西曲矿18403工作面沿空留巷可行性探讨

张继东

（山西西山煤电西曲矿，山西古交030200）

0 引言

虽然我国各种新能源蓬勃发展，但是煤炭仍然处于我国能源的主导地位。目前我国大多数煤矿仍采用传统的采矿方法，采用较宽的区段煤柱（煤柱宽度一般为20 m～30 m）来对回采巷道进行保护，这样会造成在煤矿开采过程中，大部分的煤柱在工作面回采过后会被遗留到采空区内，这样就会造成大量的资源浪费，并且留设区段煤柱时会产生应力集中、采空区发火等问题。

为解决上述问题，提出了采用沿空留巷无煤柱开采的技术，许多的采矿方面的学者进行了不懈的努力，如柏建彪等[1]在综述巷旁支护技术发展历程的基础上,提出膏体材料巷旁充填沿空留巷新技术；分析沿空留巷顶板破断垮落特征,建立了膏体材料巷旁充填沿空留巷的力学模型,提出了膏体材料巷旁支护体主要参数的确定方法。李化敏［2］分析了沿空留巷顶板岩层运动的过程及其变形特征，明确了顶板岩层运动各阶段巷旁充填体的作用，根据充填体与顶板相互作用原理，确定了各阶段沿空留巷巷旁充填体支护阻力的控制设计原则，并建立了相应的支护阻力及合理压缩量数学模型。

沿空留巷技术无论从理论上还是技术上，都已经发展的相对较为完善，并且我国有许多矿井都已经成功的实施了沿空留巷无煤柱开采技术，为我们的研究奠定了坚实的基础。因此，出于经济等方面的考虑，西曲矿拟采用沿空留巷无煤柱开采技术，通过采用理论分析的方法，从实施沿空留巷的必要性、何种巷旁支护体最佳、采用柔模混凝土巷旁支护技术的可行性、巷内支护、充填设备等技术和经济效益考虑，对西曲矿18403回采工作面应用沿空留巷无煤柱开采技术的可行性进行探讨。

1 项目背景

18403工作面位于南四盘区南部，西邻永树曲村、新建村保护煤柱，东部为南983运输大巷，南部待采的18401 工作面，北部为开采的18404 工作面。18403 工作面的采高为3.5 m。煤层顶底板情况如表1所示。

表1 煤层顶底板情况表

根据查阅相关资料并对比西曲矿18403工作面地质条件，西曲矿具备应用沿空留巷技术的可行性。

图1 工作面工程平面

沿空留巷的技术工艺为在工作面推进的过程中在回风顺槽沿着工作面一侧浇筑墙体，在本工作面回采完成后将回风顺槽保留下来作为下一个工作面的运输顺槽。采用沿空留巷技术后能够实现Y 型通风，对于解决上隅角以及回风巷瓦斯浓度超限问题积聚有着突出的优势。

沿空留巷技术之所以在回风顺槽中进行，是因为运输顺槽中有胶带输送机需要运煤，而在回风顺槽中实施，空间较大能够铺设一系列设备。

2 西曲矿沿空留巷技术应用可行性分析

2.1 沿空留巷巷旁支护体的选择

经查阅相关资料，沿空掘巷常用的巷旁支护体有柔模泵注混凝土巷旁支护技术和钢模泵注混凝土巷旁支护技术两种。柔模泵注混凝土较传统的刚性模板有突出的优点，如1、在泵压作用下，柔模混凝土接顶效果好；2、运输方便，操作方便，工序简单，效率高；3、柔模析水快，墙体达强快且支护阻力大，具有一定的可缩性，与沿空掘巷围岩变形相适应等优点。而钢性模板施工困难，劳动强度大，施工时间长，占用作业空间，容易漏浆，对不平整顶板适用性差，难接顶。

根据上述对常见两种巷旁支护体的分析可知柔模混凝土巷旁支护有着突出的优势，因此本项目中沿空掘巷采用柔模泵注混凝土巷旁支护技术是较为合理的选择，即采用柔模混凝土连续墙作为巷旁支护体。

2.2 采用柔模混凝土巷旁支护的可行性分析

2.2.1 沿空留巷压力计算

依据西曲矿18403 工作面的实际生产地质条件，决定采用“分离岩块法”来计算顶板的压力。“分离岩块法”认为在沿空巷道上方一定范围内的岩体形成分离岩块，支护体的载荷为分离岩块的重量。因此为保证巷旁支护体能够起到其支承分离岩块的作用，就必须计算巷旁支护体上的载荷即来自顶板的压力q。根据工作面三机配套和回风要求，确定18403 工作面沿空留巷后的宽度为4 500 mm。计算模型见图2。

图2 沿空留巷矿压计算模型

顶板压力q的计算公式如下：

式中，q—巷旁支护体载荷；bB—巷旁支护内侧到煤帮的距离，即留巷宽度，取4.5 m；x—巷旁支护宽度，根据相似沿空留巷矿井实施案例，初步取1.5 m；bC—巷旁支护外侧悬顶距，取0.5 m；γ—顶板分离岩块容重，取27 kN/m3；h—采高，取3.5 m；θ—剪切角（上覆岩层的断裂角），根据经验选取为26°；

计算可得支护厚度为1.5 m时，巷旁支护承受的压强为：

即单位长度巷旁支护承受的载荷为Q1,

巷旁支护体上的载荷来源于直接顶分离岩块的重量和老顶转动对直接顶造成的动压，但是其动压以目前的技术水平很难测得，因此一般所采用的方法是根据经验对所得的数据乘以一个动载系数η，η 一般取1～2，在计算时一般从最大值考虑取2，这样巷旁支护上的最大载荷为Q2，Q2=2Q1:[3][4]

2.2.2 墙体承载力验算

根据上述对常见两种常用沿空留巷巷旁支护体的分析，此次18403 工作面沿空留巷巷旁支护体选用柔模混凝土为巷旁支护体。

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，其承载力主要由约束增强体和核心混凝土两部分组成。在混凝土的轴向方向上，锚栓会产生拉伸扩容变形形成横向约束力，使得混凝土处于三向应力状态。与素混凝土相比，柔模混凝土的强度和延性都得到提高。因此混凝土的承载力是沿空掘巷能否成功的关键因素。柔模混凝土墙体的承载力计算公式为：

锚栓的约束应力计算公式为：

式中：N2—巷旁支护的承载能力，kN，其值由2.3.1计算可得；σr—锚栓套箍作用产生的有效约束力；MPa；Acor—环向包裹内混凝土面积，m2，为1.5×103m2；fc—混凝土抗压强度设计值，N/mm2，C30 混凝土的抗压强度设计值为14.3 N/mm2；d—锚栓直径，mm，普通沿空留巷所用锚栓的直径为20 mm；σb—钢筋抗拉强度设计值，取300 MPa；a1,a2—锚栓的间排距，mm；

计算可得锚栓的约束应力为：

柔模混凝土墙体的承载能力为：

根据工程实践经验，当巷旁支护安全系数大于1.2时可认为支护强度满足要求，本项目中墙体的承载力为27 339.12 kN/m，沿空留巷顶板压力为18 866 kN/m，安全系数为1.45，因此巷旁支护满足安全要求。

因此当18403工作面采用沿空留巷时选择柔模混凝土墙体为巷旁支护体时，可很好地满足安全的需求。

2.3 巷旁支护参数设计

墙体高度为3.5 m，墙体宽度为1 500 mm，混凝土强度等级为C30。在柔模混凝土墙体内预置锚栓，锚栓为ϕ 20×1 700 mm 的螺纹钢，两端丝扣长度各为100 mm，托板尺寸为150×150×16 mm，双托板双螺母；锚栓的间排距为1 500×1 000 mm，巷旁支护横断面见图3。

图3 巷旁支护断面图

2.4 巷旁支护设备及施工工艺

采用柔模混凝土沿空留巷技术时，其设备主要包括混凝土配料机、混凝土搅拌机、混凝土输送泵等，其材料主要包括柔性模板、水泥、锚栓、铁托板等。由于目前柔模混凝土沿空留巷市场较大，因此设备生产厂家有较多的选择，这就为实施沿空留巷技术提供了更多的可能性。

沿空留巷施工主要包括地面制备干混料、运料下井、井下制备与输送混凝土和浇筑柔模混凝土墙体等几个关键环节。[5]

3 沿空留巷成本及经济效益

沿空留巷成本包括材料费（如锚栓、混凝土、一次性纤维柔性模板等）、设备费、人工费。根据市场调研一整套柔模混凝土设备约为240万元。

煤柱效益：按照留巷长度1 199 m 计算，煤层平均厚度3.5 m，密度1.4 t/m3，煤柱20 m，采出率95%，采用沿空留巷以后，共计多回收煤炭资源11.8万吨，吨煤效益按照200 元计算，每个工作面仅回收煤柱就可以创造经济效益2 360万元。

少掘巷效益：预估算每米留巷成本与掘巷成本基本持平，但是采用沿空留巷以后，工作面至少可以少掘停采线至采区大巷之间的巷道。

由于每米留巷成本与掘巷成本基本持平，因此回收一条煤柱所创造的利润为2 360万元，经济效益非常可观。

4 结论

本文以西曲矿18403 工作面为研究背景，从巷旁支护、装备、施工工艺以及经济效益等角度分析18403工作面采用沿空留巷技术是完全可行的，并且实施沿空留巷技术可以为矿井产生巨大的经济效益，研究结果也可以为相似矿井采用沿空留巷技术提供借鉴。