特厚煤层小煤柱加固及双柔模墙留巷支护设计研究

2022-06-28张智强赵浩亮曹新云曹晓凡

煤炭工程 2022年6期

张智强，赵浩亮，曹新云，曹晓凡，3

(1.陕西开拓建筑科技有限公司，陕西西安 710054；2.西安科技大学煤矿支护研发中心，陕西西安 710054；3.西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安 710054)

随着经济的飞速发展，对煤矿安全高效生产提出了新的要求，采煤沿空留巷技术的不断发展完善，大大的提高了矿井安全生产和矿井技术效益[1-7]。近年来随着柔模混凝土沿空留巷技术发展成熟，其施工简单，地质适应性强，价格低廉等各种优点受到了国内许多矿井的高度肯定，并进行了广泛应用，也得到了较多的科学应用性成果[8-13]。2018年贾牛骏等进行了柔模混凝土沿空留巷过陷落柱支护技术研究，工程检验表明：在陷落柱影响段柔模混凝土沿空留巷施工速度快，留巷效果好，采空区封堵严实，具有良好的经济效益和应用前景[14]。2019年刘辉等进行了厚煤层无煤柱自成巷柔模混凝土支护技术实践，实践结果表明：留巷效果好，减少了初期投入成本，取得了巨大的收益[15]。2019年李晓白等进行了6m大采高沿空留巷巷旁支护研究，重点设计研究了巷旁支护参数、底板加固参数、临时加强支护参数，研究结果参数合理，效果良好，具有很好的经济效益和应用前景[16]。2020年高登云等进行了神东矿区无煤柱开采关键技术及应用研究，有效提高了掘进效率，缓解了接续紧张，保证了顶板安全[17]。2020年王俊峰等进行了窄柔模墙体沿空留巷围岩偏应力演化与控制研究并实践，现场工程实践表明，沿空留巷围岩控制效果良好[18]。2021年李红雷等进行双巷掘进柔模混凝土无煤柱开采技术应用研究，不仅解决了矿井掘进及回采过程中瓦斯超限难题，避免了井下煤柱的应力集中，而且实现了区段无煤柱开采，提高了煤炭的采出率，具有良好的经济效益和应用前景[19]。2021年周宏范等进行深部复杂条件下切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术应用研究，最终留巷效果良好[20]。

虽然现阶段柔模混凝土沿空留巷技术发展成熟，并且取得了较多成果，但就目前资料来看：随着国内外在一次采全高沿空留巷技术渐渐成熟，特厚煤层分层开采底分层沿空留巷技术尚不多见。因此白芨沟煤矿根据以往柔模混凝土沿空留巷技术经验，进行了特厚煤层分层开采柔模混凝土沿空留巷技术研究，在加固小煤柱基础上，首次使用了柔模混凝土双墙留巷技术，该研究对厚煤层及特厚煤层沿空留巷技术有重大意义。

1 工程概况

白芨沟煤矿目前开采的二3煤层为特厚煤层，煤层总厚度13～18m，二3煤层平均厚度为12.6m，埋深135m，煤质坚硬，分层厚度3.2m，共分五层进行开采。0102402工作面走向长度1252m，倾向长度227m，根据矿方采掘计划，该工作面回采至距终采线660m位置处进行沿空留巷，留巷段工作面走向长度660m，煤层厚度3.2m。工作面顶板为该区段3分层回采采空区，底板为该区段尚未进行开采的5分层，工作面运输巷副帮为留设的9m小煤柱。

0102402综采工作面西到0102402回风巷，东到0102402运输巷，北到0102402工作面设计终采位置，其中回风巷、运输巷沿走向布置。0102103工作面布置于0102402工作面东部，在010203区段开采过程中，受采动压力和全负压通风的影响，工作面四周遗留煤柱和采空区内的瓦斯将会大量涌入工作面。因此为了治理瓦斯，并减少煤炭资源损失，将0102402工作面回风巷进行沿空留巷保留下来，作为瓦斯抽放巷抽采010203区段瓦斯，以减少区段煤柱损失。

矿方原计划通过留设小煤柱保留住0102402工作面后段660m巷道，让其作为010203工作面5个分层的瓦斯治理巷，在0102103回风巷掘进完成后，受0102402工作面回采超前回采压力影响，0102103回风巷变形严重，故由此提出特厚煤层分层开采底分层沿空留巷技术研究。0102402工作面留巷段巷道布置如图1所示。

图1 沿空留巷段巷道布置

2 特厚煤层沿空留巷巷道布置

2.1 原巷道支护情况

0102402工作面巷道采用梯形断面，顶净宽为3200mm，底净宽为4628mm；净高为3200mm，净断面积为12.5m2。支护形式为梯形金属支架对棚支护。3424(梁) mm×3452(腿)mm，均为11#矿用工字钢。巷道支护如图2所示。

图2 巷道支护方式(mm)

2.2 巷道布置形式

010202工作面分层开采，运输巷与回风巷巷道布置方式为重叠式，如图3所示。根据矿方有关技术方案，在0102402工作面运输巷与0102103工作面回风巷留设小煤柱，煤柱中对中尺寸9m，煤柱净宽5m。因0102103工作面回风巷掘进过程中变形严重，故在沿空留巷期间需要对小煤柱进行加固支护。

图3 沿空留巷巷道布置

3 沿空留巷支护技术研究

3.1 小煤柱加固支护设计

3.1.1 小煤柱加固前巷道形变情况

根据0102103工作面回风巷掘进后小煤柱侧巷道受力情况，0102402工作面运输巷小煤柱侧巷道煤柱塑性较大，钢梁弯曲，煤体外鼓，巷道形变难以控制，0102103工作面回风巷现场形变如图4(a)所示，0102402工作面运输巷现场形变如图4(b)所示。

图4 现场巷道变形情况

3.1.2 巷道形变机理分析

由于分层工作面局部地段回采巷道围岩周边变形的不规则性和非均匀性，对于棚架式支架来说，造成了支架受力条件恶化，例如侧向压力引起拱顶向上弯曲，棚腿折损，顶部压力使拱顶压平等。井下实际使用过程中，由于受巷道掘进和支护工艺的限制，掘进形成的巷道断面难以形成与支架在周边紧密接触的形状，不可避免地在支架背后形成壁后空间，使支架与围岩间形成不同尺寸的空隙及不规则的点线接触，造成支架的支撑能力长期得不到充分发挥；同时巷道围岩变形的不均匀性和不规则性，使支架受到不均匀的集中载荷和偏心载荷作用，恶化支架的受力状况。使得巷内棚式支架实际支护阻力远低于理论计算最大值，支架所具有的承载能力不能充分发挥，低阻力或不受限制的围岩变形和破坏又将使支架受到不均匀的动载荷的作用，加速支架或支护结构的变形破坏；另外，壁后空间的存在使巷道围岩松动圈范围扩大，围岩稳定性降低，变形量增大。

当小煤柱留巷巷道受到多次采动压力时，巷道水平变形量会非常大，若小煤柱侧巷道没用支护手段约束，小煤柱侧巷道水平变形更多的将涌向巷道，造成留巷巷道有效断面不能满足使用要求，导致留巷失败。

3.1.3 支护方案

根据现场实际情况及煤柱受力分析，针对小煤柱侧支护提出两种支护方案。

1)方案一：小煤柱煤壁采用“混凝土单墙+锚索”联合支护。柔模墙体为上宽500mm，下宽1000mm的梯形墙，强度C30；距离顶板500mm位置处打设∅21.6mm×4500mm锚索一根，距顶板1500mm、2500mm处打设∅21.6mm×5000mm锚索各一根，锚索排距1000mm，采用3节MSZ2370型树脂锚固剂，锚索采用双托盘布置，即先向煤壁打设锚索并施加预计力，后锚索外漏部分穿过柔模墙体，施加第二层托板，形成“柔模混凝土墙体+锚索”联合支护。小煤柱补强支护方案如图5所示。

图5 方案一小煤柱补强支护(mm)

2)方案二：小煤柱煤壁采用 “锚网索+工字钢梁”联合支护。锚索采用“二·三·二·三”布置方式，锚索规格∅21.96mm×6000mm，间排距1.6m×1.6m，相对应的两排锚索采用走向11#工字钢梁作为托盘打设，每排打设4根锚杆，规格∅20mm×2400mm，间排距800mm×750mm，每排锚杆配1根钢筋梯，规格∅14mm×2800mm，钢筋梯宽度80mm，巷内靠小煤柱侧补打单体，间排距500mm×1000mm，具体支护方案如图6所示。

图6 方案二小煤柱补强支护(mm)

3.2 巷旁支护设计研究

本设计采用“给定荷载计算法”和“分离岩块法”两种方法，对留巷巷旁支护体支承载荷进行分析计算。

3.2.1 给定载荷计算法

分层开采沿空留巷底分层留巷巷内支护体处于“给定载荷”工作状态，根据留巷上覆岩层活动规律，建立确定支护体载荷的计算模型，如图7所示。图中，Ⅰ为巷道上方的“再生”岩层，其高度为中分层冒落带岩层重新压实的高度，这部分岩石以倒梯形状作用于巷道顶板上。Ⅱ为中分层开采后裂隙带下位岩层，随着底分层开采，冒落高度增加，这部分岩层失去了相互联系，将其自重通过拱作用于留巷顶板上。

图7 底分层沿空留巷荷载计算模型

留巷巷道顶板的载荷P，也即巷旁支护体柔模墙体载荷P为：

P=P1+P2

(1)

式中，P1为Ⅰ部分岩层的容重，kN/m；P2为Ⅱ部分岩层的容重，其值为底分层开采后留巷上方原中分层裂隙带转化为冒落带的岩重，kN/m。

P2=B′×(H′-H-h)×V/B

(3)

式中，B为巷道宽，m；B′为倒梯形的上部边界宽，m；H为中分层开采后冒落带压实后的高度，可由试验获得或按式(6)选取，m；V为“再生”岩层容重，kN /m；H′为底分层开采后的冒落带高度，可依试验或按式(6)选取，m；h为巷道高度，m。

B′=B+2HcotT

(4)

通过计算，给定载荷计算法得出巷旁支护最大采动支护压力为2.31MPa。

3.2.2 分离岩块法

该方法的理论依据是沿空巷道和支护体上方一定范围内分离岩块的重量构成了支护体载荷，沿空留巷力学模型如图8所示。通过式(7)计算，分离岩块法计算得出巷旁支护最大采动支护压力为4.38MPa。

式中，q为支护体载荷，MPa；h为采高，m；θ为剪切角，(°)；bB为支护体内侧到煤壁的距离，本次支护中支护体左侧边缘在巷道内，m；x为支护体的宽度，m；bC为支护体外侧悬顶距，由于顶板为假顶，工作面随采随冒，该距离取为0m；γs为岩块重度，按上覆岩体平均重度22kN/m3计算；α为煤层倾角，(°)。

图8 沿空留巷力学模型

通过两种计算方法得出沿空留巷墙体上的计算荷载均较小，但沿空留巷墙体在本次留巷后还要经历多次动压影响，同时分层开采沿空留巷尚无成熟经验可以借鉴，为安全起见，暂定混凝土设计强度C30，柔模混凝土厚度取为1m，实际施工后根据墙体矿压观测情况进行优化。具体沿空留巷设计方案如下：

1)方案一：“柔模混凝土双墙+工字钢棚”。设计留巷净宽2.2m，高度3.2m，净断面7.04m2，采用“柔模混凝土双墙+工字钢”进行沿空留巷。回风巷下帮(回采侧)巷旁采用柔模混凝土支护，柔模混凝土墙体厚度1m，设计强度C30，浇筑于采空区；上帮(煤壁侧)采用柔模混凝土梯形墙体支护，柔模混凝土墙体上宽0.5m，下宽1.0m，设计强度C30，紧贴煤壁浇筑。小煤柱侧支护按小煤柱加固方案一所提及的加固方案执行，即小煤柱侧采用锚索配合柔模混凝土墙体支护。留巷时原有巷内支设的工字钢顶梁保留，在靠回采侧打设单体支撑工字钢梁，同时在上帮、下帮墙体顶部另外支设11#工字钢梁，长度4.2m，排距0.8m，与墙体共同承载。回采时在回风巷下帮预浇墙处沿工作面倾向(向机头方向)铺设顶网，铺网宽度5m，进行挡矸护顶，金属网为8#铅丝编织菱形金属网，网孔规格50mm×50mm，双层铺设。沿空留巷断面支护如图9所示。

图9 方案一沿空留巷支护(mm)

2)方案二：“柔模混凝土单墙+单体+工字钢”。设计留巷净宽2.7m，高度3.2m，净断面8.64m2，采用“柔模混凝土单墙+工字钢+单体支柱”进行沿空留巷。回风巷下帮(回采侧)巷旁采用柔模混凝土支护，柔模混凝土墙体厚度1m，设计强度C30，浇筑于巷内；上帮采用单体支护，排距0.8m，巷道在服务期限内单体不回撤。小煤柱侧支护按小煤柱加固方案二所提及的加固方案执行，即小煤柱侧采用锚网索配合工字钢梁支护。留巷时原有巷内支设的工字钢顶梁保留，同时在上帮、下帮墙体顶部另外支设11#工字钢梁，长度4.2m，排距0.8m，与墙体共同承载；回采时在回风巷下帮预浇墙处沿工作面倾向(向机头方向)铺设顶网，铺网宽度5m，进行挡矸护顶，金属网为8#铅丝编织菱形金属网，网孔规格50mm×50mm，双层铺设。沿空留巷断面支护如图10所示。

图10 方案二沿空留巷支护(mm)

3.3 临时加强支护

沿空留巷实施时超前工作面30m对回风巷进行加强支护，巷中打设单体进行支护。滞后工作面利用浇筑柔模墙体的单体进行支护，滞后支护暂定100m后回撤单体。滞后支护长度根据留巷后顶板压力观测结果进行调整。方案一和方案二沿空留巷临时支护如图11所示。

图11 沿空留巷临时支护(mm)

4 方案比选及工业应用

4.1 方案比选

1)方案一：柔模混凝土双墙结构优缺点分析。①煤柱侧超前补打锚索并泵注柔模混凝土支护，采用泵注施工，紧跟回采工作面浇筑采空区侧泵注速度快，不影响工作面生产；②柔模混凝土墙体支护强度高，支护阻力大，保证留巷空间安全可靠；采用双柔模墙体支护，支护材料费用及人工费用较方案二高。

2)方案二：柔模混凝土单墙结构优缺点分析。①煤柱侧超前补打锚杆、锚索支护，同时补打双排单体支护，采用泵注施工，紧跟回采工作面浇筑采空区侧柔模墙体，泵注速度快，不影响工作面生产；②小煤柱侧采用锚杆锚索支护，小煤柱受应力作用发生塑性破坏后，煤柱侧支护强度会大大减小，无法满足保证巷道能够承受4次采动压力影响；采空区侧采用柔模混凝土单墙支护，支护材料及人工成本低。

综合上述技术、安全、经济因素及矿方实际工程情况，推荐选用方案一作为0102402工作面运输巷沿空留巷实行方案，留巷过程中根据留巷情况进行支护方案的优化改进。

4.2 工业应用

目前已在白芨沟煤矿厚煤层分层开采四分层应用柔模混凝土沿空留巷并已顺利留巷完毕，通过现场留巷情况可以看出，顶底板形变量减小，巷道采空区侧顶板围护较好，顶板钢梁形变量小，整体留巷效果好，但仍有部分巷道有不同程度的底鼓现象。随着工作面继续向前推进，留巷巷道滞后工作面基本稳定，同时随着作业人员对施工工艺的逐渐熟悉与完善，以及对前几阶段留巷问题的改进及优化，最终特厚煤层分层开采双柔模墙沿空留巷设计应用效果良好。