張繼東

（山西西山煤電西曲礦，山西古交030200）

0 引言

雖然我國各種新能源蓬勃發(fā)展，但是煤炭仍然處于我國能源的主導(dǎo)地位。目前我國大多數(shù)煤礦仍采用傳統(tǒng)的采礦方法，采用較寬的區(qū)段煤柱（煤柱寬度一般為20 m～30 m）來對回采巷道進行保護，這樣會造成在煤礦開采過程中，大部分的煤柱在工作面回采過后會被遺留到采空區(qū)內(nèi)，這樣就會造成大量的資源浪費，并且留設(shè)區(qū)段煤柱時會產(chǎn)生應(yīng)力集中、采空區(qū)發(fā)火等問題。

為解決上述問題，提出了采用沿空留巷無煤柱開采的技術(shù)，許多的采礦方面的學者進行了不懈的努力，如柏建彪等[1]在綜述巷旁支護技術(shù)發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上,提出膏體材料巷旁充填沿空留巷新技術(shù)；分析沿空留巷頂板破斷垮落特征,建立了膏體材料巷旁充填沿空留巷的力學模型,提出了膏體材料巷旁支護體主要參數(shù)的確定方法。李化敏［2］分析了沿空留巷頂板巖層運動的過程及其變形特征，明確了頂板巖層運動各階段巷旁充填體的作用，根據(jù)充填體與頂板相互作用原理，確定了各階段沿空留巷巷旁充填體支護阻力的控制設(shè)計原則，并建立了相應(yīng)的支護阻力及合理壓縮量數(shù)學模型。

沿空留巷技術(shù)無論從理論上還是技術(shù)上，都已經(jīng)發(fā)展的相對較為完善，并且我國有許多礦井都已經(jīng)成功的實施了沿空留巷無煤柱開采技術(shù)，為我們的研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。因此，出于經(jīng)濟等方面的考慮，西曲礦擬采用沿空留巷無煤柱開采技術(shù)，通過采用理論分析的方法，從實施沿空留巷的必要性、何種巷旁支護體最佳、采用柔?；炷料锱灾ёo技術(shù)的可行性、巷內(nèi)支護、充填設(shè)備等技術(shù)和經(jīng)濟效益考慮，對西曲礦18403回采工作面應(yīng)用沿空留巷無煤柱開采技術(shù)的可行性進行探討。

1 項目背景

18403工作面位于南四盤區(qū)南部，西鄰永樹曲村、新建村保護煤柱，東部為南983運輸大巷，南部待采的18401 工作面，北部為開采的18404 工作面。18403 工作面的采高為3.5 m。煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

根據(jù)查閱相關(guān)資料并對比西曲礦18403工作面地質(zhì)條件，西曲礦具備應(yīng)用沿空留巷技術(shù)的可行性。

圖1 工作面工程平面

沿空留巷的技術(shù)工藝為在工作面推進的過程中在回風順槽沿著工作面一側(cè)澆筑墻體，在本工作面回采完成后將回風順槽保留下來作為下一個工作面的運輸順槽。采用沿空留巷技術(shù)后能夠?qū)崿F(xiàn)Y 型通風，對于解決上隅角以及回風巷瓦斯?jié)舛瘸迒栴}積聚有著突出的優(yōu)勢。

沿空留巷技術(shù)之所以在回風順槽中進行，是因為運輸順槽中有膠帶輸送機需要運煤，而在回風順槽中實施，空間較大能夠鋪設(shè)一系列設(shè)備。

2 西曲礦沿空留巷技術(shù)應(yīng)用可行性分析

2.1 沿空留巷巷旁支護體的選擇

經(jīng)查閱相關(guān)資料，沿空掘巷常用的巷旁支護體有柔模泵注混凝土巷旁支護技術(shù)和鋼模泵注混凝土巷旁支護技術(shù)兩種。柔模泵注混凝土較傳統(tǒng)的剛性模板有突出的優(yōu)點，如1、在泵壓作用下，柔模混凝土接頂效果好；2、運輸方便，操作方便，工序簡單，效率高；3、柔模析水快，墻體達強快且支護阻力大，具有一定的可縮性，與沿空掘巷圍巖變形相適應(yīng)等優(yōu)點。而鋼性模板施工困難，勞動強度大，施工時間長，占用作業(yè)空間，容易漏漿，對不平整頂板適用性差，難接頂。

根據(jù)上述對常見兩種巷旁支護體的分析可知柔模混凝土巷旁支護有著突出的優(yōu)勢，因此本項目中沿空掘巷采用柔模泵注混凝土巷旁支護技術(shù)是較為合理的選擇，即采用柔?；炷吝B續(xù)墻作為巷旁支護體。

2.2 采用柔?；炷料锱灾ёo的可行性分析

2.2.1 沿空留巷壓力計算

依據(jù)西曲礦18403 工作面的實際生產(chǎn)地質(zhì)條件，決定采用“分離巖塊法”來計算頂板的壓力?！胺蛛x巖塊法”認為在沿空巷道上方一定范圍內(nèi)的巖體形成分離巖塊，支護體的載荷為分離巖塊的重量。因此為保證巷旁支護體能夠起到其支承分離巖塊的作用，就必須計算巷旁支護體上的載荷即來自頂板的壓力q。根據(jù)工作面三機配套和回風要求，確定18403 工作面沿空留巷后的寬度為4 500 mm。計算模型見圖2。

圖2 沿空留巷礦壓計算模型

頂板壓力q的計算公式如下：

式中，q—巷旁支護體載荷；bB—巷旁支護內(nèi)側(cè)到煤幫的距離，即留巷寬度，取4.5 m；x—巷旁支護寬度，根據(jù)相似沿空留巷礦井實施案例，初步取1.5 m；bC—巷旁支護外側(cè)懸頂距，取0.5 m；γ—頂板分離巖塊容重，取27 kN/m3；h—采高，取3.5 m；θ—剪切角（上覆巖層的斷裂角），根據(jù)經(jīng)驗選取為26°；

計算可得支護厚度為1.5 m時，巷旁支護承受的壓強為：

即單位長度巷旁支護承受的載荷為Q1,

巷旁支護體上的載荷來源于直接頂分離巖塊的重量和老頂轉(zhuǎn)動對直接頂造成的動壓，但是其動壓以目前的技術(shù)水平很難測得，因此一般所采用的方法是根據(jù)經(jīng)驗對所得的數(shù)據(jù)乘以一個動載系數(shù)η，η 一般取1～2，在計算時一般從最大值考慮取2，這樣巷旁支護上的最大載荷為Q2，Q2=2Q1:[3][4]

2.2.2 墻體承載力驗算

根據(jù)上述對常見兩種常用沿空留巷巷旁支護體的分析，此次18403 工作面沿空留巷巷旁支護體選用柔?；炷翞橄锱灾ёo體。

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，其承載力主要由約束增強體和核心混凝土兩部分組成。在混凝土的軸向方向上，錨栓會產(chǎn)生拉伸擴容變形形成橫向約束力，使得混凝土處于三向應(yīng)力狀態(tài)。與素混凝土相比，柔?；炷恋膹姸群脱有远嫉玫教岣?。因此混凝土的承載力是沿空掘巷能否成功的關(guān)鍵因素。柔模混凝土墻體的承載力計算公式為：

錨栓的約束應(yīng)力計算公式為：

式中：N2—巷旁支護的承載能力，kN，其值由2.3.1計算可得；σr—錨栓套箍作用產(chǎn)生的有效約束力；MPa；Acor—環(huán)向包裹內(nèi)混凝土面積，m2，為1.5×103m2；fc—混凝土抗壓強度設(shè)計值，N/mm2，C30 混凝土的抗壓強度設(shè)計值為14.3 N/mm2；d—錨栓直徑，mm，普通沿空留巷所用錨栓的直徑為20 mm；σb—鋼筋抗拉強度設(shè)計值，取300 MPa；a1,a2—錨栓的間排距，mm；

計算可得錨栓的約束應(yīng)力為：

柔?；炷翂w的承載能力為：

根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，當巷旁支護安全系數(shù)大于1.2時可認為支護強度滿足要求，本項目中墻體的承載力為27 339.12 kN/m，沿空留巷頂板壓力為18 866 kN/m，安全系數(shù)為1.45，因此巷旁支護滿足安全要求。

因此當18403工作面采用沿空留巷時選擇柔?；炷翂w為巷旁支護體時，可很好地滿足安全的需求。

2.3 巷旁支護參數(shù)設(shè)計

墻體高度為3.5 m，墻體寬度為1 500 mm，混凝土強度等級為C30。在柔?；炷翂w內(nèi)預(yù)置錨栓，錨栓為? 20×1 700 mm 的螺紋鋼，兩端絲扣長度各為100 mm，托板尺寸為150×150×16 mm，雙托板雙螺母；錨栓的間排距為1 500×1 000 mm，巷旁支護橫斷面見圖3。

圖3 巷旁支護斷面圖

2.4 巷旁支護設(shè)備及施工工藝

采用柔?；炷裂乜樟粝锛夹g(shù)時，其設(shè)備主要包括混凝土配料機、混凝土攪拌機、混凝土輸送泵等，其材料主要包括柔性模板、水泥、錨栓、鐵托板等。由于目前柔?；炷裂乜樟粝锸袌鲚^大，因此設(shè)備生產(chǎn)廠家有較多的選擇，這就為實施沿空留巷技術(shù)提供了更多的可能性。

沿空留巷施工主要包括地面制備干混料、運料下井、井下制備與輸送混凝土和澆筑柔?；炷翂w等幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。[5]

3 沿空留巷成本及經(jīng)濟效益

沿空留巷成本包括材料費（如錨栓、混凝土、一次性纖維柔性模板等）、設(shè)備費、人工費。根據(jù)市場調(diào)研一整套柔?；炷猎O(shè)備約為240萬元。

煤柱效益：按照留巷長度1 199 m 計算，煤層平均厚度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，共計多回收煤炭資源11.8萬噸，噸煤效益按照200 元計算，每個工作面僅回收煤柱就可以創(chuàng)造經(jīng)濟效益2 360萬元。

少掘巷效益：預(yù)估算每米留巷成本與掘巷成本基本持平，但是采用沿空留巷以后，工作面至少可以少掘停采線至采區(qū)大巷之間的巷道。

由于每米留巷成本與掘巷成本基本持平，因此回收一條煤柱所創(chuàng)造的利潤為2 360萬元，經(jīng)濟效益非常可觀。

4 結(jié)論

本文以西曲礦18403 工作面為研究背景，從巷旁支護、裝備、施工工藝以及經(jīng)濟效益等角度分析18403工作面采用沿空留巷技術(shù)是完全可行的，并且實施沿空留巷技術(shù)可以為礦井產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益，研究結(jié)果也可以為相似礦井采用沿空留巷技術(shù)提供借鑒。