人工隔离墙置换采煤工作面间小煤柱的工艺研究

童汉宏

（淮南矿业集团张集煤矿，安徽 淮南 232174）

1 多层网喷混凝土施工条件和原理

1.1 复杂条件工作面施工隔离墙条件分析

综采工作面间留设5～8m煤柱是目前的通常做法。但在资源紧张等条件的煤矿，用人工隔离墙代替该煤柱，提高资源回收率是延长矿井寿命、提高经济效益的不二选项。

根据煤矿井下实际生产情况和现场作业环境，研究了一种在巷道掘进时或采煤前，分层网喷混凝土建高强密封支柱隔离墙替换掉煤柱的方法，解决综采工作面遗弃的煤柱。

掘进时或采煤前多层喷射混凝土建立隔离墙，时间和空间充足，喷射混凝土施工灵活简易，适用掘进巷道同步施工，适合掘进后采煤前作业。实际生产中，工作面的巷道会有两帮凹凸、顶底板凹凸、正反U型起伏等复杂情况，隔离墙的密封可靠、有效接顶是关键。提前分层喷射锚网混凝土支柱墙，工艺简单，解决巷道自身缺陷造成的难题。

1.2 掘进同步、采煤前分层网喷混凝土隔离墙原理

掘进中同步跟进锚网喷混凝土隔离墙或采煤前建立锚网混凝土隔离墙原理如图1所示。工作面巷道掘进时，相应加宽巷道设计，沿相邻下一工作面侧紧贴巷道帮壁，跟进施工一道0.5～1m分层网喷混凝土隔离墙，用锚网喷混凝土隔离墙替代留置煤柱，在相邻下一工作面掘进时沿墙掘进，实现采煤面间无煤柱。喷射混凝土建墙不受巷道自身顶底板起伏、凹凸、台阶等影响，全覆盖，无死角，封闭性高。

图1 掘进时建喷射混凝土支柱隔离墙原理

2 多层网喷高强密封混凝土隔离墙施工

2.1 掘进同步或采煤前网喷混凝土隔离墙

掘进中喷射混凝土支柱隔离墙，在建墙的一帮，巷道掘进加宽0.5～1.2m。待掘巷进行一段后，顶底板矿压较小，无破碎，采高3m以下的，墙厚0.3～0.6m，采高3m以上，墙厚选择0.6～1.2m。掘进巷道底板留底煤的，在喷射混凝土隔离墙前挖地槽浇筑，顺帮壁向下挖地槽到岩石，地槽内浇注混凝土高于底板0.2m，使用喷射充填或现场配制搅拌混凝土浇注，如图1。

分层喷射建墙工艺如下：第一步，在巷道帮部待喷浆段每根帮部支护锚杆外露螺纹端头上，通过螺母连接，安装一根长度0.5m～1m全螺纹钢筋，全螺纹钢筋外露螺纹套上塑料套管保护；第二步，首次喷射厚度0.1～0.2m混凝土；第三步，首喷完成2h后，将塑料套管取出，在巷道帮壁喷射混凝土层外从顶板向下挂一层10#镀锌铁丝金属网，使用一副螺母和一副锚杆垫板将锚杆处金属网夹紧，金属网距离帮壁保持0.1～0.3m范围，外露螺纹再次套塑料套管保护；第四步，喷射混凝土，将金属网喷入混凝土内；第五步，循环作业，分层喷射加厚混凝土墙到设计厚度。如果需要加快进度，还可以尝试一次分层挂齐3～5层金属网，多层网一次喷全厚。

锚网喷混凝土隔离墙随巷道掘进分段施工延伸，部分地方因各类硐室断开的，要在采煤前另砌混凝土墙封闭贯通。

2.2 掘进时、采煤前金属网夹墙充填喷射混凝土隔离墙

掘进中或采煤前，金属网夹墙喷射混凝土隔离墙施工技术，掘巷后距帮部0.8m左右挂一次双层8#铁丝金属网，在金属网与帮壁之间喷射充填混凝土。施工工艺：第一步，预留好喷射混凝土隔离墙距离，使用双层8#镀锌铁丝金属网从顶板到底板挂网，将每根帮部锚杆使用双股8#镀锌铁丝与外挂网绑扎连接形成拉筋；第二步，网外用铁丝绑扎固定一层4m×0.2m×0.03m木板；第三步，对金属网与巷道帮部夹壁间喷射充填混凝土；第四步，喷射的混凝土达到一定强度后，拆除外层木模板，循环延续施工下一段隔离墙。实际作业时在不绑扎模板的情况下，从两个方向进行喷射作业可能更快捷，这是一项最快捷的建墙方法。

2.3 液压单体木模板夹墙喷射充填隔离墙

采用液压单体木模板夹墙充填喷射方式，在巷道帮一定距离，用液压单体绑扎木模板与巷道帮部形成夹壁，夹壁内喷射充填混凝土，建设混凝土隔离墙。施工工艺：第一步，使用液压单体在预留好隔离墙宽度位置每距离2m安装一根接顶液压单体；第二步，单体内侧用双股10#铁丝绑扎固定一层4m×0.2m×0.03m木板作为模板；第三步，在掘进方向，使用喷射法对模板与帮部之间密实充填混凝土；第四步，喷射的混凝土达到一定强度后，拆除单体和模板，循环延续施工。如图2所示。

图2 夹壁喷射混凝土充填建隔离墙原理

2.4 掘后采前榫槽式大预制块复合喷射混凝土隔离墙法

对于巷道宽阔平整、顶板压力不大、能够进行起吊或叉车作业的，可以采用榫槽式混凝土大砌块法快速成墙，再配合表面喷射混凝土。施工工艺：第一步，先在地面预制混凝土榫槽式大砌块，砌块规格：（0.5～0.8m）宽×（0.5～1m）高×（1.5～2m）长，砌块强度不低于C20；第二步，井下砌块抹缝砌墙，紧靠巷帮需要砌墙的底板铺一层现浇混凝土，然后使用8#镀锌铁丝起吊榫槽式砌块砌墙，砌块上下层之间抹一层水泥砂浆；第三步，使用喷射混凝土将顶板与砌块墙间隙充填密实；第四步，贴着预制块墙外从顶板到底板挂一层10#镀锌铁丝金属网，对预制块墙和金属网进行全断面常规喷射厚度0.1～0.2m混凝土。如图3所示。

3 多层网喷混凝土墙支承强度

3.1 多层网喷混凝土墙体载荷和支护强度计算

混凝土墙体代替的煤柱载荷一般认为分为巷道开挖后产生的载荷和回采过程中产生的附加载荷。

混凝土墙体单位面积的平均载荷即平均应力：

围岩竖向均布压力

式中：

s-围岩级别，Ⅱ级，s=2，这里计算取Ⅲ级，s=3；

γ-围岩容重，这里计算取γ=2.8kN/m3；

ω-宽度影响系数，ω=1+i（B-5）；

B-巷道宽度，m；

i-B=5m基准，B每增减1m时围岩压力增减率。当B＜5m，取i=0.2；当B＞5m，取i=0.1；

且巷道高度/宽度，H/B小于1.7，设初始宽巷施工的巷道6m，高3.5m，顶板Ⅲ级围岩，则：

锚网喷混凝土隔离墙代替煤柱单位面积的平均载荷即平均应力：

回采过程锚网喷混凝土隔离墙代替煤柱单位面积的采动载荷:

k-采动应力集中系数，范围2.5～3.0。

C20锚网喷混凝土隔离墙厚度1m时，支承强度16MPa以上，大于P=15.2MPa采动时顶板压力，满足要求。

图3 榫槽式混凝土预制块隔离墙示意图

根据矿压观测，正常巷道顶板离层压力0.1～15MPa，采动压力波动范围1～20MPa，采空区顶板来压断裂垮落冲击压可达25～35MPa。喷射隔离墙选用C15～C35喷射混凝土，锚网喷混凝土强度为同等级混凝土的80%，如果选用C20喷射混凝土，其强度16MPa。经过以上验算喷射混凝土支柱隔离墙比煤柱刚性强，支护强度高于煤柱，可压缩性和压出移动小于煤柱。当需要更大的承载强度，选用C30以上等级喷射混凝土，加宽墙体，进行墙内配置钢筋，提高支承强度。实际生产中，1m厚混凝土墙或混凝土砌块墙在井下广泛应用，作为封闭墙、防火隔离墙、防水墙，密闭性和支承强度得到广泛实践验证。

3.2 多层网喷混凝土墙对顶板围岩控制

0.5～1.2m多层网喷混凝土墙，垂向对顶板支护强度和水平抗挤压强度大于留置煤柱，变煤柱半被动支护为主动支护，支护强度优于煤柱，工作面巷道支护强度得到很大提高。当上覆岩层和巷帮煤体采用锚网索联合支护时，采空区一侧会形成悬臂梁结构，其稳定性由巷道围岩结构、巷旁充填支护体等强度决定[1]。巷旁支护形式及支护强度的大小是影响沿空留巷悬臂梁结构稳定性的主要因素，当巷旁支护体强度很高时，理论上切顶效果较好，顶板裂隙少，悬臂梁结构稳性良好，老顶斜跨梁结构则会朝向采空区侧发生偏移[2]。

建立混凝土隔离墙替代煤柱，对巷道顶板围岩进行高强刚性支撑，顶板下沉不明显，二次采煤时超前动压对两巷破坏力下降，对于解决采煤时工作面两巷压力大、巷道维护复杂等问题起到很好作用，工作面回采难度下降。沿空掘进、采煤接近实体状态，有效解决沿空掘进、沿空采煤支护诸多问题。

4 多层网喷混凝土隔离墙替代煤柱效益

正常工作面宽240m，面与面之间留5～8m煤柱，四面三柱（3×5/4～3×8/4）/240，遗煤率1.56%～2.5%。喷射混凝土隔离墙以1m厚锚网喷混凝土墙替代5～8m煤柱为例，根据预算锚网喷混凝土成本1200元/m³左右，以煤炭价格350元/t，容重1.35t/m³计算，1m3混凝土效费比：350×5×1.35/1200=1.96。矿井年产1000万t，每年替出煤柱收益：1000×1.5%×350元/t×1.96/（1+1.96）=3476万元。建立混凝土隔离墙替出5～8m煤柱，除具有以上直接经济效益，对后期掘进和采煤有很大溢出效益。工作面巷道支护强度得到很大提高，两次采煤和后期掘进时超前动压对两巷破坏力下降，后期采煤、掘进时接近实体巷道，采煤掘进难度下降，大幅度减少采煤期间两巷人力物力投入，采煤费用下降不小于替出煤炭收益。

5 结论

基于井下成熟的喷射混凝土施工方法，建立多层网喷混凝土支柱隔离墙，建墙时间空间提前到掘进时或采煤前，实现高于留置煤柱的顶板支撑强度，既有利于瓦斯防治工作，又减少了生产环节，提高了资源回收率，具有良好的安全和社会效益。