筑墻雙巷無煤柱開采技術研究與應用

孫凱

（晉能控股煤業集團亨元礦 山西 晉中 045400）

0 引言

國內外研究學者針對傳統的無煤柱開采技術做了大量的研究工作［1］，我國在20世紀70年代末開始推廣和使用無煤柱開采技術［2］，筑墻雙巷無煤柱開采的作用原理與巷旁支護墻沿空留巷相似，與沿空留巷相比，該技術在未受采動影響前澆筑墻體，與采煤作業沒有交叉，無需增加特殊支架，墻體成型好，對頂板施加了一定初撐力，有利于頂板控制。同時也存在一次掘巷跨度大、墻體多承受一次回采工作面超前壓力影響等缺點［3］。綜上分析，在一定的條件下，筑墻雙巷方案優于沿空留巷方案，通過分析壽陽亨元煤業的生產條件，優先選用筑墻雙巷方案。

1 礦井地質概況

壽陽亨元煤業現開采6#和8#煤層，6#煤平均煤厚1.89 m，8#煤平均煤厚1.65 m，層間距平均為10 m。筑墻雙巷巷道為080211 采煤工作面與080210 采煤工作面間的巷道，該巷道埋深為194 m～219 m，沿8#煤層底板挑頂掘進，煤層結構簡單，煤層平均厚度1.7 m，硬度系數f約為2，煤層傾向N～S，煤層傾角3°～5°，平均4°，為近水平煤層，直接頂為砂質泥巖，老頂為細粒砂巖、中粒砂巖，直接底為砂質泥巖、粉砂巖。工作面掘進期間絕對瓦斯涌出量0.33 m3/min；煤層不易自燃，煤塵爆炸指數為19.8%。巷道施工工藝為綜掘，凈斷面：6 m×2.6 m，采用錨網支護。

2 筑墻雙巷無煤柱開采方案設計

筑墻雙巷巷道掘進寬度6 m，巷道掘進完成后在巷道中部砌筑一道混凝土支護墻，支護墻寬度0.8 m，將該巷道分割成兩條巷道。靠近080210 工作面的寬度2.1 m，作為開采080210工作面時的回風巷道，靠近080211 工作面的寬度3.1 m，作為開采080211 工作面時的回風巷道。

圖1 筑墻雙巷無煤柱開采方案平面圖

2.1 墻體強度設計

基于亨元煤礦的地質與開采條件，確定采用“分離巖塊法”計算混凝土支護墻的頂板壓力。其理論依據是保留巷道上方一定范圍內分離巖塊的重量構成了支護靜載荷，混凝土支護墻礦壓計算模型見圖2。

圖2 混凝土支護墻礦壓計算模型

為了保證沿空留巷穩定，巷旁支護墻需承擔巷道上方巖塊的重量，根據力矩平衡理論，分離巖塊和巷旁支護墻對于煤層上右頂角A點處處于力矩平衡狀態。

式中：

q—巷旁支護載荷；

b—巷旁支護內側到煤幫的距離，即留巷寬度，取3.1m；

bP—巷旁支護寬度，取0.8 m；

bX—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；

α—剪切角，根據經驗選取為20°；

H—頂板垮落高度，取39.0 m。

計算可得混凝土支護墻寬度為0.8 m，留巷寬度3.1 m時的巷旁支護承受的壓強為：

混凝土支護墻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，老頂轉動對直接頂造成的動壓一直難以確定，傳統的觀點是用實測的方法測得所謂的動載系數η。根據綜采經驗數據，η在一般情況下為1～2，在設計沿空留巷巷旁支護時取1.5，這樣巷旁支護上的最大載荷為：

q大=1.5q=28 MPa＜C30 混凝土最小抗壓強度30 MPa

經計算可知，墻體寬度為0.8 m，留巷寬度3.1 m時，墻體強度應大于28 MPa，故選用C30 混凝土澆筑墻體。

2.2 加強支護設計

影響巷道頂板壓力的主要因素為頂板冒落高度與采空區頂板的懸頂長度。由于8#煤上部的10 m 左右為6#煤采空區，6#煤層采空區上方15 m 左右為3#煤采空區，混凝土支護墻足以切斷8#煤上部10 m左右的巖層，所以不會產生大的頂板懸頂，頂板壓力是確定的，不能人為改變頂板壓力條件。對頂板的支撐主要取決于混凝土支護墻及巷幫煤壁。

2.2.1 煤壁加強支護

頂板壓力主要由煤壁與混凝土支護墻承擔，煤壁加強支護的作用主要是減少煤壁塑性區范圍、防止煤壁片幫、增大煤壁支撐力，煤壁加強支護采用全長錨固錨索加梯子梁承擔。

在靠近080211 工作面的煤壁打1 根錨索，呈“三花”布置，錨索間距為800 mm，距底板高度為1.2 m/2.0 m。錨索選用?17.8×4 200 mm低松弛鋼絞線，錨索錨固力不小于230 kN，梯子梁采用?18 mm 圓鋼焊接制作，規格為4 000 mm×100 mm。

2.2.2 混凝土墻支護設計

在巷旁支護墻體內預置對拉錨栓，錨栓為?18×900 mm的螺紋鋼，兩端絲扣長度各為50 mm，托板尺寸為150×150×16 mm，雙托板雙螺母；錨栓間距為750 mm，錨栓排距為1 000 mm，錨栓的排距應隨采煤工作面推進的進尺而調整，但排距最大不超過1 000 m，對拉錨栓的預緊力不小于150 N·m。

圖3 加強支護示意圖

2.2.3 超前、滯后支護

該巷道施工完畢并筑墻成雙巷后，先回采080210工作面。回采期間，080210回風巷及080211回風巷在080210 工作面采線前方30 m 范圍內進行超前支護，080211工作面超前支護在080210工作面推過后不撤，作為該巷道的滯后支護。

超前支護采用支設帽柱的支護方式，其中：080210工作面回風巷支設2 路單體帽柱，排距為0.8 m，間距1.0 m；080211 工作面回風巷支設3 路單體帽柱，排距為0.8 m，間距1.0 m。當頂板破碎、形成網包或巷道動壓劇烈顯現等情況出現的特殊回采期間采用抬棚、套棚支護。

3 現場礦壓監測

重點監測080210 工作面回采對080211 回風巷的動壓影響，選取080211 回風巷具有代表性的測站，巷道表面位移曲線見圖4。

圖4 080211回風巷監測斷面變化曲線圖

080210 工作面的回采推進造成080211 回風巷表面位移隨之緩慢增加，工作面回采至距測站30 m附近巷道表面位移迅速增加，工作面回采至超過測站70 m后巷道表面位移增長趨于放緩，最終080211回風巷頂底板移近量為110 mm，兩幫移近量為130 mm，巷道圍巖控制效果良好，能滿足080211工作面回采需求。

4 結論

根據亨元煤業地質條件，結合筑墻雙巷技術原理及巷道斷面需求，通過計算墻體承載壓力，設計筑墻采用C30 混凝土，墻體寬度為0.8 m，驗證得出墻體承載力滿足使用要求，并進行了加強支護設計，通過巷道表面位移監測結果得出，筑墻雙巷無煤柱開采方案可滿足相鄰兩個工作面回采需求，且能提高煤炭資源采出率，實現無煤柱開采。