西曲礦18403工作面沿空留巷可行性探討

張繼東

（山西西山煤電西曲礦，山西古交030200）

0 引言

雖然我國各種新能源蓬勃發展，但是煤炭仍然處于我國能源的主導地位。目前我國大多數煤礦仍采用傳統的采礦方法，采用較寬的區段煤柱（煤柱寬度一般為20 m～30 m）來對回采巷道進行保護，這樣會造成在煤礦開采過程中，大部分的煤柱在工作面回采過后會被遺留到采空區內，這樣就會造成大量的資源浪費，并且留設區段煤柱時會產生應力集中、采空區發火等問題。

為解決上述問題，提出了采用沿空留巷無煤柱開采的技術，許多的采礦方面的學者進行了不懈的努力，如柏建彪等[1]在綜述巷旁支護技術發展歷程的基礎上,提出膏體材料巷旁充填沿空留巷新技術；分析沿空留巷頂板破斷垮落特征,建立了膏體材料巷旁充填沿空留巷的力學模型,提出了膏體材料巷旁支護體主要參數的確定方法。李化敏［2］分析了沿空留巷頂板巖層運動的過程及其變形特征，明確了頂板巖層運動各階段巷旁充填體的作用，根據充填體與頂板相互作用原理，確定了各階段沿空留巷巷旁充填體支護阻力的控制設計原則，并建立了相應的支護阻力及合理壓縮量數學模型。

沿空留巷技術無論從理論上還是技術上，都已經發展的相對較為完善，并且我國有許多礦井都已經成功的實施了沿空留巷無煤柱開采技術，為我們的研究奠定了堅實的基礎。因此，出于經濟等方面的考慮，西曲礦擬采用沿空留巷無煤柱開采技術，通過采用理論分析的方法，從實施沿空留巷的必要性、何種巷旁支護體最佳、采用柔模混凝土巷旁支護技術的可行性、巷內支護、充填設備等技術和經濟效益考慮，對西曲礦18403回采工作面應用沿空留巷無煤柱開采技術的可行性進行探討。

1 項目背景

18403工作面位于南四盤區南部，西鄰永樹曲村、新建村保護煤柱，東部為南983運輸大巷，南部待采的18401 工作面，北部為開采的18404 工作面。18403 工作面的采高為3.5 m。煤層頂底板情況如表1所示。

表1 煤層頂底板情況表

根據查閱相關資料并對比西曲礦18403工作面地質條件，西曲礦具備應用沿空留巷技術的可行性。

圖1 工作面工程平面

沿空留巷的技術工藝為在工作面推進的過程中在回風順槽沿著工作面一側澆筑墻體，在本工作面回采完成后將回風順槽保留下來作為下一個工作面的運輸順槽。采用沿空留巷技術后能夠實現Y 型通風，對于解決上隅角以及回風巷瓦斯濃度超限問題積聚有著突出的優勢。

沿空留巷技術之所以在回風順槽中進行，是因為運輸順槽中有膠帶輸送機需要運煤，而在回風順槽中實施，空間較大能夠鋪設一系列設備。

2 西曲礦沿空留巷技術應用可行性分析

2.1 沿空留巷巷旁支護體的選擇

經查閱相關資料，沿空掘巷常用的巷旁支護體有柔模泵注混凝土巷旁支護技術和鋼模泵注混凝土巷旁支護技術兩種。柔模泵注混凝土較傳統的剛性模板有突出的優點，如1、在泵壓作用下，柔模混凝土接頂效果好；2、運輸方便，操作方便，工序簡單，效率高；3、柔模析水快，墻體達強快且支護阻力大，具有一定的可縮性，與沿空掘巷圍巖變形相適應等優點。而鋼性模板施工困難，勞動強度大，施工時間長，占用作業空間，容易漏漿，對不平整頂板適用性差，難接頂。

根據上述對常見兩種巷旁支護體的分析可知柔模混凝土巷旁支護有著突出的優勢，因此本項目中沿空掘巷采用柔模泵注混凝土巷旁支護技術是較為合理的選擇，即采用柔模混凝土連續墻作為巷旁支護體。

2.2 采用柔模混凝土巷旁支護的可行性分析

2.2.1 沿空留巷壓力計算

依據西曲礦18403 工作面的實際生產地質條件，決定采用“分離巖塊法”來計算頂板的壓力。“分離巖塊法”認為在沿空巷道上方一定范圍內的巖體形成分離巖塊，支護體的載荷為分離巖塊的重量。因此為保證巷旁支護體能夠起到其支承分離巖塊的作用，就必須計算巷旁支護體上的載荷即來自頂板的壓力q。根據工作面三機配套和回風要求，確定18403 工作面沿空留巷后的寬度為4 500 mm。計算模型見圖2。

圖2 沿空留巷礦壓計算模型

頂板壓力q的計算公式如下：

式中，q—巷旁支護體載荷；bB—巷旁支護內側到煤幫的距離，即留巷寬度，取4.5 m；x—巷旁支護寬度，根據相似沿空留巷礦井實施案例，初步取1.5 m；bC—巷旁支護外側懸頂距，取0.5 m；γ—頂板分離巖塊容重，取27 kN/m3；h—采高，取3.5 m；θ—剪切角（上覆巖層的斷裂角），根據經驗選取為26°；

計算可得支護厚度為1.5 m時，巷旁支護承受的壓強為：

即單位長度巷旁支護承受的載荷為Q1,

巷旁支護體上的載荷來源于直接頂分離巖塊的重量和老頂轉動對直接頂造成的動壓，但是其動壓以目前的技術水平很難測得，因此一般所采用的方法是根據經驗對所得的數據乘以一個動載系數η，η 一般取1～2，在計算時一般從最大值考慮取2，這樣巷旁支護上的最大載荷為Q2，Q2=2Q1:[3][4]

2.2.2 墻體承載力驗算

根據上述對常見兩種常用沿空留巷巷旁支護體的分析，此次18403 工作面沿空留巷巷旁支護體選用柔模混凝土為巷旁支護體。

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，其承載力主要由約束增強體和核心混凝土兩部分組成。在混凝土的軸向方向上，錨栓會產生拉伸擴容變形形成橫向約束力，使得混凝土處于三向應力狀態。與素混凝土相比，柔模混凝土的強度和延性都得到提高。因此混凝土的承載力是沿空掘巷能否成功的關鍵因素。柔模混凝土墻體的承載力計算公式為：

錨栓的約束應力計算公式為：

式中：N2—巷旁支護的承載能力，kN，其值由2.3.1計算可得；σr—錨栓套箍作用產生的有效約束力；MPa；Acor—環向包裹內混凝土面積，m2，為1.5×103m2；fc—混凝土抗壓強度設計值，N/mm2，C30 混凝土的抗壓強度設計值為14.3 N/mm2；d—錨栓直徑，mm，普通沿空留巷所用錨栓的直徑為20 mm；σb—鋼筋抗拉強度設計值，取300 MPa；a1,a2—錨栓的間排距，mm；

計算可得錨栓的約束應力為：

柔模混凝土墻體的承載能力為：

根據工程實踐經驗，當巷旁支護安全系數大于1.2時可認為支護強度滿足要求，本項目中墻體的承載力為27 339.12 kN/m，沿空留巷頂板壓力為18 866 kN/m，安全系數為1.45，因此巷旁支護滿足安全要求。

因此當18403工作面采用沿空留巷時選擇柔模混凝土墻體為巷旁支護體時，可很好地滿足安全的需求。

2.3 巷旁支護參數設計

墻體高度為3.5 m，墻體寬度為1 500 mm，混凝土強度等級為C30。在柔模混凝土墻體內預置錨栓，錨栓為? 20×1 700 mm 的螺紋鋼，兩端絲扣長度各為100 mm，托板尺寸為150×150×16 mm，雙托板雙螺母；錨栓的間排距為1 500×1 000 mm，巷旁支護橫斷面見圖3。

圖3 巷旁支護斷面圖

2.4 巷旁支護設備及施工工藝

采用柔模混凝土沿空留巷技術時，其設備主要包括混凝土配料機、混凝土攪拌機、混凝土輸送泵等，其材料主要包括柔性模板、水泥、錨栓、鐵托板等。由于目前柔模混凝土沿空留巷市場較大，因此設備生產廠家有較多的選擇，這就為實施沿空留巷技術提供了更多的可能性。

沿空留巷施工主要包括地面制備干混料、運料下井、井下制備與輸送混凝土和澆筑柔模混凝土墻體等幾個關鍵環節。[5]

3 沿空留巷成本及經濟效益

沿空留巷成本包括材料費（如錨栓、混凝土、一次性纖維柔性模板等）、設備費、人工費。根據市場調研一整套柔模混凝土設備約為240萬元。

煤柱效益：按照留巷長度1 199 m 計算，煤層平均厚度3.5 m，密度1.4 t/m3，煤柱20 m，采出率95%，采用沿空留巷以后，共計多回收煤炭資源11.8萬噸，噸煤效益按照200 元計算，每個工作面僅回收煤柱就可以創造經濟效益2 360萬元。

少掘巷效益：預估算每米留巷成本與掘巷成本基本持平，但是采用沿空留巷以后，工作面至少可以少掘停采線至采區大巷之間的巷道。

由于每米留巷成本與掘巷成本基本持平，因此回收一條煤柱所創造的利潤為2 360萬元，經濟效益非常可觀。

4 結論

本文以西曲礦18403 工作面為研究背景，從巷旁支護、裝備、施工工藝以及經濟效益等角度分析18403工作面采用沿空留巷技術是完全可行的，并且實施沿空留巷技術可以為礦井產生巨大的經濟效益，研究結果也可以為相似礦井采用沿空留巷技術提供借鑒。