构筑隔离墙切顶自成巷沿空留巷技术

魏文凯

(晋城煤业集团 沁秀煤业有限公司，山西 晋城 048000)

晋城地区开采3#、9#、15#煤层，目前以3#煤层为主，煤层厚度约6 m，开采方式为分层开采、综放开采和大采高开采。岳城煤矿矿井相对瓦斯涌出量最大为61.87 m3/t，绝对瓦斯涌出量最大为195.29 m3/min，属于高瓦斯矿井。采用分层开采方式，双巷掘进及其形成的双U通风方式，虽能在一定程度上缓解高瓦斯矿井综掘及回采过程中瓦斯灾害治理的难度，但两次采动将导致相邻工作面间区段煤柱两侧巷道底鼓和两帮变形严重，且区段煤柱无法回收。因此，目前的开采方式不仅浪费了资源，降低了回采率，而且重复采动应力作用下不利于巷道围岩稳定[1-3]. 无煤柱开采切顶卸压自动成巷“110”工法，能缓解矿井采掘衔接紧张的问题，降低回采工作面后方沿空留巷的复杂性，在各矿区、矿井得到成功应用[4-9]. 因此，在岳城煤矿2301(上)工作面进行切顶自成巷无煤柱沿空留巷试验。

1 工程概况

1.1 基本情况

岳城煤矿2301(上)工作面3#煤层底板标高+420～+200 m，埋藏深度195～495 m，3#煤层厚4.01～7.24 m，平均6.13 m. 煤层综合柱状图见图1. 采取分层开采方法，上分层采高3 m. 煤层平均倾角为3°，区段煤柱宽度27 m. 2301(上)工作面布置平面图见图2. 在2301(上)工作面三横川与四横川之间200 m的23011皮带巷内靠煤柱侧帮扩巷浇筑砼隔离墙进行沿空留巷试验。

图1 煤层综合柱状图

图2 2301(上)工作面布置局部放大图

1.2 切顶留巷技术分析

切顶卸压自成巷沿空留巷技术对煤层赋存特征要求主要包括以下4点：

1) 工作面煤层采高≤4 m. 2) 工作面煤层倾角≤25°. 3) 工作面埋深≤1 000 m. 4) 工作面顶板不受强含水层威胁。

2301(上)工作面分层采高3 m，平均倾角为3°，埋深<500 m，水文地质报告表明煤层开采不受强含水层威胁。因此，矿井3#煤层上部工作面的赋存条件符合切顶自成巷无煤柱开采技术要求。

2 混凝土隔离墙扩巷构筑工艺及墙体参数设计

2.1 混凝土隔离墙扩巷构筑工艺

1) 小断面扩巷及其支护设计。

小断面扩巷高度与原巷相同，扩巷宽度较预浇筑墙体宽度大0.5 m. 在浇筑墙体两侧分别垂直顶板打设一根d22 mm×2 400 mm的锚杆，排距为1 000 mm，在墙宽中部垂直顶板打设一根d22 mm×8 000 mm的锚索，排距为2 000 mm. 扩巷实体煤帮均采用d22 mm×2 400 mm锚杆，每排打设3根锚杆和锚索，锚固预紧力分别≥50 kN、≥100 kN.

同时对原巷和扩巷进行清底加锚，做混凝土卧底，并每50 m采取不同的上述基底加固措施。推荐采用加筋的方法提高混凝土卧底强度，在卧底截面中部布置一层间排距0.35 m的d18 mm钢筋，其中横向钢筋向新掘巷道侧外露0.15 m，便于与新掘巷道卧底接茬。

扩巷掘进、扩巷浇筑墙体的支护设计参数见图3.

图3 扩巷支护设计图

2) 墙体构筑工艺。

构筑柔模混凝土隔离墙涉及的主要系统包括地面搅拌站、干混料运输系统、矿用刮板上料机、矿用混凝土搅拌机、矿用混凝土泵等。采用地面配置干混料、井下制备混凝土的作业方式。

材料配比：水泥采用42.5普通硅酸盐水泥；砂子采用II区中砂，含泥量(按质量计)≤3%，泥块含量≤1%；石子为5-20连续级配碎石，5～10 mm的比率为40%，10～20 mm的比率为60%；专用外加剂用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及泵送性能。

构筑工艺：利用靠近预浇筑墙体两侧打设的单体和木点柱将柔模压在顶板上，利用木点桩、单体及顶板锚杆索的固定作用，由木点桩向外从顶到底全断面铺设挡矸金属网。柔性模板挂设以后，将控制厚度的锚栓穿过模板，在模板两侧布置横向与纵向钢筋钢带，进一步约束浇筑过程中柔模变形，防止产生鼓肚现象。3号煤层2301(上)工作面柔模混凝土结构几何示意图见图4，最后泵送混凝土浇筑。

图4 柔模结构几何示意图

2.2 混凝土墙体参数设计

扩巷掘进留设的混凝土隔离墙会先后经历邻近工作面两次采动应力的影响。如果顶板结构与隔离墙呈稳定状态保持一个统一的整体结构，则巷道是稳定的；如果回采后顶板结构发生跨断，则隔离墙将承受上覆岩层集中应力的作用。依据矿山压力理论确定其力学模型，见图5.

q—巷旁混凝土隔离墙被动支护荷载 rs—隔离墙支撑的分离岩体自重 q1—受采动影响上覆岩层施加给分离岩体的采动应力 H—分离岩体高度 h—采高 b—墙体宽度 a—留巷宽度 c—墙体靠近采空区侧分离岩体的悬顶宽度 α—分离岩块破断角图5 混凝土隔离墙受力图

若不受工作面采动影响，则隔离墙所受的支撑压力为：

代入参数计算，当C30混凝土墙体宽度>1.0 m时，其安全储备系数均超过1.72；当混凝土墙宽为3.0 m时，安全储备系数已达3.94. 综合考虑安全和经济因素，推荐混凝土强度等级C30，隔离墙体宽度1.5～2.0 m.

3 深孔爆破切顶卸压关键参数设计

3.1 切顶卸压高度的确定

为获得理想的切顶卸压效果，深孔爆破切顶高度应不小于采空区垮落带高度。顶板切顶高度公式为：

Hy≥Hk

2301工作面回采时，23011原巷切顶高度Hk为10.95～15.95 m，考虑到巷道顶板岩层分布特征，推荐切顶高度至少为14 m.

3.2 切顶卸压孔间距的确定

由爆破理论可知，随爆破孔孔径的增大，炸药爆炸释放的爆能越多，爆破致裂影响范围越大，但爆破产生的动力扰动增强，将不利于留巷顶板管理。因此，推荐采用小孔径非耦合深孔爆破技术对隔离墙外原巷坚硬顶板进行爆破预裂切顶卸压。

基于爆破理论和波动理论，推导出柱状装药条件下沿爆破孔径向的粉碎区和裂隙区范围的解析解。根据资料可知，2301工作面顶板砂岩的弹性模量E=2.0～3.0 GPa，泊松比v=0.25，单轴静力抗压强度σc=40～60 MPa，单轴抗拉强度σt=2.0～3.0 MPa，若动态应变率取102～104s-1，药包d35 mm，爆破孔d46 mm，则在矿用三级乳化炸药爆破作用下，顶板深孔爆破粉碎区和裂隙区半径分别为0.07～0.10 m和0.52～0.73 m.

根据爆破理论计算结果，结合已有工程经验，岳城煤矿3号煤层2301工作面切顶卸压孔的间距初步设计为1.0 m.

3.3 切顶卸压工艺

综合上述理论研究成果，结合已有的工程经验，初步确定切顶爆破卸压的参数如下：

1) 爆破孔开孔位置在23011原巷顶板距墙体0.75～0.9 m.

2) 爆破孔d46 mm，垂深14 m，斜长约15 m，朝向2301工作面和后方采空区布置，在横剖面内切顶钻孔倾向2301工作面，与竖向夹角为10°，在纵向剖面内切顶钻孔朝向采空区，与竖向夹角为15°.

3) 爆破孔间距1.0 m，非耦合装药形式，药包d35 mm，非耦合装药系数为1.25.

4) 封孔长度≥6 m.

5) 深孔爆破切顶应至少超前工作面50～100 m进行，且严格遵守矿井爆破安全规程条文规定进行爆破致裂。人工强制切顶钻孔横向剖面图见图6.

图6 人工强制切顶钻孔横向剖面图

4 效果考察

实施切顶卸压后，在浇筑墙体切顶留巷区域布置10组表面位移测点，选取3个具有代表性的测点，测点巷道表面位移分别见图7，8，9. 从图7，8，9可以看出，在两个工作面回采过程中，墙体鼓出量最大不超过200 mm，留巷巷道两帮平均鼓出量300 mm，顶板下沉量不足100 mm. 巷道围岩变形得到控制，保障了巷道通风断面，满足二次使用。

图7 2#测点巷道表面位移图

图8 5#测点巷道表面位移图

图9 8#测点巷道表面位移图

5 结 语

1) 通过现场生产地质条件分析得出，2301(上)工作面分层采高3 m，平均倾角为3°，埋深小于500 m，不受强含水层威胁，符合切顶自成巷无煤柱开采技术要求。

2) 确定了扩巷支护参数、墙体构筑工艺和墙体参数，混凝土强度等级C30，隔离墙体宽度1.5～2.0 m.

3) 确定爆破切顶关键参数，垂直高度14 m，钻孔间距1 m. 非耦合装药形式，药包d35 mm，非耦合装药系数为1.25，封孔长度不低于6 m，超前工作面50～100 m实施。

4) 效果考察表明，在两个工作面回采过程中，墙体鼓出量最大不超过200 mm，留巷巷道两帮平均鼓出量300 mm，顶板下沉量不足100 mm，控制了围岩变形，保障了巷道通风断面，满足二次使用。