浅埋煤层沿墙掘巷技术应用研究

文/李永勤

榆家梁煤矿是神东特大矿井之一，核定生产能力1630万吨/a。为提高煤炭回收率，减少工程施工量，本文针对榆家梁煤矿开采的52煤层无煤柱孤岛开采工作面52402综采工作面的回顺侧沿墙掘巷技术进行研究，以期为类似地质条件下安全回采提供借鉴。

一、工作面概况

52401工作面回采后，沿墙掘进一条巷道作为52402工作面的进风巷、辅助运输巷。52401工作面埋深75～145m，巷道沿顶见底掘进。老顶以粉及中砂岩为主，厚17.32～19.2m，直接顶以粉砂质泥岩为主，厚度 0～1.3m；底板为粉砂岩，厚 0.9～6.2m。

煤层属低变质烟煤，赋存稳定，煤厚3.40～4.10m，平均 3.70m，倾角 1°～2°，容重 1.31t/m3。 地表为黄土沟壑区，最大高差137.5m；地层总的趋势是以极缓的坡度向北西倾斜的单斜构造，倾角1°～2°，断层不发育，后生裂隙发育。

二、52402工作面沿墙掘巷支护参数及施工

1.沿墙掘巷无煤柱开采技术原理

超前52401工作面200～300m，在52401工作面运输巷沿副帮浇筑一道连续的柔模混凝土墙体，52401工作面回采结束后，混凝土墙体埋进采空区。采空区岩层垮落活动稳定后，紧贴柔模混凝土连续墙掘进52402工作面轨道巷，实现无煤柱开采。

2.52401运输巷断面及支护参数

巷道形状为矩形，巷宽5.5m、高3.6m，断面积19.8m2。

52401运顺采用钢筋网片+螺纹钢锚杆+π型钢带+锚索联合支护，锚杆5根/排，排距为1m；副帮侧第二根锚杆为单轨吊锚杆，采用螺纹钢锚杆，要求放线施工，锚杆外露段长度50~80mm。锚索矩形布置，排距为2套/4m，间距为2.1m。

3.52401工作面沿空留墙支护及施工

（1）总体支护

52401运输巷超前工作面浇筑柔模混凝土墙体总体支护方案：巷道整体采用锚网索支护，超前工作面200~300m浇筑C30柔模混凝土墙体，墙厚1m，紧贴副帮浇筑。

（2）墙体支护参数

柔模混凝土墙体宽度1000mm，高度3400mm，混凝土强度C30，墙体内预安装横向锚栓，提高墙体结构强度并限制横向变形。

柔性模板参数：柔性模板为三维纺织预成型体，透水不透浆，阻燃防静电，长宽高为：3000×1000×3500mm。

混凝土为地面上搅拌好干混料，井下加水搅拌成混凝土并通过混凝土泵输送至柔性模板内。

锚栓规格：Φ22×1100mm螺纹钢，间排距为900×750mm；杆体两端都设有丝扣，每端丝扣长度100mm；杆体两端各配一套高强度托板、调心球形垫和尼龙垫圈，托板采用200×200×15mm钢托盘。

（3）巷旁支护载荷计算

依据沿墙掘巷无煤柱开采技术原理，墙体所承受的载荷主要是沿墙掘巷后墙体所承载的上覆顶板岩层的重量，所以采用沿空留巷“分离岩块法”理论计算墙体载荷较为合适，但区别是：沿墙掘巷墙体所受的动压较留巷要小。

经计算，留巷宽5.2m、支护厚度为1m时支护体的载荷为：q=2559.5kN/m

考虑沿墙掘进时，围岩二次稳定的动压影响系数为1~4，这里取2，沿墙掘巷期间作用在柔模混凝土上的最大支护载荷为：q=5119kN/m

（4）柔模混凝土墙体承载力核算

柔模混凝土是一种纤维包裹加筋的预应力复合材料结构体。因此，柔模混凝土的承载力由约束增强体和核心混凝土两部分组成。在轴向压力作用下，被约束的核心混凝土产生横向扩容变形，使得锚栓产生拉伸变形，从而形成了作用于核心混凝土的横向约束力，核心混凝土处于三向受压应力状态。加载初期，柔模混凝土的应力应变关系与普通素混凝土的曲线基本一致；当应力达到混凝土强度以后，柔模混凝土的曲线仍能保持一定的上升趋势；最终，曲线以较为平缓的下降段结束。因此，柔模混凝土的实际承载力相比于一般的混凝土轴心抗压构件强度要高。

这里为简化起见，将单位长度、厚度1m的支护体视为轴心受压柱模型，可计算出支护体的正截面承载能力。

受压柱高3.4m，短边长1m，构件的长细比为3.4∶1=3.4，构件稳定性系数φ取1.0，构件的承载力安全系数取0.9。

N=0.9φ×fcA

式中，N——支护体的承载能力；

φ——构件的稳定系数，查《混凝土结构设计规范》可知 φ=1；

fc——混凝土的轴心抗压强度设计值，N/mm2，C30混凝土轴心抗压强度设计值为15N/mm2；

A——截面面积为l×b。

将上述参数代入上式，计算得柔模混凝土每延米1m，厚承载能力为N=13500kN/m。因此，巷旁柔模混凝土承载能力N=13500kN/m＞q=5119kN/m，采用1m厚C30柔模混凝土墙体有1倍以上的安全系数，所以可视支护结构承载能力满足要求。

（5）墙体浇筑施工

①施工工艺及流程

柔模泵注混凝土沿空留墙整体工序主要包括地面干混料的制备和运输、柔模挂设、井下上料、搅拌、泵送和浇筑等关键施工环节。

施工流程：地面按配合比拌干混料→干混料运输至井下混凝土施工装备处→挂柔模并安装锚栓→泵注混凝土→下一循环。

混凝土制备与输送工艺流程：地面配制混凝土→地面搅拌干混料→地面搅拌站到井下泵站运输→井下刮板上料→井下双轴连续强制搅拌→井下高压连续泵送混凝土。

地面柔模混凝土制备混合系统的主要作用是将水泥、砂子、石子和外加剂按照设计配合比精确配制与混合。井下柔模混凝土制备泵送系统的主要作用是将干混料运输到搅拌机内，加水搅拌，然后通过高压输送泵将混凝土输送到柔性模板内，主要设备为混凝土泵、连续搅拌机、上料机。

②沿空留墙施工装备及布置

a.地面配料设备及布置

考虑到运输以及混凝土拌合物存放时间有限等因素，柔模泵注混凝土采用两次搅拌工艺。一次搅拌在集中搅拌站进行，混凝土干料搅拌设备主要有混凝土搅拌机、配料机。按C30级别混凝土，将水泥、砂、石子、外加剂等拌合成干料，水须在井下施工点进行二次搅拌时添加。干料一般为当天运输，储备量一般满足半天的施工用量。根据52401工作面推采进度9m/天，日用新拌混凝土34.2m3计算，干料为46.68m3。

b.工作面设备及布置

井下作业时所有机械设备必须有防爆性能，且要达到行业要求。

由于井巷窄长的特点，要求设备宽度要尽量短小，以宽度小于1.5m为宜。

因煤矿巷道断面一般较小，一次泵注量不大，泵可随工作面移动，以高压小排量为宜。

为满足混凝土强度要求，在不降低石子粒径及含量的情况下，采取短距离输送易保证混凝土质量，堵管后易于处理。输送距离一般在200～350m较为合适。

根据井下工作环境及断面大小，输送量为15m3/h～35m3/h。

一般混凝土泵压力16MPa，高压条件容易损坏柔模，压力低输送距离短，易堵管。经试验，井下使用一般10～16MPa为宜。

输送管选定为Φ125管道。

c.施工设备布置

柔模混凝土制备输送机组布置在52401胶运输顺槽副帮侧，利用无轨胶轮车将干料输送至泵后方料场，上料机将地面干料转入混凝土制备机的搅拌槽内搅拌，通过混凝土泵送管路将混凝土注入端头柔模内。混凝土泵距工作面200～350m。

③施工材料

柔模混凝土由柔模与自密实混凝土组成，是将自密实混凝土灌注于柔模内，形成柔模包裹混凝土的复合材料结构体。柔模透水不透浆的作用，可实现大水灰比输送小水灰比硬化，井下实际最远泵送距离达到670m。柔模混凝土低龄期强度增长速度快，初步设计3d基本达到设计强度，混凝土浇筑完成后即具有较大初撑力，初撑力达0.8MPa。

柔模混凝土有水泥、砂子、石子、粉煤灰及外加剂等。原料要求：

水泥采用42.5普通硅酸盐水泥。

砂子采用II区中砂，通过0.315mm筛孔的砂不应小于15%；若采用I区砂时，应提高砂率，并保持足够的胶凝材料用量，以满足柔模混凝土的可泵性；若采用III区砂时，宜适当降低砂率，含泥量（按质量计）不大于3%，泥块含量不大于1%。

石子最大粒径不应大于20mm，粒径宜选用5～20mm连续级配碎石，考虑到泵送及混凝土强度，石子中的针片状颗粒含量不宜大于10%，含泥量（按质量计）不大于1%，泥块含量不大于0.5%；当采用碎石时，非粘土质石粉含量不大于1.5%，防止对柔模混凝土的凝结时间与和易性产生不利影响。

采用二级粉煤灰，利用其自身的“滚珠润滑”效应，以达到提高柔模混凝土的和易性和可泵性、降低施工原材料成本的目的。

采用KTRHWJ-1型柔模专用外加剂，以提高柔模混凝土的早期强度，减少单位柔模混凝土的用水量，提高柔模混凝土的拌合黏度，从而有效改善柔模混凝土的抗离析性和可泵性。

4.52402工作面沿墙掘巷支护及施工

52402工作面辅运（轨道巷）作为52402综采工作面回风及辅运巷道，掘进采用连采及其后配套设备单巷掘进。52402辅运巷道采用FBDV-№7.1/2*45局扇配套Ф1000mm风筒远距离供风。

（1）巷道形状及断面

巷道形状为矩形，巷宽5.2m，高3.4m，断面积17.68m2。

（2）支护参数

52402辅运（沿墙掘巷）掘进工作面所有巷道均布置在52煤层中，全部为矩形巷道。其中52402辅运（沿墙掘巷）临近52401综采工作面采空区，顶板受采空区及回采采动影响较大，需加强巷道顶板支护管理。巷道顶板全断面铺设网片并采用锚杆、锚索等联合支护，所有网片搭接长度均为100mm。

52402辅运采用钢筋网片+螺纹钢锚杆+Ω型钢带+锚索联合支护。锚杆支护为5根/排，排距1m；锚索支护为3套/排，排距 2m，锚索与Ω型钢带联合加强支护，矩形布置。52402辅运（斜线段）与52401运顺交叉段巷道宽度超过8.0m区域，在扩帮处补打锚索及架设木垛进行补强支护。

52402辅运与52401运顺原有硐室贯通后硐室视为空顶，割坏的网片及锚杆及时处理和补打，按照设计加固支护。铺设的网片必须完全包住掘进时留设的台阶，新旧网片搭接长度为100mm。

掘进期间，52402辅运巷道正帮挂设塑料网，帮网支护紧跟至破碎机后方。若工作面遇到煤壁酥松破碎、较大裂隙发育及炸帮（有压力显现）等局部片帮严重段，检修班和生产班积极组织挂帮网，帮网挂设完毕后方可允许生产。正帮自上而下挂设两茬塑料网。塑料网规格为1800×20000mm，网格尺寸为40×40mm；帮锚杆采用Φ18×1600mm玻璃钢锚杆，矩形布置，2套/1.5m，间距1.3m；帮网与顶网间搭接100mm，相邻网片间搭接100mm，搭接处每隔200mm用双股14＃铅丝绑扎，网片间搭接平整，网片展平。

遇到顶板破碎带、离层、裂隙处及冲刷复杂地质构造等地段，必须严格执行“短掘短支”措施，加强顶板支护管理，严防冒顶事故发生。

（3）沿墙掘巷施工

掘进采用连采机及其配套设备施工，选用美国JOY公司制造的12CM15-10D型连采机来完成割煤和装煤工序，选用JOY公司制造的10SC32-48C-5型梭车来完成煤炭运输。利用GP460/150型破碎机完成煤炭的转载和破碎工作，破碎机运出的煤炭通过顺槽胶带输送机运出工作面，经52煤主运输系统运出地面进入原煤仓。选用太原煤炭研究院生产制造的CMM25-4型锚杆机完成巷道顶板锚杆支护工作，使用M.R.S.-17型单体锚索机来完成巷道顶板锚索支护工作，选用一台FBZL16型防爆装载机完成工作面物料、设备的搬运及巷道浮煤的清理工作，选用型号为G4CL068519送人车送人，用型号为LWLNKRHG3C下料车运送物料。形成连续采煤机掘进工作面割煤、装煤、运煤、淸煤、支护等工序全部机械化作业的施工方法。

①切槽

连采机司机在激光指向仪的导向下，确定连采机的进刀位置。进刀位置选择在巷道左侧，沿激光指向仪的导向（左侧3.2m）为标准进行施工，连采机从底板进刀，掘进一个循环深度后退机，这一工序称为切槽。

②采垛

完成切槽工序后，将连采机调至巷道另一侧，并以激光指向仪为导向，当巷道设计宽度为5.0m时，沿激光右侧1.8m为标准（巷道设计宽度为4.0m时，沿激光右侧0.8m为标准）来确定位置，开始割剩余部分的煤，这一工序称为采垛。

③截割循环

无论是切槽还是采垛工序，连采机截割时，首先将连采机截割头调整至巷道顶板，由上向下切割煤体。当截割头割到煤层底板时，连采机稍向后退，割完底煤，使巷道底板平整，并装完余煤。连采机在割煤过程中，为保证顶板平整，应每割三刀退回扫一次顶板，接着下一个循环。连采机完成从顶板至底板再到顶板这一过程就称一个截割循环。

三、结论

1.在榆家梁煤矿首次实现了柔模混凝土沿空留墙沿墙掘巷技术，采用1m厚的柔模混凝土墙体替代了15m的护巷煤柱，多回收了煤炭资源，延长了矿井服务年限。

2.巷道整体支护效果良好，柔模混凝土支护技术及经济性合理，柔模混凝土沿空留掘巷满足孤岛工作面安全生产要求。

3.柔模无煤柱开采沿墙掘巷技术首次同时应用在综采孤岛工作面，为其他类似工程条件的无煤柱开采提供了实践经验。