松軟厚煤層柔模混凝土沿空留巷技術應用分析

任政峰

（煤炭工業太原設計研究院集團有限公司，山西 太原 030002）

沿空留巷[1-2]是煤炭企業實現綠色開采的重要方法之一，不僅可以延長礦井服務年限，同時可以提高礦井掘進效率，有助于實現礦井安全高效開采。

1 工程概況

大恒煤業3405工作面位于四采區中部，工作面西部為礦界，東部為四采區三條大巷，南部相隔20 m保安煤柱為3404工作面采空區，北部相隔260 m為3405工作面回風順槽。工作面傾向長1155 m，走向長260 m，地面標高+1080～ +1200 m，井下標高+622～ +761 m。工作面開采3號煤層，煤層厚5.1～6.4 m，傾角0°～15°，煤層節理、裂隙較為發育，部分區域質地松軟，普氏硬度約為2。煤層直接頂為泥巖，厚3.66 m；基本頂為細砂巖，厚7.6 m；直接底為泥巖和細粉砂巖，厚7.84 m；基本底為灰色石英砂巖，厚2.25 m。3405工作面為綜放工作面，采用兩進一回“Y”型通風。軌道順槽沿煤層底板掘進，巷寬5.8 m，巷高3.2 m，留巷后作為回風順槽使用，形成工作面回風系統。

2 沿空留巷技術

2.1 預裂爆破切頂

在3405工作面軌道順槽前方布置預裂爆破鉆孔，切斷沿空留巷巷道頂板懸臂梁[3-4]載荷及旋轉變形壓力，消除懸頂，改善圍巖應力環境。預裂爆破鉆孔位于軌道順槽靠工作面側肩角，平行布置一排，炮孔偏向工作面側，仰角為75°，炮孔長12 m，直徑50 mm，間距為1.2 m。預裂爆破采用不耦合方式裝藥結構，裝藥長度6 m，封孔長度6 m，單孔裝藥量為6.6 kg。爆破鉆孔布置如圖1。

圖1 超前預裂爆破鉆孔布置圖

2.2 留巷頂板控制

軌道順槽超前支護采用一梁四柱，工作面端頭過渡架側面及留巷后頂板采用一梁三柱的方式進行支護，單體柱型號為DW35-300/110X，π型梁為3800 mm。在距留巷墻體600 mm處和距保安煤柱600 mm處各支設單體柱，在所支設2根單體柱中間再支設1根單體柱，中間支設的單體柱分別距兩側單體柱1550 mm；π型梁排距為900 mm±100 mm，留巷支護長度不少于120 m。端頭3架不放頂煤，在過渡架上鋪設雙層金屬頂網（規格為8000 mm×1050 mm），遇地質條件變化時，在機尾最后兩架支架搭設1根補強錨索，用來維護機尾過渡架后方的空間。端頭第2和第3個過渡架后方布置兩個擋矸支架，邁步自移式，阻擋采空區矸石進入巷道，同時為柔模混凝土澆筑預留出空間。沿空留巷頂板臨時加強支護平面圖如圖2。

圖2 沿空留巷頂板臨時加強支護平面圖

2.3 柔模混凝土澆筑

（1）柔模支掛

3405工作面軌道順槽寬5.8 m，留巷寬度4.3 m，柔模混凝土充填體[5-6]寬度1.5 m。3405工作面正常推進速度為每天3個循環，即2.4 m，綜合確定柔模尺寸長×寬×高為：2.4 m×1.5 m×3.5 m。在擋矸支架預留空間內，支掛柔模，留巷側采用單體柱支模；采空區側空間允許的前提下，盡量用單體柱支模；采空區側空間不足時，采用錨桿懸掛柔模；每側單體柱的數量不得少于2根/m，不能影響注漿管綁扎。采空區側掛模單體柱的回收時間為墻體澆筑成型1 d后，巷內側掛模單體柱的回收時間為墻體澆筑成型7 d后。

（2）柔模加固

柔模內采用錨栓桿、鋼筋梯子梁和鋼筋網進行加固。錨栓桿采用直徑22 mm、長1.65 m的500號高強螺紋鋼，間排距為0.7 m×0.75 m。錨栓配套直徑16 mm圓鋼焊接的鋼筋梯子梁，橫向和豎向相互搭接。鋼筋梯子梁安裝在錨栓托盤內，并在柔模和鋼筋梯子梁之間鋪設鋼筋網，保證墻體成型。

（3）混凝土材料

澆筑采用C40混凝土，采用42.5普通硅酸鹽水泥、砂子、石子和水混合，見表1。每班澆筑前和澆筑結束后，各需要泵送一次潤管砂漿，每次不少于0.5 m3，砂漿中水泥與砂子的配比為1:1。

表1 C40混凝土中各組分的摻量

（4）混凝土澆筑系統

在地面建立干混料制備站，井下布置柔模混凝土濕料制備輸送機組。地面干混料通過礦車運輸至井下濕料制備站，由濕料制備機組加水混合后，采用混凝土泵通過管路泵送至澆筑地點進行柔模澆筑。柔模混凝土澆筑系統示意圖如圖3。

圖3 柔模混凝土澆筑系統示意圖

3 效果分析

3.1 巷道控制效果分析

為考察留巷效果，在軌道順槽內布置圍巖表面位移觀測測站，并在3405工作面機尾端頭支架布置支架壓力傳感器。通過支架壓力分析可知，切頂卸壓后，工作面端頭支架壓力穩定，未出現受力激增現象，機尾端頭周期來壓顯現不明顯。巷道表面位移數據顯示，留巷巷道圍巖變形不大，巷道圍巖控制良好，同時柔模混凝土充填體未出現破碎現象，留巷巷道能夠滿足本工作面回風和下一個工作面生產使用。

3.2 效益分析

（1）成本消耗費用

① 柔模充填費用

柔模混凝土沿空留巷投資可分為設備費用、材料費、人工費等，所需設備為地面干混料制備系統、井下混凝土濕料制備機組、端頭支架、擋矸支架、切頂鉆孔等，均可重復利用。柔模充填費用主要計算柔模沿空留巷的材料和人工費用，由表2單個充填體需使用材料及人工費用計算，每米巷道充填材料費用為8092元。

表2 柔模混凝土充填體材料費用明細

② 巷道頂板維護費用

留設巷道頂板維護包括爆破施工、機尾端頭架鋪網、留巷巷幫及頂板錨索補強，以及擋矸支架及巷內臨時支護等，具體明細見表3。經計算，每米費用為5426元。

表3 柔模混凝土充填體材料費用明細

（2）經濟效益

采用柔模沿空留巷，可以少掘一條順槽巷道，多回收40 m煤柱。礦井掘進一條順槽巷道的綜合成本8200元/m；每米煤柱可多回收煤炭資源300 t，每噸利潤100元計算，利潤為30 000元。沿空留巷巷道綜合成本為12 918元/m，由此計算可知，每米巷道可產生經濟效益為25 282元，經濟效益明顯。

4 結語

留巷巷道圍巖穩定是沿空留巷成功實施的關鍵，通過對大恒煤業3405工作面沿空留巷實踐，從超前切頂卸壓、巷道頂板控制和柔模混凝土的澆筑對柔模混凝土沿空留巷技術進行了分析。通過觀測端頭支架壓力和留巷圍巖變形可知，柔模混凝土沿空留巷圍巖穩定，能夠滿足礦井生產使用要求，在提高礦井煤炭資源回收率的同時減少了巷道掘進工程量，緩解礦井采掘緊張局面；同時通過詳細的對比分析可知柔模沿空留巷經濟效益明顯，為礦井推廣應用奠定了基礎。