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(1.陜煤集團 神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，北京 100083)

沿空留巷技術(shù)是目前礦井普遍采用的無煤柱開采技術(shù)之一[1-3]。沿空留巷的核心技術(shù)是采用一定的巷內(nèi)支護技術(shù)和巷旁支護技術(shù)將上一區(qū)段的回采巷道保留下來供下一區(qū)段使用。該技術(shù)成功的實現(xiàn)了無煤柱開采，同時具有減少巷道掘進量、取消區(qū)段煤柱、提高煤炭資源回收率、實現(xiàn) Y 型通風(fēng)、降低工作面隅角瓦斯積聚等優(yōu)勢[4，5]，從而降低礦井生產(chǎn)成本，對于安全高產(chǎn)高效礦井建設(shè)起到一定的推動作用。且該技術(shù)理論成熟，施工簡單方便，不影響綜采工作面的正?；夭伤俣龋苡行p少采空區(qū)遺留煤自然發(fā)火的可能性，是我國煤炭井工開采的先進技術(shù)之一[6]。但由于目前的沿空留巷技術(shù)的巷內(nèi)支護仍采用剛性支護，不能適當(dāng)讓壓，易發(fā)生大變形導(dǎo)致支護材料失去強度。而巷旁支護技術(shù)支護強度低且不能及時支護，充填系統(tǒng)施工復(fù)雜，充填成本較高，留巷速度慢，且接頂效果差，漏風(fēng)嚴重，整體安全性差等[7]。同時沿空留巷技術(shù)所留的巷道是通過掘進機掘出的巷道，隨著工作面推進，把掘出的巷道保留下來，即留巷的前提一定是先掘出巷道。針對上述問題，我國何滿潮院士創(chuàng)新性地提出了一種不需提前開掘巷道、不留設(shè)煤柱的新技術(shù)。在一邊采煤的同時，一邊形成巷道，應(yīng)用一系列的關(guān)鍵工藝和裝備將形成的巷道保留[8]。該技術(shù)在陜西檸條塔礦S1201-II工作面成功試驗，取得了良好的應(yīng)用效果。

留巷過程中，沿空留巷巷旁支護技術(shù)由木垛、密集支柱、矸石帶、混凝土砌塊等傳統(tǒng)低強度支護方式，發(fā)展到目前高水速凝材料和膏體材料等高強度支護方式[9]。低強度支護不能滿足留巷要求，高強度支護成本高、施工復(fù)雜等問題至今仍是留巷的難題。針對這類問題西安科技大學(xué)王曉利教授課題組研發(fā)了柔?；炷林ёo技術(shù)，柔?；炷林ёo技術(shù)具有工藝簡單、施工速度快、安全性高、成型時間短、密封接頂效果好、支撐能力強等優(yōu)點[10]。結(jié)合檸條塔S1201-II工作面切頂卸壓自成巷新技術(shù)現(xiàn)場生產(chǎn)，決定隨著工作面推進，采空區(qū)側(cè)的擋矸支架待巷道圍巖變形穩(wěn)定后，用柔模混凝土柱替換擋矸支架，替下來的擋矸支架可以繼續(xù)隨著工作面的推進循環(huán)使用，既保證了施工速度同時又節(jié)約了初期成本。這種用柔模混凝土柱作為永久性支護技術(shù)在檸條塔S1201-II工作面應(yīng)用效果顯著，留巷效果良好。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)及巷道布置

工作面老頂為中粒砂巖，厚5.4～21.5m，灰白色，回采區(qū)域以中粒砂巖為主，工作面外段，局部頂板含砂質(zhì)泥巖，成分以石英為主，長石次之，分選性中等，具大型交錯層理。直接頂為粉砂巖，厚0.78～4.05m，灰色，灰白色，回采區(qū)域以中粒砂巖為主，工作面外段，局部頂板含砂質(zhì)泥巖，成分以石英為主，長石次之，分選性中等，具大型交錯層理。直接底為粉砂巖，厚1.8～16.3m，灰色，夾細粒砂巖薄層，并與之互層，見有劈理，工作面外段局部底板為炭質(zhì)泥巖。老底為細粒砂巖，厚3.2～19.6m，白色灰薄層狀細粒長石石英砂巖，含白云母碎片，具波狀層理。

檸條塔煤礦S1201-II工作面位于2-2煤層，工作面傾向長度280m，走向長度2344m，可采儲量336.7萬t，煤層厚度3.81～4.35m，煤層平均厚度4.11m，埋藏深度90～165m，煤層賦存穩(wěn)定，煤層傾角近水平。工作面巷道布置方式如圖1所示。S1201-II工作面采煤步距800mm。左側(cè)為S1201-I輔運巷，巷道斷面為矩型，尺寸5200mm(寬)×3750mm(高)；右側(cè)為切頂卸壓無煤柱自成巷預(yù)留設(shè)巷道，預(yù)留設(shè)長度為2344m，斷面尺寸為6200mm(寬)×3750mm(高)。

1.2 工作面初期支護方案及參數(shù)

1)切縫參數(shù)及留巷尺寸。通過采空區(qū)矸石垮落膨脹系數(shù)計算得出切縫高度為9m，為了保證頂板順利的垮落，減少垮落時摩擦力帶來的影響。切縫角度定為10°，向采空區(qū)側(cè)傾斜。留巷的寬度為6.2m，高度為3.75m。

2)頂板支護及參數(shù)。巷內(nèi)頂板支護采用“恒阻大變形錨索+W鋼帶+鉛絲網(wǎng)”，恒阻大變形錨索采用Φ21.8mm×10.5m，留巷頂板每排布置5根恒阻值為35t的恒阻大變形錨索，錨索排距800mm(一個采煤步距)，第一根錨索距切縫線500mm，錨索間距自切縫側(cè)分別為1245mm、1295mm、1230mm、1230mm。

3)擋矸支護及參數(shù)。切頂卸壓自成巷技術(shù)一邊采煤一邊形成巷道，這就需要在留巷過程中采空區(qū)側(cè)的巷旁支護要有足夠的承載能力。為了保證留巷安全性和留巷質(zhì)量，決定采用與該技術(shù)配套的“擋矸支架+U型鋼+金屬網(wǎng)”作為巷旁支護。U型鋼間距為600mm，U型鋼豎直布置，并使用鐵絲將其與金屬網(wǎng)連接固定。安裝完成后利用檔矸支架側(cè)向擋矸橫梁抵緊U型鋼。

2 巷旁支護存在的問題

由于擋矸支架的成本較高，如果整條留巷都需要擋矸支架作為巷旁支護結(jié)構(gòu)，則會造成留巷初期成本過高的問題，為了解決擋矸支架作為巷旁支護成本突出問題，現(xiàn)場考慮了目前應(yīng)用比較廣泛的柔?；炷料锱灾ёo技術(shù)，并對柔?；炷林ёo技術(shù)與擋矸支架支護技術(shù)的優(yōu)點、缺點進行了對比。兩種巷旁支護結(jié)構(gòu)對比見表1。

表1 兩種巷旁支護結(jié)構(gòu)對比

對比表1分析可知，結(jié)合厚煤層無煤柱自成巷技術(shù)初期需要一定的支護強度和強度增速，則采用擋矸支架作為臨時支護，購入一定數(shù)量后，為了節(jié)約初期成本，當(dāng)巷道圍巖變形穩(wěn)定后采用柔?；炷林鎿Q擋矸支架作為永久支護結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了兩種支護的優(yōu)點，同時避開了其缺點。從而得到了最優(yōu)巷旁支護方案。

3 柔模混凝土柱的設(shè)計與施工

3.1 柔?；炷林贾梅绞郊皡?shù)

由于混凝土初期承載力低，達到最大支護強度需要一定的硬化時間，柔?；炷林盟秃?，到混凝土強度達到一定強度后，才開始撤掉擋矸支架供給工作面循環(huán)使用。其柔?；炷林е贾梅绞饺鐖D2所示。具體參數(shù)如下：

圖2 柔?；炷林е贾梅绞绞疽鈭D(mm)

1)采空區(qū)側(cè)安裝1排直徑為600mm的柔模混凝土支柱，支柱位于原單元支架間，支柱的間距為3000mm。

2)混凝土支柱的強度等級選取為25MPa(最終強度25～30MPa)，通過實驗室試驗，混凝土的主要配合比為水泥∶砂子∶石子∶水=1∶2.4∶2.94∶0.88，其密度為2100kg/m3，即每立方米混凝土水泥的用量為291kg，砂子的用量為698kg，矸石(取自采空區(qū)破碎)的用量為854kg，水的用量為257kg?；炷敛捎玫孛鏀嚢韬笸ㄟ^車運送到井下巷道內(nèi)的移動泵站車，然后通過泵站車對柔模進行泵注，一車混凝土可以一次泵注兩個柔?；炷林е?。

3)接頂采用水泥與水玻璃雙漿液注漿包，注漿包的重量配合比為水泥∶水玻璃=1∶1。

3.2 柔?；炷林е休d力驗算

3.2.1 計算模型

根據(jù)英國威特克“分離巖塊法”的方法，將巷旁支護計算簡化為計算模型，如圖3所示，其計算理論依據(jù)是：巷道和支護體上方一定范圍內(nèi)分離巖塊的質(zhì)量構(gòu)成了支護體的荷載[11]。

圖3 支護體荷載計算模型

計算模型需要假設(shè)上部分離巖塊均質(zhì)，在巖塊頂部和兩邊沒有作用力，巖塊兩邊剪切角相同，重心在分離巖塊幾何中心；柔?；炷林е軌簳r是中心受壓。

3.2.2 支護體荷載計算

計算模型中上部分離巖塊受重力G，支護體支護荷載N1，為了使整個結(jié)構(gòu)平衡同時對O點取矩。得到如下平衡公式：

G·L3=N1·L2

即：L1·B·H1·γs=N1·L2

式中，G為分離巖塊重力，N；B為兩個相鄰混凝土柱距離，即分離巖塊的寬，取3m；H1為分離巖塊高度，當(dāng)切縫高度為9m、角度10°時，H1=9cos10°；γs為直接頂和基本頂?shù)钠骄囟龋?2.8kN/m3；N1為支護體支護荷載，kN；L1為留巷寬度，m；L2為支護體中心到O點的水平距離，m；L3為分離巖塊重心到O點的水平距離，m。

經(jīng)計算，兩個相鄰支護體之間的支護荷載為2557.63kN。

3.2.3 支護體承載能力計算

柔?；炷林е髧栏窠禹敚瑒t高度為巷道高度3.75m，直徑為0.6m，長細比為6.25。查閱軸心受壓構(gòu)件計算方法，構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)φ=1。支護體的承載能力計算公式如下所示：

N2=0.9φ×Afc

式中，N2為支護體承載能力，kN；φ為穩(wěn)定系數(shù)；A為支護體截面面積，m2；fc為混凝土軸心抗壓強度，C25時為11.9N/mm2。

N2=0.9×1×0.09π×11.9×103=3026.65kN

經(jīng)計算，一根柔模混凝土支柱的承載能力為3026.65kN。

計算支護體荷載是以兩個相鄰混凝土柱這一部分為計算模型的，當(dāng)為連續(xù)的巷道時，一根柔?；炷林е某休d能力為3026.65kN，大于這部分巖塊的支護荷載2557.63kN。因此滿足巷旁支護穩(wěn)定性。

3.3 柔?；炷潦┕すに囘^程

混凝土支柱施工具體工藝包括打短錨桿、懸掛充填袋、泵注、接頂，具體施工參數(shù)及現(xiàn)場施工如下：

1)補打懸掛充填袋所需的短錨桿：每根支柱需4根錨桿，位于支柱位置正上方，間排距700mm×700mm，錨桿外露150mm左右。

2)懸掛充填袋：用馬蹄環(huán)將充填袋懸掛在補打的短錨桿上，懸掛完成后控制袋子底部距底板100～150mm左右。

3)澆注混凝土支柱：由采空區(qū)側(cè)開始澆注，一根全部澆注完成后再進行下一根的澆注。

4)接頂：支柱初凝后拆除馬蹄環(huán)，在支柱與頂板之間預(yù)留20～30cm的空間放入接頂充填袋，每兩根一組進行接頂注漿。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

檸條塔S1201-Ⅱ工作面柔?；炷林鶓?yīng)用前后。對其巷道圍巖變形情況進行了監(jiān)測，在采用擋矸支架作為巷旁支護時，在滯后工作面150m范圍內(nèi)，圍巖變形處于不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)滯后工作面150m以外時，圍巖變形基本穩(wěn)定。在工作面推進到840m時，從切眼位置逐步利用柔?；炷林鎿Q擋矸支架，替換前后圍巖變形基本保持穩(wěn)定，說明柔?；炷林軌蚝芎玫卮鎿蹴分Ъ埽瑫r柔模對混凝土的約束作用能提高混凝土柱的承載能力，從而保證巷旁支護的穩(wěn)定性。

圖4 保留的擋矸支架受力圖

為了保證利用柔?；炷林鎿Q擋矸支架(切頂支架)的安全性，同時由于柔?；炷林氖芰η闆r不容易測量，為了便于觀測其受力情況，采用從距離開切眼10m處開始，每隔20m保留一個擋矸支架(切頂支架)。隨著柔?；炷林鎿Q擋矸支架(切頂支架)，分別記錄了10m處和30m處的擋矸支架(切頂支架)的受力情況，如圖4所示，從而推測出柔?；炷林氖芰η闆r。從其所留的擋矸支架(切頂支架)的受力情況可知，當(dāng)用柔?；炷林鎿Q掉擋矸支架(切頂支架)后，在替換后的40m內(nèi)，所留擋矸支架壓力有所上升，最大達到28MPa，但在替換后的60m外，所留擋矸支架壓力達到穩(wěn)定值8MPa。通過對所留擋矸支架受力分析可推之柔模混凝土柱也是類似的受力情況。從而可以說明，利用柔模混凝土柱替換擋矸支架，可以滿足巷道穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

1)柔?；炷林ёo技術(shù)具有自成型、支模速度快、工藝簡單、造價低等優(yōu)點，并從初期成本角度考慮，檸條塔S1201-Ⅱ工作面決定初期利用擋矸支架作為巷旁支護，待圍巖穩(wěn)定后，用柔?；炷林ёo技術(shù)代替擋矸支架。充分利用了兩者的優(yōu)點，避開其缺點，使巷旁支護得到合理的優(yōu)化。既節(jié)約了留巷成本，又保證了留巷安全性和留巷質(zhì)量，對其他礦區(qū)留巷技術(shù)提供借鑒。

2)柔?；炷林O(shè)計為直徑600mm，柱間距為3000mm，采用混凝土強度等級為25MPa。利用“分離巖塊法”對混凝土柱支護建立了力學(xué)模型，并進行了承載力驗算，滿足巷道穩(wěn)定性要求。并闡述了柔?；炷林氖┕すに囘^程。

3)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，在滯后工作面150m內(nèi)，巷道圍巖屬于不穩(wěn)定變化區(qū)，在滯后工作面150m外，巷道圍巖基本穩(wěn)定。利用柔模混凝土柱代替擋矸支架后，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)和成巷效果，巷道圍巖變形基本穩(wěn)定，留巷效果很好。