預應力砌塊隔離墻沿空留巷技術應用

劉曉東 尹炳合 林治寶

（1.龍礦集團盤道煤業，山西 忻州 034100；2.龍礦集團高級技校，山東 龍口 265714）

1 工程概況

盤道煤業位于寧武煤田軒崗礦區的東北部，生產規模為120萬t/a，批準開采2～5#煤層，現回采煤層為2#煤，低瓦斯礦井，自燃傾向等級二級，自燃發火期4～6個月，水文地質類型為中等，井田構造類型為中等。

沿空留巷為3203工作面的3203材料巷，巷道支護方式為錨網支護，巷道矩形斷面為4.4×3.5m，3203回采結束后，本巷道作為3205面的運輸巷。

3203工作面回采煤層為2#煤，位于太原組頂部，上距山西組底部灰白色中細砂巖7～7.5m，全區厚度、層位穩定。該區煤層厚3.0～4.5m，平均3.75m，含1～2層夾矸，厚度0.70～1.20m，平均厚度0.95m。煤層走向近南北，傾向西，傾角8～18°，平均12°。

3203材料巷掘進過程中揭露落差1.5m、2m正斷層共兩條，對沿空留巷會造成一定影響，需加強斷層區域的支護。

2 方案論證

2.1 隔離墻技術分析

盤道煤業具有比較良好的地質條件和開采條件，沿空留巷技術可行，關鍵是留巷工藝需簡單、保障安全、經濟可行、技術合理。

沿空留巷突出的問題是隔離墻的結構和施工方法對沿空留巷的影響。目前，正使用的沿空留巷技術主要有隔離墻技術和切頂卸壓技術。切頂卸壓技術施工技術要求高，工藝復雜，對煤巖層巖性、厚度等因素要求較高，短期內盤道礦無法采用。

國內比較常用的沿空留巷隔離墻技術主要有：高水充填護巷技術、現澆混凝土成墻技術和預制塊砌墻等技術，以上方案各有優缺點。

（1）高水充填材料護巷技術優點是遠距離輸送和快速凝固。但墻體材料強度低，材料用量大，大多數情況下不能就地取材，材料成本高。施工方面形成的墻體太厚，在采空區側臨時支護和工作人員實施作業時存在安全隱患，不適合高效回采工作面。

（2）現澆混凝土成墻技術：就地取材，材料成本低。但地面干拌和現場施工造成多次粉塵污染，混凝土輸送距離有限，施工輔助材料成本高，工作人員勞動強度大，而且墻體達到設計強度需要一定的時間。泵送混凝土充填沿空留巷環節多，施工復雜，柔模和輔助材料成本高，不能滿足高效快速回采需要。

（3）預制塊砌墻技術：國內現有的常規預制塊隔離墻基本是用預制塊簡單地堆砌，類似于砌碹技術，該施工工藝簡單、成本低。

通過研究，綜合比較現有的沿空留巷的各種工藝，確定采用預應力砌塊裝配式隔離墻工藝。

2.2 預應力砌塊裝配式隔離墻技術特點

（1）充分發揮混凝土強度，混凝土砌塊預制，有較好的養成條件和充分的養護時間，混凝土砌塊強度可以發揮到最佳程度；

（2）地面預制混凝土砌塊，相對井下施工，施工條件較好，勞動力占用較少，人工費用較低；

（3）井下環境污染少，粉塵可以減少90%以上；

（4）運輸量少；

（5）裝配工藝簡單，高強度砌塊通過親口配合，可適應任何高礦壓環境；

（6）主動支撐，預應力支撐柱內部填充有膨脹材料，注水后自體膨脹，給頂板施加30kN預支撐力，有效控制頂板和留巷穩定性；

（7）粘塑性接頂密封，頂板預留間隙有預應力讓壓支撐柱和粘塑性密封材料，具有初撐力又能增阻讓壓，基本耦合沿空留巷礦壓規律。粘塑性接頂材料是用河沙、小石子、粉煤灰，配以一定的添加劑，用水攪拌充填到頂部砌塊與頂板之間的空間，既能對頂板起到一定的支撐作用，又能在頂板彎曲下沉時，壓密實，提高密封效果。

3 工程實踐

3.1 施工設備布置

將地面加工好的混凝土塊運至砌墻機處，由砌墻機機械操作，完成砌墻工作，施工設備布置平面圖如圖1。

3.2 施工主要工藝

（1）混凝土塊的加工。根據礦壓監測分析，選用800×800×400mm鋼筋混凝土塊，強度不小于C30，后期改為1000×800×400mm鋼筋混凝土塊，進一步加大了支護強度，委托專業預制件廠進行加工，強度達到要求后下井運至施工地點。

（2）端頭支架安裝。工作面安裝時，在靠近3203材料順槽端頭安裝端頭支架，端頭支架較正常回采基本架長3.5m左右，為邁步式結構，見圖2。

圖1 設備布置平面圖

圖2 沿空留巷平面布置

（3）巷道超前補強加固。順槽沿空留巷操作前，在超前支護段打設補強頂鋼帶梁，增加兩排補強幫錨桿，鋼帶梁采用W200L2400～3400鋼帶，三根Φ15.24L5000錨索，幫采用Φ18L1800預應力蛇形錨桿，補強頂鋼帶梁和幫錨桿的距離根據現場礦壓觀測情況，在超前支護范圍內即20m范圍補強即可。

（4）工作面超前支護。工作面超前支護采用單體支柱配合π型鋼梁棚，間距1.8m，切眼位置支設3架，一梁三柱，靠近切眼位置支設6架一梁三柱，再往外5架一梁兩柱，超前支護設計距離20m。

（5）砌墻作業。使用專用平板車將裝配式砌塊運輸至施工地點，使用液壓轉向推高機（機械手）將裝配式砌塊移動至隔離墻位置，前后、上下進行裝配，密封膠條夾在砌塊與砌塊之間，隔離采空區，采用預應力支撐柱接頂，用粘塑性接頂密封材料填充與頂板之間的空間。

（6）對已沿空留巷段加固。在沿空留巷段支設一路拖后順向靠墻加強棚，加強棚采用單體支柱配合π型鋼梁棚，加強棚離砌塊墻100mm，柱間距0.8～1m。沿空留巷施工過程中，拖后加強支護長度一般為一個周期來壓步距另加5m以上，按照盤道煤業的周期來壓情況，一般拖后加強支護不少于50m左右，根據礦壓顯現情況進行回撤復用。

（7）噴漿封閉。砌墻結束后，進行噴漿封閉。在墻體預留觀測孔，定期觀測采空區情況。

4 實踐效果

（1）高強度支護與卸壓支護相結合，將巷道變形控制在一定范圍內。在砌墻完成，巷道未受動壓影響時，采取單體π鋼沿混凝土墻支護，以保證巷道支護的強度；同時選用了高強度鋼筋混凝土塊，混凝土塊與頂板之間采用主動支撐作用的支撐柱及可塑性袋裝灰砂，有一定強度，又保持一定的塑性，當袋裝灰砂變形至一定程度時，混凝土塊發揮主支護作用。頂板下沉200～300mm時，頂板沿混凝土墻體內側切頂垮落，頂板壓力得到一定程度釋放，巷道趨于穩定，不再有大的變化。

（2）增加恒阻力錨索支護，保證巷道頂板的完整，控制巷道頂板下沉變形。恒阻伸長式礦用錨索，具有保持恒阻力條件下延伸大變形的特性，解決了現有錨索延伸率不足，難以適應圍巖大變形的技術難題。現場使用型號為SKP18-1/1860HS，沿工作面一側超前50m布置，間距3m，長度5m，錨索Φ17.8mm，在保證錨索支護效果的情況下，較好地控制了巷道變形。

（3）對過斷層段區域，提前注漿加固，提高圍巖自身支護能力。注漿材料為馬麗散（優樂加固1號），是一種低粘度，雙組分合成高分子--聚亞胺膠脂材料，當樹脂和催化劑摻在一起時反應或遇水產生膨脹，本身反應或發泡生成多元網狀密彈性體，當它被高壓推擠、注入到煤巖層，可沿煤巖層或混凝土裂縫延展直到將所有裂隙充填，注漿后，斷層區域巖層強度加大，沿空留巷期間無大變化。

（4）采用加長端頭支架支護，保證操作人員的安全空間。制作加工了加長邁步端頭支架，在保證支護強度的情況下，較回采支架長3.5m，增加了砌墻支護段的操作空間，保證了施工人員的安全，同時支架邁步前進，減少了支架前移時空頂時間，提高了支護效果。

（5）專用機械式砌墻機使用回采泵站液壓作為驅動力，砌墻動作分解為起吊、橫移、下放三個動作，解決了砌塊搬運與壘設的困難，每班進度10～12m，保證了回采需要。

（6）本次施工的沿空留巷長度570m，同時服務于3203與3205兩個工作面。實踐證明，沿空留巷較好地控制了巷道變形，提高了施工效率，經濟成本降低20～30%，減少了煤柱損失，為相同或類似條件下推廣沿空留巷提供了寶貴的經驗。