文/李永勤

榆家梁煤礦是神東特大礦井之一，核定生產(chǎn)能力1630萬噸/a。為提高煤炭回收率，減少工程施工量，本文針對(duì)榆家梁煤礦開采的52煤層無煤柱孤島開采工作面52402綜采工作面的回順側(cè)沿墻掘巷技術(shù)進(jìn)行研究，以期為類似地質(zhì)條件下安全回采提供借鑒。

一、工作面概況

52401工作面回采后，沿墻掘進(jìn)一條巷道作為52402工作面的進(jìn)風(fēng)巷、輔助運(yùn)輸巷。52401工作面埋深75～145m，巷道沿頂見底掘進(jìn)。老頂以粉及中砂巖為主，厚17.32～19.2m，直接頂以粉砂質(zhì)泥巖為主，厚度 0～1.3m；底板為粉砂巖，厚 0.9～6.2m。

煤層屬低變質(zhì)煙煤，賦存穩(wěn)定，煤厚3.40～4.10m，平均 3.70m，傾角 1°～2°，容重 1.31t/m3。 地表為黃土溝壑區(qū)，最大高差137.5m；地層總的趨勢(shì)是以極緩的坡度向北西傾斜的單斜構(gòu)造，傾角1°～2°，斷層不發(fā)育，后生裂隙發(fā)育。

二、52402工作面沿墻掘巷支護(hù)參數(shù)及施工

1.沿墻掘巷無煤柱開采技術(shù)原理

超前52401工作面200～300m，在52401工作面運(yùn)輸巷沿副幫澆筑一道連續(xù)的柔?；炷翂w，52401工作面回采結(jié)束后，混凝土墻體埋進(jìn)采空區(qū)。采空區(qū)巖層垮落活動(dòng)穩(wěn)定后，緊貼柔模混凝土連續(xù)墻掘進(jìn)52402工作面軌道巷，實(shí)現(xiàn)無煤柱開采。

2.52401運(yùn)輸巷斷面及支護(hù)參數(shù)

巷道形狀為矩形，巷寬5.5m、高3.6m，斷面積19.8m2。

52401運(yùn)順采用鋼筋網(wǎng)片+螺紋鋼錨桿+π型鋼帶+錨索聯(lián)合支護(hù)，錨桿5根/排，排距為1m；副幫側(cè)第二根錨桿為單軌吊錨桿，采用螺紋鋼錨桿，要求放線施工，錨桿外露段長(zhǎng)度50~80mm。錨索矩形布置，排距為2套/4m，間距為2.1m。

3.52401工作面沿空留墻支護(hù)及施工

（1）總體支護(hù)

52401運(yùn)輸巷超前工作面澆筑柔模混凝土墻體總體支護(hù)方案：巷道整體采用錨網(wǎng)索支護(hù)，超前工作面200~300m澆筑C30柔?；炷翂w，墻厚1m，緊貼副幫澆筑。

（2）墻體支護(hù)參數(shù)

柔?；炷翂w寬度1000mm，高度3400mm，混凝土強(qiáng)度C30，墻體內(nèi)預(yù)安裝橫向錨栓，提高墻體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并限制橫向變形。

柔性模板參數(shù)：柔性模板為三維紡織預(yù)成型體，透水不透漿，阻燃防靜電，長(zhǎng)寬高為：3000×1000×3500mm。

混凝土為地面上攪拌好干混料，井下加水?dāng)嚢璩苫炷敛⑼ㄟ^混凝土泵輸送至柔性模板內(nèi)。

錨栓規(guī)格：Φ22×1100mm螺紋鋼，間排距為900×750mm；桿體兩端都設(shè)有絲扣，每端絲扣長(zhǎng)度100mm；桿體兩端各配一套高強(qiáng)度托板、調(diào)心球形墊和尼龍墊圈，托板采用200×200×15mm鋼托盤。

（3）巷旁支護(hù)載荷計(jì)算

依據(jù)沿墻掘巷無煤柱開采技術(shù)原理，墻體所承受的載荷主要是沿墻掘巷后墻體所承載的上覆頂板巖層的重量，所以采用沿空留巷“分離巖塊法”理論計(jì)算墻體載荷較為合適，但區(qū)別是：沿墻掘巷墻體所受的動(dòng)壓較留巷要小。

經(jīng)計(jì)算，留巷寬5.2m、支護(hù)厚度為1m時(shí)支護(hù)體的載荷為：q=2559.5kN/m

考慮沿墻掘進(jìn)時(shí)，圍巖二次穩(wěn)定的動(dòng)壓影響系數(shù)為1~4，這里取2，沿墻掘巷期間作用在柔?；炷辽系淖畲笾ёo(hù)載荷為：q=5119kN/m

（4）柔?；炷翂w承載力核算

柔?；炷潦且环N纖維包裹加筋的預(yù)應(yīng)力復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體。因此，柔?；炷恋某休d力由約束增強(qiáng)體和核心混凝土兩部分組成。在軸向壓力作用下，被約束的核心混凝土產(chǎn)生橫向擴(kuò)容變形，使得錨栓產(chǎn)生拉伸變形，從而形成了作用于核心混凝土的橫向約束力，核心混凝土處于三向受壓應(yīng)力狀態(tài)。加載初期，柔?；炷恋膽?yīng)力應(yīng)變關(guān)系與普通素混凝土的曲線基本一致；當(dāng)應(yīng)力達(dá)到混凝土強(qiáng)度以后，柔?；炷恋那€仍能保持一定的上升趨勢(shì)；最終，曲線以較為平緩的下降段結(jié)束。因此，柔?；炷恋膶?shí)際承載力相比于一般的混凝土軸心抗壓構(gòu)件強(qiáng)度要高。

這里為簡(jiǎn)化起見，將單位長(zhǎng)度、厚度1m的支護(hù)體視為軸心受壓柱模型，可計(jì)算出支護(hù)體的正截面承載能力。

受壓柱高3.4m，短邊長(zhǎng)1m，構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比為3.4∶1=3.4，構(gòu)件穩(wěn)定性系數(shù)φ取1.0，構(gòu)件的承載力安全系數(shù)取0.9。

N=0.9φ×fcA

式中，N——支護(hù)體的承載能力；

φ——構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，查《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知 φ=1；

fc——混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2，C30混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為15N/mm2；

A——截面面積為l×b。

將上述參數(shù)代入上式，計(jì)算得柔?；炷撩垦用?m，厚承載能力為N=13500kN/m。因此，巷旁柔?；炷脸休d能力N=13500kN/m＞q=5119kN/m，采用1m厚C30柔?；炷翂w有1倍以上的安全系數(shù)，所以可視支護(hù)結(jié)構(gòu)承載能力滿足要求。

（5）墻體澆筑施工

①施工工藝及流程

柔模泵注混凝土沿空留墻整體工序主要包括地面干混料的制備和運(yùn)輸、柔模掛設(shè)、井下上料、攪拌、泵送和澆筑等關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)。

施工流程：地面按配合比拌干混料→干混料運(yùn)輸至井下混凝土施工裝備處→掛柔模并安裝錨栓→泵注混凝土→下一循環(huán)。

混凝土制備與輸送工藝流程：地面配制混凝土→地面攪拌干混料→地面攪拌站到井下泵站運(yùn)輸→井下刮板上料→井下雙軸連續(xù)強(qiáng)制攪拌→井下高壓連續(xù)泵送混凝土。

地面柔?；炷林苽浠旌舷到y(tǒng)的主要作用是將水泥、砂子、石子和外加劑按照設(shè)計(jì)配合比精確配制與混合。井下柔模混凝土制備泵送系統(tǒng)的主要作用是將干混料運(yùn)輸?shù)綌嚢铏C(jī)內(nèi)，加水?dāng)嚢?，然后通過高壓輸送泵將混凝土輸送到柔性模板內(nèi)，主要設(shè)備為混凝土泵、連續(xù)攪拌機(jī)、上料機(jī)。

②沿空留墻施工裝備及布置

a.地面配料設(shè)備及布置

考慮到運(yùn)輸以及混凝土拌合物存放時(shí)間有限等因素，柔模泵注混凝土采用兩次攪拌工藝。一次攪拌在集中攪拌站進(jìn)行，混凝土干料攪拌設(shè)備主要有混凝土攪拌機(jī)、配料機(jī)。按C30級(jí)別混凝土，將水泥、砂、石子、外加劑等拌合成干料，水須在井下施工點(diǎn)進(jìn)行二次攪拌時(shí)添加。干料一般為當(dāng)天運(yùn)輸，儲(chǔ)備量一般滿足半天的施工用量。根據(jù)52401工作面推采進(jìn)度9m/天，日用新拌混凝土34.2m3計(jì)算，干料為46.68m3。

b.工作面設(shè)備及布置

井下作業(yè)時(shí)所有機(jī)械設(shè)備必須有防爆性能，且要達(dá)到行業(yè)要求。

由于井巷窄長(zhǎng)的特點(diǎn)，要求設(shè)備寬度要盡量短小，以寬度小于1.5m為宜。

因煤礦巷道斷面一般較小，一次泵注量不大，泵可隨工作面移動(dòng)，以高壓小排量為宜。

為滿足混凝土強(qiáng)度要求，在不降低石子粒徑及含量的情況下，采取短距離輸送易保證混凝土質(zhì)量，堵管后易于處理。輸送距離一般在200～350m較為合適。

根據(jù)井下工作環(huán)境及斷面大小，輸送量為15m3/h～35m3/h。

一般混凝土泵壓力16MPa，高壓條件容易損壞柔模，壓力低輸送距離短，易堵管。經(jīng)試驗(yàn)，井下使用一般10～16MPa為宜。

輸送管選定為Φ125管道。

c.施工設(shè)備布置

柔?；炷林苽漭斔蜋C(jī)組布置在52401膠運(yùn)輸順槽副幫側(cè)，利用無軌膠輪車將干料輸送至泵后方料場(chǎng)，上料機(jī)將地面干料轉(zhuǎn)入混凝土制備機(jī)的攪拌槽內(nèi)攪拌，通過混凝土泵送管路將混凝土注入端頭柔模內(nèi)。混凝土泵距工作面200～350m。

③施工材料

柔模混凝土由柔模與自密實(shí)混凝土組成，是將自密實(shí)混凝土灌注于柔模內(nèi)，形成柔模包裹混凝土的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體。柔模透水不透漿的作用，可實(shí)現(xiàn)大水灰比輸送小水灰比硬化，井下實(shí)際最遠(yuǎn)泵送距離達(dá)到670m。柔?；炷恋妄g期強(qiáng)度增長(zhǎng)速度快，初步設(shè)計(jì)3d基本達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，混凝土澆筑完成后即具有較大初撐力，初撐力達(dá)0.8MPa。

柔?；炷劣兴唷⑸白?、石子、粉煤灰及外加劑等。原料要求：

水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥。

砂子采用II區(qū)中砂，通過0.315mm篩孔的砂不應(yīng)小于15%；若采用I區(qū)砂時(shí)，應(yīng)提高砂率，并保持足夠的膠凝材料用量，以滿足柔?；炷恋目杀眯?；若采用III區(qū)砂時(shí)，宜適當(dāng)降低砂率，含泥量（按質(zhì)量計(jì)）不大于3%，泥塊含量不大于1%。

石子最大粒徑不應(yīng)大于20mm，粒徑宜選用5～20mm連續(xù)級(jí)配碎石，考慮到泵送及混凝土強(qiáng)度，石子中的針片狀顆粒含量不宜大于10%，含泥量（按質(zhì)量計(jì)）不大于1%，泥塊含量不大于0.5%；當(dāng)采用碎石時(shí)，非粘土質(zhì)石粉含量不大于1.5%，防止對(duì)柔?；炷恋哪Y(jié)時(shí)間與和易性產(chǎn)生不利影響。

采用二級(jí)粉煤灰，利用其自身的“滾珠潤(rùn)滑”效應(yīng)，以達(dá)到提高柔模混凝土的和易性和可泵性、降低施工原材料成本的目的。

采用KTRHWJ-1型柔模專用外加劑，以提高柔模混凝土的早期強(qiáng)度，減少單位柔?；炷恋挠盟?，提高柔?；炷恋陌韬橡ざ龋瑥亩行Ц纳迫崮；炷恋目闺x析性和可泵性。

4.52402工作面沿墻掘巷支護(hù)及施工

52402工作面輔運(yùn)（軌道巷）作為52402綜采工作面回風(fēng)及輔運(yùn)巷道，掘進(jìn)采用連采及其后配套設(shè)備單巷掘進(jìn)。52402輔運(yùn)巷道采用FBDV-№7.1/2*45局扇配套Ф1000mm風(fēng)筒遠(yuǎn)距離供風(fēng)。

（1）巷道形狀及斷面

巷道形狀為矩形，巷寬5.2m，高3.4m，斷面積17.68m2。

（2）支護(hù)參數(shù)

52402輔運(yùn)（沿墻掘巷）掘進(jìn)工作面所有巷道均布置在52煤層中，全部為矩形巷道。其中52402輔運(yùn)（沿墻掘巷）臨近52401綜采工作面采空區(qū)，頂板受采空區(qū)及回采采動(dòng)影響較大，需加強(qiáng)巷道頂板支護(hù)管理。巷道頂板全斷面鋪設(shè)網(wǎng)片并采用錨桿、錨索等聯(lián)合支護(hù)，所有網(wǎng)片搭接長(zhǎng)度均為100mm。

52402輔運(yùn)采用鋼筋網(wǎng)片+螺紋鋼錨桿+Ω型鋼帶+錨索聯(lián)合支護(hù)。錨桿支護(hù)為5根/排，排距1m；錨索支護(hù)為3套/排，排距 2m，錨索與Ω型鋼帶聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù)，矩形布置。52402輔運(yùn)（斜線段）與52401運(yùn)順交叉段巷道寬度超過8.0m區(qū)域，在擴(kuò)幫處補(bǔ)打錨索及架設(shè)木垛進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

52402輔運(yùn)與52401運(yùn)順原有硐室貫通后硐室視為空頂，割壞的網(wǎng)片及錨桿及時(shí)處理和補(bǔ)打，按照設(shè)計(jì)加固支護(hù)。鋪設(shè)的網(wǎng)片必須完全包住掘進(jìn)時(shí)留設(shè)的臺(tái)階，新舊網(wǎng)片搭接長(zhǎng)度為100mm。

掘進(jìn)期間，52402輔運(yùn)巷道正幫掛設(shè)塑料網(wǎng)，幫網(wǎng)支護(hù)緊跟至破碎機(jī)后方。若工作面遇到煤壁酥松破碎、較大裂隙發(fā)育及炸幫（有壓力顯現(xiàn)）等局部片幫嚴(yán)重段，檢修班和生產(chǎn)班積極組織掛幫網(wǎng)，幫網(wǎng)掛設(shè)完畢后方可允許生產(chǎn)。正幫自上而下掛設(shè)兩茬塑料網(wǎng)。塑料網(wǎng)規(guī)格為1800×20000mm，網(wǎng)格尺寸為40×40mm；幫錨桿采用Φ18×1600mm玻璃鋼錨桿，矩形布置，2套/1.5m，間距1.3m；幫網(wǎng)與頂網(wǎng)間搭接100mm，相鄰網(wǎng)片間搭接100mm，搭接處每隔200mm用雙股14＃鉛絲綁扎，網(wǎng)片間搭接平整，網(wǎng)片展平。

遇到頂板破碎帶、離層、裂隙處及沖刷復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造等地段，必須嚴(yán)格執(zhí)行“短掘短支”措施，加強(qiáng)頂板支護(hù)管理，嚴(yán)防冒頂事故發(fā)生。

（3）沿墻掘巷施工

掘進(jìn)采用連采機(jī)及其配套設(shè)備施工，選用美國(guó)JOY公司制造的12CM15-10D型連采機(jī)來完成割煤和裝煤工序，選用JOY公司制造的10SC32-48C-5型梭車來完成煤炭運(yùn)輸。利用GP460/150型破碎機(jī)完成煤炭的轉(zhuǎn)載和破碎工作，破碎機(jī)運(yùn)出的煤炭通過順槽膠帶輸送機(jī)運(yùn)出工作面，經(jīng)52煤主運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)出地面進(jìn)入原煤倉(cāng)。選用太原煤炭研究院生產(chǎn)制造的CMM25-4型錨桿機(jī)完成巷道頂板錨桿支護(hù)工作，使用M.R.S.-17型單體錨索機(jī)來完成巷道頂板錨索支護(hù)工作，選用一臺(tái)FBZL16型防爆裝載機(jī)完成工作面物料、設(shè)備的搬運(yùn)及巷道浮煤的清理工作，選用型號(hào)為G4CL068519送人車送人，用型號(hào)為L(zhǎng)WLNKRHG3C下料車運(yùn)送物料。形成連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)工作面割煤、裝煤、運(yùn)煤、淸煤、支護(hù)等工序全部機(jī)械化作業(yè)的施工方法。

①切槽

連采機(jī)司機(jī)在激光指向儀的導(dǎo)向下，確定連采機(jī)的進(jìn)刀位置。進(jìn)刀位置選擇在巷道左側(cè)，沿激光指向儀的導(dǎo)向（左側(cè)3.2m）為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，連采機(jī)從底板進(jìn)刀，掘進(jìn)一個(gè)循環(huán)深度后退機(jī)，這一工序稱為切槽。

②采垛

完成切槽工序后，將連采機(jī)調(diào)至巷道另一側(cè)，并以激光指向儀為導(dǎo)向，當(dāng)巷道設(shè)計(jì)寬度為5.0m時(shí)，沿激光右側(cè)1.8m為標(biāo)準(zhǔn)（巷道設(shè)計(jì)寬度為4.0m時(shí)，沿激光右側(cè)0.8m為標(biāo)準(zhǔn)）來確定位置，開始割剩余部分的煤，這一工序稱為采垛。

③截割循環(huán)

無論是切槽還是采垛工序，連采機(jī)截割時(shí)，首先將連采機(jī)截割頭調(diào)整至巷道頂板，由上向下切割煤體。當(dāng)截割頭割到煤層底板時(shí)，連采機(jī)稍向后退，割完底煤，使巷道底板平整，并裝完余煤。連采機(jī)在割煤過程中，為保證頂板平整，應(yīng)每割三刀退回掃一次頂板，接著下一個(gè)循環(huán)。連采機(jī)完成從頂板至底板再到頂板這一過程就稱一個(gè)截割循環(huán)。

三、結(jié)論

1.在榆家梁煤礦首次實(shí)現(xiàn)了柔模混凝土沿空留墻沿墻掘巷技術(shù)，采用1m厚的柔模混凝土墻體替代了15m的護(hù)巷煤柱，多回收了煤炭資源，延長(zhǎng)了礦井服務(wù)年限。

2.巷道整體支護(hù)效果良好，柔模混凝土支護(hù)技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性合理，柔?；炷裂乜樟艟蛳餄M足孤島工作面安全生產(chǎn)要求。

3.柔模無煤柱開采沿墻掘巷技術(shù)首次同時(shí)應(yīng)用在綜采孤島工作面，為其他類似工程條件的無煤柱開采提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。