膠運輸順槽副幫側，利用無軌膠輪車將干料輸送至泵后方料場，上料機將地面干料轉入混凝土制備機的攪拌槽內攪拌，通過混凝土泵送管路將混凝土注入端頭柔模內。混凝土泵距工作面200～350m。

③施工材料

柔模混凝土由柔模與自密實混凝土組成，是將自密實混凝土灌注于柔模內，形成柔模包裹混凝土的復合材料結構體。柔模透水不透漿的作用，可實現(xiàn)大水灰比輸送小水灰比硬化，井下實際最遠泵送距離達到670m。柔模混凝土低齡期強度增長速度快，初步設計3d基本達到設計強度，混凝土澆筑完成后即具有較大初撐力，初撐力達0.8MPa。

柔模混凝土有水泥、砂子、石子、粉煤灰及外加劑等。原料要求：

水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥。

砂子采用II區(qū)中砂，通過0.315mm篩孔的砂不應小于15%；若采用I區(qū)砂時，應提高砂率，并保持足夠的膠凝材料用量，以滿足柔模混凝土的可泵性；若采用III區(qū)砂時，宜適當降低砂率，含泥量（按質量計）不大于3%，泥塊含量不大于1%。

石子最大粒徑不應大于20mm，粒徑宜選用5～20mm連續(xù)級配碎石，考慮到泵送及混凝土強度，石子中的針片狀顆粒含量不宜大于10%，含泥量（按質量計）不大于1%，泥塊含量不大于0.5%；當采用碎石時，非粘土質石粉含量不大于1.5%，防止對柔模混凝土的凝結時間與和易性產生不利影響。

采用二級粉煤灰，利用其自身的“滾珠潤滑”效應，以達到提高柔模混凝土的和易性和可泵性、降低施工原材料成本的目的。

采用KTRHWJ-1型柔模專用外加劑，以提高柔模混凝土的早期強度，減少單位柔模混凝土的用水量，提高柔模混凝土的拌合黏度，從而有效改善柔模混凝土的抗離析性和可泵性。

4.52402工作面沿墻掘巷支護及施工

52402工作面輔運（軌道巷）作為52402綜采工作面回風及輔運巷道，掘進采用連采及其后配套設備單巷掘進。52402輔運巷道采用FBDV-№7.1/2*45局扇配套Ф1000mm風筒遠距離供風。

（1）巷道形狀及斷面

巷道形狀為矩形，巷寬5.2m，高3.4m，斷面積17.68m2。

（2）支護參數

52402輔運（沿墻掘巷）掘進工作面所有巷道均布置在52煤層中，全部為矩形巷道。其中52402輔運（沿墻掘巷）臨近52401綜采工作面采空區(qū)，頂板受采空區(qū)及回采采動影響較大，需加強巷道頂板支護管理。巷道頂板全斷面鋪設網片并采用錨桿、錨索等聯(lián)合支護，所有網片搭接長度均為100mm。

52402輔運采用鋼筋網片+螺紋鋼錨桿+Ω型鋼帶+錨索聯(lián)合支護。錨桿支護為5根/排，排距1m；錨索支護為3套/排，排距 2m，錨索與Ω型鋼帶聯(lián)合加強支護，矩形布置。52402輔運（斜線段）與52401運順交叉段巷道寬度超過8.0m區(qū)域，在擴幫處補打錨索及架設木垛進行補強支護。

52402輔運與52401運順原有硐室貫通后硐室視為空頂，割壞的網片及錨桿及時處理和補打，按照設計加固支護。鋪設的網片必須完全包住掘進時留設的臺階，新舊網片搭接長度為100mm。

掘進期間，52402輔運巷道正幫掛設塑料網，幫網支護緊跟至破碎機后方。若工作面遇到煤壁酥松破碎、較大裂隙發(fā)育及炸幫（有壓力顯現(xiàn)）等局部片幫嚴重段，檢修班和生產班積極組織掛幫網，幫網掛設完畢后方可允許生產。正幫自上而下掛設兩茬塑料網。塑料網規(guī)格為1800×20000mm，網格尺寸為40×40mm；幫錨桿采用Φ18×1600mm玻璃鋼錨桿，矩形布置，2套/1.5m，間距1.3m；幫網與頂網間搭接100mm，相鄰網片間搭接100mm，搭接處每隔200mm用雙股14＃鉛絲綁扎，網片間搭接平整，網片展平。

遇到頂板破碎帶、離層、裂隙處及沖刷復雜地質構造等地段，必須嚴格執(zhí)行“短掘短支”措施，加強頂板支護管理，嚴防冒頂事故發(fā)生。

（3）沿墻掘巷施工

掘進采用連采機及其配套設備施工，選用美國JOY公司制造的12CM15-10D型連采機來完成割煤和裝煤工序，選用JOY公司制造的10SC32-48C-5型梭車來完成煤炭運輸。利用GP460/150型破碎機完成煤炭的轉載和破碎工作，破碎機運出的煤炭通過順槽膠帶輸送機運出工作面，經52煤主運輸系統(tǒng)運出地面進入原煤倉。選用太原煤炭研究院生產制造的CMM25-4型錨桿機完成巷道頂板錨桿支護工作，使用M.R.S.-17型單體錨索機來完成巷道頂板錨索支護工作，選用一臺FBZL16型防爆裝載機完成工作面物料、設備的搬運及巷道浮煤的清理工作，選用型號為G4CL068519送人車送人，用型號為LWLNKRHG3C下料車運送物料。形成連續(xù)采煤機掘進工作面割煤、裝煤、運煤、淸煤、支護等工序全部機械化作業(yè)的施工方法。

①切槽

連采機司機在激光指向儀的導向下，確定連采機的進刀位置。進刀位置選擇在巷道左側，沿激光指向儀的導向（左側3.2m）為標準進行施工，連采機從底板進刀，掘進一個循環(huán)深度后退機，這一工序稱為切槽。

②采垛

完成切槽工序后，將連采機調至巷道另一側，并以激光指向儀為導向，當巷道設計寬度為5.0m時，沿激光右側1.8m為標準（巷道設計寬度為4.0m時，沿激光右側0.8m為標準）來確定位置，開始割剩余部分的煤，這一工序稱為采垛。

③截割循環(huán)

無論是切槽還是采垛工序，連采機截割時，首先將連采機截割頭調整至巷道頂板，由上向下切割煤體。當截割頭割到煤層底板時，連采機稍向后退，割完底煤，使巷道底板平整，并裝完余煤。連采機在割煤過程中，為保證頂板平整，應每割三刀退回掃一次頂板，接著下一個循環(huán)。連采機完成從頂板至底板再到頂板這一過程就稱一個截割循環(huán)。

三、結論

1.在榆家梁煤礦首次實現(xiàn)了柔模混凝土沿空留墻沿墻掘巷技術，采用1m厚的柔模混凝土墻體替代了15m的護巷煤柱，多回收了煤炭資源，延長了礦井服務年限。

2.巷道整體支護效果良好，柔模混凝土支護技術及經濟性合理，柔模混凝土沿空留掘巷滿足孤島工作面安全生產要求。

3.柔模無煤柱開采沿墻掘巷技術首次同時應用在綜采孤島工作面，為其他類似工程條件的無煤柱開采提供了實踐經驗。