15112 無煤柱工作面切頂卸壓沿空留墻技術(shù)研究與應(yīng)用

鮑佳星 王 濤

（1.山西長治王莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046000；2.山西煤炭運銷集團長治有限公司，山西 長治 046000）

合理的巷道布置方式是保證采掘接續(xù)平衡、提高煤炭采出率的重要手段[1]。我國大多數(shù)煤礦的工作面主要采用寬煤柱雙巷布置方式，其優(yōu)點是技術(shù)適應(yīng)性強，巷道易于維護，但會帶來嚴重的資源浪費，也影響了煤礦的正常采掘銜接。受制于剩余資源儲量的限制，為提高煤炭采出率，許多煤礦實施了無煤柱開采技術(shù)，并取得了良好效果[2-4]。由于不同的開采條件、采掘銜接、技術(shù)裝備水平等因素制約，無煤柱開采技術(shù)方案各有其針對性。無煤柱開采常用方法是沿空留巷，應(yīng)用范圍主要是薄及中厚煤層工作面和厚煤層放頂煤工作面。王莊煤礦采用大采高一次采全高工藝開采太原組15#煤層，采高4.2 m，若采用20 m 區(qū)段煤柱布置工作面，不但造成資源浪費，而且不合理的煤柱也會引起應(yīng)力集中，威脅安全生產(chǎn)[5]。為提高煤炭采出率和巷道掘進速度，優(yōu)化生產(chǎn)布局，決定采用沿空留墻無煤柱開采技術(shù)，并選定15112 工作面開展實踐應(yīng)用研究。

1 工程背景

王莊煤礦15112 工作面是15#煤層第二個工作面，也是規(guī)劃的第一個無煤柱工作面，位于一采區(qū)東北部，地面標(biāo)高+1 201.9～+1 390.3 m，工作面標(biāo)高+892～+937 m，南部為15#煤三條大巷，東側(cè)和北側(cè)為井田邊界，西側(cè)為15110 工作面（未開采）。15112工作面設(shè)計可采長度952.6 m，切眼長度337 m。工作面布置如圖1。

圖1 工作面布置示意圖（m）

15112 工作面開采范圍內(nèi)煤層傾角3°～8°，平均5°，含一層夾矸，內(nèi)生裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)較簡單，層位穩(wěn)定。煤層凈厚度3.56～4.24 m，平均3.9 m，采高4.2 m。工作面直接頂為泥巖，平均厚度2.18 m；基本頂為石灰?guī)r，平均厚度7.32 m；直接底為碳質(zhì)泥巖，平均厚度0.32 m；基本底為泥巖，平均厚度1.96 m。

15112 運輸順槽緊鄰15110 運輸順槽布置，設(shè)計長度1026 m。巷道斷面為矩形，掘?qū)?.5 m，掘高4.2 m，掘進斷面23.1 m2，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護。頂板支護采用每排5 根Ф22 mm×2400 mm 螺紋鋼錨桿，每兩排頂錨桿間打設(shè)2 根Ф18.9 mm×6300 mm 錨索；回采幫采用Ф22 mm×2400 mm 螺紋鋼錨桿，外幫采用玻璃鋼錨桿，幫錨桿距底板300 mm 起打設(shè)；錨桿間排距1200 m×1200 m，錨索間排距2200 m×1200 m。頂板采用5900 mm×1300 mm 規(guī)格金屬網(wǎng)，兩幫分別采用4100 mm×1300 mm 金屬經(jīng)緯網(wǎng)和礦用阻燃塑料網(wǎng)，網(wǎng)格50 mm，用14#鉛絲隔孔連接、雙絲雙扣，網(wǎng)片搭接100 mm。計劃在15112 運輸順槽和15110 運輸順槽之間施工混凝土墩柱墻，實現(xiàn)無煤柱工作面連續(xù)布置。

2 沿空留墻技術(shù)方案

2.1 沿空留墻技術(shù)原理

工作面圈出后、回采前，在15112 運輸順槽的外幫擴幫，擴幫后采用錨網(wǎng)索支護；在擴幫區(qū)域的底板開挖墩柱基坑并用混凝土澆筑基礎(chǔ)，基礎(chǔ)凝固后施工鋼筋混凝土墩柱，墩柱間的空隙用泡沫混凝土充填，固結(jié)后形成墩柱墻。待15112 工作面回采結(jié)束，采空區(qū)巖層活動穩(wěn)定后，在混凝土墩柱墻另一側(cè)掘進15110 運輸順槽，從而實現(xiàn)無煤柱開采。在采掘活動過程中，墩柱墻主要作用有：1）支撐作用—支撐采空區(qū)垮落帶邊緣的頂板載荷，分擔(dān)和減輕巷內(nèi)支護的壓力；2）切頂作用—利用巷旁支護切斷頂板，避免頂板沿煤幫處斷裂；3）隔離作用—有效隔絕采空區(qū)有害氣體涌出和水害風(fēng)險，防范采空區(qū)自然發(fā)火。沿空留墻無煤柱開采技術(shù)原理如圖2。

圖2 沿空留墻技術(shù)原理圖

2.2 沿空留墻承載能力驗算

由2.1 的分析可知，沿空留墻實施的關(guān)鍵在于作為巷旁支護的墩柱墻的承載性能。為確保墻體的支護能力滿足要求，可采用“分離巖塊法”對墻體載荷進行計算，力學(xué)模型如圖3[6]。

圖3 沿空留墻技術(shù)原理圖

沿空留墻處于未采動工作面的高應(yīng)力區(qū)和已采工作面的采空區(qū)之間，已采工作面回采后形成的在沿空巷道和巷旁支護上方一定范圍內(nèi)的分離巖塊構(gòu)成了墻體的載荷。工作面采空區(qū)為巖塊提供了自由面，在一定高度上巖體產(chǎn)生離層，進一步導(dǎo)致巖塊沿煤壁以α角斷裂，斷裂后形成的自由巖塊成為墻體的載荷。載荷計算如公式（1）：

式中：q為墻體上方的載荷，MPa；b為墩柱墻內(nèi)側(cè)到相鄰工作面煤壁的距離，取15110 運輸順槽的掘?qū)?.5 m；x為墻體寬度，取1.2 m；a為墻體外側(cè)懸頂距離，取0.3 m；γ為頂板分離巖塊容重，取25 kN/m3；h為工作面采高，取4.2 m；α為剪切角，根據(jù)經(jīng)驗取26°；θ為煤層平均傾角，取5°。

以上數(shù)據(jù)代入公式（1），計算可得墻體上方的載荷q=3.04 MPa。動壓系數(shù)取2，墻體寬度為1.2 m，則采用分離巖塊法計算出沿空留墻上方承受的圍巖壓力Q=7296 kN/m。

沿空留墻中的墩柱起支撐作用，泡沫混凝土僅起到密閉隔離作用。在工程實踐中，混凝土墩柱實際承載能力受多種因素影響。王莊煤礦在施工前對C35 泵注混凝土進行井下實測，14 d 抗壓強度達到40 MPa 以上；通過墩柱承載試驗實測結(jié)果，Ф1 m墩柱的荷載可達15 000 kN 以上。按墩柱實測承載力15 000 kN 計算，墩柱凈間距應(yīng)滿足式（2）：

式中：L為墩柱凈間距，m；P為墩柱承載力，取試驗實測結(jié)果15 000 kN；k為安全系數(shù)，取1.2；Q為墩柱墻延米載荷，根據(jù)上文計算結(jié)果，取7296 kN/m；d為墩柱直徑，取1 m。

以上數(shù)據(jù)代入公式（2），計算可得L≤ 0.71 m，即采用C35 混凝土澆筑的Ф1 m 墩柱時，凈間距不超過0.71 m，中心距不超過1.71 m。本次設(shè)計選用墩柱中心距為1.5 m，墩柱墻支護強度能夠滿足安全要求，后期可根據(jù)礦壓監(jiān)測結(jié)果和留墻效果優(yōu)化調(diào)整。

2.3 技術(shù)方案

根據(jù)沿空留墻無煤柱開采的技術(shù)原理，墩柱墻主要施工工序為：巷道擴幫→擴幫區(qū)支護→墩柱基礎(chǔ)坑起底→混凝土制備與輸送→墩柱基礎(chǔ)坑澆筑→墩柱澆筑→墩柱空隙充填密閉成墻。

2.3.1 擴幫與支護

15112 運輸順槽內(nèi)布置有電氣列車和膠帶輸送機等設(shè)備，可用空間有限，需要在原斷面基礎(chǔ)上對巷道外幫進行刷擴。結(jié)合墻體設(shè)計參數(shù)要求，設(shè)計混凝土墩柱直徑1 m，充填后墻體寬度1.2 m，設(shè)計擴幫寬度1.2 m，巷寬由5.5 m 變?yōu)?.7 m，巷高不變。擴幫后裸露的頂板和煤幫仍采用錨網(wǎng)索支護，頂板打設(shè)2 根螺紋鋼錨桿和1 根錨索，煤幫打設(shè)4 根玻璃鋼錨桿，支護材料規(guī)格、支護參數(shù)與原巷道支護相同。

2.3.2 墩柱基礎(chǔ)施工

巷道直接底為1.5 m 厚泥巖，遇水易膨脹弱化產(chǎn)生底鼓，澆筑墩柱前要先對底板加固。底板起底寬度1.2 m，深度1 m，采用無聲膨脹劑+風(fēng)鎬施工，起底后用10#鉛絲綁扎鋼筋籠，并將鋼筋籠與用6#鋼筋網(wǎng)編制成的Ф0.8 m、高1 m、排距1500 mm 的墩柱箍筋連接固定，綁扎完成后用C40 混凝土澆筑基底。

2.3.3 混凝土制備與輸送

柔模混凝土輸送方式由兩部分構(gòu)成：一是在地面攪拌站對水泥、砂子、石子等干組成材料進行配比，二是采用無軌膠輪車將混凝土干料運至15112工作面運輸順槽材料硐室內(nèi)的制備站，使用MJSY-2300G 型煤礦用混凝土攪拌機進行濕料攪拌，生產(chǎn)能力50 m3/h。混凝土濕料通過HBMG80/16-110SF型煤礦用混凝土輸送泵輸送至作業(yè)區(qū)域，泵送能力16 MPa，輸送管內(nèi)徑125 mm，最遠水平輸送距離850 m。

2.3.4 澆筑墩柱

基礎(chǔ)凝固后支設(shè)墩柱模型，將Ф1 m 的套管與模袋使用1.5 寸鋼管以每3 個待澆筑墩柱為一組綁扎固定，然后綁扎箍筋，每個墩柱綁扎鋼筋65 kg。注料軟管用鐵絲綁扎在頂板上，墩柱模型支設(shè)完成后澆筑C35 混凝土，混凝土要注滿接頂，保證墩柱能夠主動支護頂板。墩柱凝固后拆除模型，進行下一施工循環(huán)。墩柱施工如圖4。

圖4 混凝土墩柱施工圖（mm）

2.3.5 墩柱空隙充填密閉成墻

澆筑成的墩柱與煤幫間留有200 mm 空隙，墩柱間還留有500 mm 間隙，需要用泡沫混凝土進行充填，以隔離15112 采空區(qū)，防止15110 運輸順槽沿墻掘進期間出現(xiàn)瓦斯積聚、采空區(qū)積水涌出等，影響生產(chǎn)安全。柱間充填體不用于承載，僅用于密閉。墩柱澆筑完成后，在墩柱巷道側(cè)掛設(shè)風(fēng)筒布+鋼筋網(wǎng)，煤幫側(cè)掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)和風(fēng)筒布長1026 m，高4.2 m，用Ф20 mm×1200 mm 錨栓固定，間排距1000 mm×1500 mm。墩柱巷道側(cè)支設(shè)木板和鋼模，先下后上分層澆筑泡沫混凝土，其主要組分包括普通硅酸鹽水泥、泡沫劑、粉煤灰、外加劑和水。充填體積約3 332.5 m3，凝固成型后拆除模板。

3 切頂卸壓方案設(shè)計

3.1 切頂孔參數(shù)設(shè)計

15112 工作面的基本頂為厚度7.32 m、硬度系數(shù)大于5 的石灰?guī)r，在工作面回采后，未充分垮落的巖層斷裂形成具有一定厚度和寬度的巖塊，這些巖塊在采空區(qū)上方形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，梁的一端作用在巷旁支護墩柱墻上，使墻體承受較大的支承壓力，容易導(dǎo)致墻體出現(xiàn)過度的變形甚至破壞[7]。為改善墻體和巷道所處的應(yīng)力環(huán)境，采用鉆孔爆破預(yù)裂技術(shù)，通過爆破產(chǎn)生的能量對頂板巖層定向預(yù)裂。根據(jù)工作面頂板條件，結(jié)合工程類比法，設(shè)計切頂孔的深度、角度、間距等參數(shù)，其中臨界頂板預(yù)裂深度計算公式為[8]：

式中：Hc為工作面采高，取4.2 m；ΔH1和ΔH2為頂板和底板下沉量，參考15101 工作面的開采實踐，分別取60 mm 和290 mm；K為碎脹系數(shù)，頂板為泥巖和石灰?guī)r，取1.25；θ為煤層傾角，取5°。

以上數(shù)據(jù)代入公式（3），計算得出臨界頂板預(yù)裂深度為15.9 m，因此切頂?shù)拇怪鄙疃炔粦?yīng)小于該高度。結(jié)合工作面頂板巖層條件，確定在15112運輸順槽內(nèi)距墩柱墻0.5 m 布置深、淺兩種鉆孔，如圖5 所示：深孔深度18 m，孔間距2 m，用于預(yù)裂深部頂板，改變上覆巖層結(jié)構(gòu)；在每2 個深孔之間布置2 個淺孔，淺孔深度7 m，孔間距1 m，用于預(yù)裂基本頂石灰?guī)r，并使直接頂泥巖充分垮落。15112 運輸順槽內(nèi)共施工深孔351 個、淺孔697 個，采用切頂鉆機進行施工，垂直頂板打設(shè)，鉆孔直徑60 mm。

圖5 切頂孔布置俯視圖（mm）

3.2 切頂孔裝藥爆破

切頂孔施工完成后，即可裝藥爆破。采用正向裝藥、多雷管引爆方式，炸藥為煤礦許用三級乳化炸藥。每個淺孔裝藥4.5 kg，2 發(fā)雷管；每個深孔裝藥12 kg，6 發(fā)雷管。黃土炮泥封孔，淺孔封泥長度2.5 m，深孔封泥長度6 m。使用MFB-200 型起爆器，對超前工作面20～40 m 范圍內(nèi)的鉆孔進行爆破，從靠近工作面的炮孔開始依次向外爆破，單次起爆鉆孔6 個。爆破結(jié)束后，使用鉆孔窺視儀在相鄰未爆破的鉆孔內(nèi)進行窺視，發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)已形成縱向不連續(xù)細小裂隙，爆破預(yù)裂效果明顯。

4 工程應(yīng)用效果

4.1 支護效果

為了掌握切頂卸壓沿空留墻巷道的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和檢驗巷道支護效果，在15112 工作面回采期間對15112 運輸順槽進行了表面位移觀測。根據(jù)觀測結(jié)果，距工作面110 m 以外的巷道圍巖穩(wěn)定，未發(fā)生變形；進入距工作面110 m 范圍，巷道開始出現(xiàn)底鼓，底鼓量約35 mm，兩幫變形不明顯；距工作面80 m 時，底鼓量約147 mm，兩幫移近量約60 mm；距工作面35 m 時，底鼓量約280 mm，兩幫移近量100 mm。進入超前支護區(qū)后，在超前支架的支撐下，頂?shù)装遄畲笠平?50 mm，其中頂板下沉量50 mm，約占總移近量的1/7；兩幫最大移近量160 mm，其中墻體幫變形量約30 mm，占總移近量的1/5，說明巷道的變形以底鼓和回采幫內(nèi)移為主。回采期間巷道整體狀況良好，未出現(xiàn)錨桿錨索受壓被拉斷現(xiàn)象，靠近工作面的墻體未出現(xiàn)明顯裂縫，表面光潔平整，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，留墻效果較好。

4.2 經(jīng)濟效益

通過在15#煤層實施無煤柱開采，可節(jié)約工作面區(qū)段煤柱20 m，按15112 工作面設(shè)計可采長度952.6 m，平均采高4.2 m，容重1.42 t/m3，回采率93%計算，能多回收煤炭資源10.6 萬t，噸煤價格按480 元計算，可創(chuàng)收5072 萬元，經(jīng)濟效益顯著。王莊煤礦正常情況下掘進順槽巷道日進尺8 m 左右，采用沿空留墻技術(shù)，減少了相鄰巷道掘進期間的外幫支護，簡化施工工序，可提高巷道掘進速度，預(yù)計能達到10 m/d，有利于緩解礦井采掘銜接緊張問題。

5 結(jié)論

1）以王莊煤礦15112 工作面運輸順槽為背景，通過分析研究及現(xiàn)場應(yīng)用，在4.2 m 厚煤層工作面通過留設(shè)1.2 m 寬墩柱墻實施無煤柱開采是安全可行的。

2）設(shè)計了沿空留墻技術(shù)的工藝流程和墩柱墻施工方案，結(jié)合爆破預(yù)裂切頂卸壓技術(shù)，工作面回采期間巷道表面變形量較小，留墻效果良好，實現(xiàn)了沿空留墻巷道的穩(wěn)定性控制。

3）通過15112 運輸順槽沿空留墻試驗，在15112 工作面實現(xiàn)了無煤柱開采，較20 m 寬煤柱方案多回收煤炭資源10.6 萬t，經(jīng)濟效益顯著，具有良好的推廣應(yīng)用前景。