厚煤层堆喷混凝土沿空留巷技术研究与应用

韩红兵

（冀中能源峰峰集团 辛安矿，河北 邯郸 056200）

1 概况

随着矿井不断开挖生产，辛安矿已进入资源枯竭期，为提高煤炭回收率及延长矿井服务年限，在11212-2 煤柱工作面运料巷实施沿空留巷。辛安矿11212-2 煤柱工作面，主采2 号煤层，平均厚度4.4 m，采用综合机械化放顶煤方法回采，走向长873 m，倾斜长166 m（平均），切眼采用摸顶掘进，卧底至大煤底板，进行摸底安装支架和回采。11212-2 运料巷采用“堆喷混凝土沿空留巷”技术留巷长度770 m，成巷效果较好。

2 堆喷混凝土沿空留巷工艺

2.1 超前预裂爆破切顶

在11212-2 工作面运料巷超前支护段以外，在巷道顶板靠近采帮的肩角位置沿巷道轴向均匀布置一排切顶钻孔。保证切顶钻孔沿巷道轴向在同一个平面上。与水平成55°夹角施工切顶爆破钻孔，钻孔倾斜长度为15 m，钻头直径为48 mm。从孔底开始，依次放置6 节长度为1.5 m 的聚能管和1节长度为1 m 的聚能管，每节聚能管放置4 个药卷，1 m 长的聚能管内放置3 个药卷，每个切缝钻孔内使用4×6+3=27 卷（规格为φ32 mm×300 mm、质量0.3 kg/卷的煤矿许用三级乳化炸药，单孔使用聚能管7 节，炸药卷27 卷）。钻孔剩余5 m部分，使用专用封孔炮泥封堵孔口，顶孔间距1 m。11212-2 煤柱工作面切顶爆破示意如图1所示。

图1 11212- 2 煤柱工作面切顶爆破示意Fig.1 Indication of roof cutting blasting in No.11212-2 Face

2.2 沿空留巷

2.2.1 支护原理

沿空留巷是由煤帮、巷旁支护及巷道上方顶板岩层所围成的空间，留巷成功的关键在于保持此小结构的稳定。煤系岩层为脆性材料，巷道顶板稍有离层或下沉变形就会发生断裂破坏。

沿空留巷围岩由巷内支护及巷旁支护共同承载，由于巷内锚网支护能力有限，因此，必须要求巷旁支护墙体尽早形成对顶板的高强支撑，阻止留巷顶板离层及下沉变形，同时能够发挥切顶柱的作用，切断采空侧的悬臂顶板，使沿空留巷的基本顶岩层在采空区侧断裂，减轻沿空巷道所承受的侧向压力。

沿空留巷围岩小结构示意如图2 所示。

图2 沿空留巷围岩小结构示意Fig.2 Small structure of surrounding rock in gob- side entry retaining

2.2.2 堆喷沿空留巷工艺

堆喷工艺是一种新型的构筑混凝土墙体的方法，是将砂石料、水泥、JCT-1 喷射混凝土外加剂在潮湿（或干燥） 状态下按一定比例拌和均匀后装入喷射机，用压缩空气将混合料沿管路输送至喷头处与水混合，并高速喷射至作业面，形成喷层或构筑墙体，如图3 所示。

图3 堆喷工艺构筑巷旁墙体示意Fig.3 The sign of building roadside wall by heap spraying technology

堆喷工艺构筑的混凝土墙体或喷层具有如下特点。

①施工仅需构筑简易档板，一次喷层厚度大，墙体成型快，无需支模和养护；②喷层具有高粘附性，降尘封水，回弹率小于5%；③早强且不损失最终强度，终期强度超过C30；④接顶效果好，喷层与岩层共同承受荷载；⑤墙体具有高密度、高强度、微膨胀特性，密实不漏风；⑥施工设备体积小，快速灵活方便，节约了投资和劳力，施工效率较高。

堆喷工艺构筑沿空留巷巷旁墙体施工速度快、操作方便，不损失混凝土强度，成本低，符合煤矿井下安全生产要求。堆喷工艺筑墙的速度主要和喷射机的喷射能力有关，在喷射机喷射能力满足要求的情况下，堆喷工艺的速度可达7～8 m3/h，对提高筑墙速度，减少工人劳动强度，缩短工期，促进煤矿安全高效生产具有重要意义。

井下现场做试块，委托河北工程大学采矿工程实验室做单轴抗压强度测试，实测得到的堆喷混凝土强度曲线，如图4 所示，3 d 强度即可达到19.43 MPa，28 d 强度可以达到40.6 MPa。

图4 堆喷混凝土强度曲线Fig.4 Strength curve of pile-sprayed concrete

2.3 堆喷混凝土沿空留巷实施方案

（1） 留巷基本方式。超前切顶卸压+补强锚索+堆喷巷旁墙体联合支护。

（2） 巷旁挡矸方式。紧跟工作面液压支架，沿采空区边缘开挖基础坑，并打设木点柱挡矸，木点柱靠巷道内侧铺双层金属网+风筒布。

（3） 留巷支护。留巷临时支护、超前支护及滞后支护均使用单体液压支柱+铰接顶梁支护。

（4） 巷旁墙体尺寸。原巷道中线高度3.2 m，堆喷巷旁墙体中心线高度2.8 m，墙体高度为3.3 m（含基础坑0.5 m），墙体底部宽度为1.2m，顶部宽度为1.0 m。

（5） 堆喷巷旁墙体。墙体靠采空侧为木点柱+钢筋网+风筒布+钢筋网，墙体靠留巷侧架设一层钢筋网，钢筋网直径为6 mm、网格尺寸为100 mm×100 mm（一方面发挥构造配筋的作用，另一方面起到控制墙体外形轮廓的作用），相邻钢筋网片与钢筋网片之间重叠100 mm，并用铁丝捆扎；沿墙体高度从底板向上均匀布置4 根长度为1～1.2 m 的横向钢筋，顶底拉筋直径6 mm，中间2 根采用直径18 mm 的锚杆，（锚杆靠近采空区侧折成弯钩，巷道侧上120 mm×120 mm×16 mm 的托盘，在中间2 排对拉锚杆上，每排顺巷道再加2 趟配筋锚杆；为加强墙体整体性和稳固性，配筋锚杆布置在墙体中线偏向两侧各0.2 m 处，间距0.4 m） 固定网片位置，沿竖直方向同一列横向固定钢筋的间距为1.0 m，相邻两列之间的排距为1.0 m，配筋与顶板底板外露锚杆用14 号铁丝固定牢固。靠留巷侧的堆喷层覆盖钢筋网片5～10 mm，墙体底部的基础坑内铺设一层φ6 mm 钢筋焊接的宽度为1.2 m、网格尺寸为100 mm×100 mm 的金属网片。

（6） 堆喷设备及工艺。利用矿车下料至井下临时料场处，在材料场按配合比混合好堆喷干料，混凝土喷射机在材料场通过管路输送至施工处，紧跟采煤工作面机尾支架，堆喷作业构筑巷旁墙体。

（7） 留巷作业。检修班超前爆破切顶和补打加强锚索，运料及其他准备工作。生产班采煤、挡矸临时支护、滞后临时支护、堆喷构筑巷旁墙体。

2.4 技术优势

堆喷混凝土巷旁墙体发挥隔离采空区和支撑巷道顶板的作用，该沿空留巷技术具有墙体承载能力高、密封性好、安全可靠、施工效率高、材料来源广泛、经济成本低、不受煤层厚度及采煤工艺限制等特点，堆喷构筑巷旁墙体可以对留巷顶板及时提供高强支撑，具有广泛适应性和推广性。

3 效益分析

3.1 经济效益

回收煤柱长度770 m、宽8 m，即4 万t，创造价值6720 万元。减少巷道掘进770 m，掘进成本4500 元/m，可节约成本347 万元。吨煤完全成本480 元，4 万t 原煤，生产费用为1920 万元。留巷施工成本6236 元/m，工程量770 m，总成本480万元。多采煤炭资源价值+节约掘巷成本- 原煤生产费用- 留巷施工成本=总效益4667 万元。

3.2 社会效益

在煤炭资源日趋枯竭的环境下，采用无煤柱开采，可提高煤炭回收率，延长矿井服务年限，有效解决工作面衔接紧张的问题。该沿空留巷墙体支撑强度大，对采空区的封闭性较好，降低了巷道收敛量及采空区自燃发火的风险。该项目的实施，为其它工作面的设计和布置提供了新思路，为下一步的推广使用总结了经验。