張智強(qiáng)，趙浩亮，曹新云，曹曉凡，3

(1.陜西開拓建筑科技有限公司，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 煤礦支護(hù)研發(fā)中心，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)煤礦安全高效生產(chǎn)提出了新的要求，采煤沿空留巷技術(shù)的不斷發(fā)展完善，大大的提高了礦井安全生產(chǎn)和礦井技術(shù)效益[1-7]。近年來(lái)隨著柔?；炷裂乜樟粝锛夹g(shù)發(fā)展成熟，其施工簡(jiǎn)單，地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，價(jià)格低廉等各種優(yōu)點(diǎn)受到了國(guó)內(nèi)許多礦井的高度肯定，并進(jìn)行了廣泛應(yīng)用，也得到了較多的科學(xué)應(yīng)用性成果[8-13]。2018年賈牛駿等進(jìn)行了柔?；炷裂乜樟粝镞^(guò)陷落柱支護(hù)技術(shù)研究，工程檢驗(yàn)表明：在陷落柱影響段柔模混凝土沿空留巷施工速度快，留巷效果好，采空區(qū)封堵嚴(yán)實(shí)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景[14]。2019年劉輝等進(jìn)行了厚煤層無(wú)煤柱自成巷柔?；炷林ёo(hù)技術(shù)實(shí)踐，實(shí)踐結(jié)果表明：留巷效果好，減少了初期投入成本，取得了巨大的收益[15]。2019年李曉白等進(jìn)行了6m大采高沿空留巷巷旁支護(hù)研究，重點(diǎn)設(shè)計(jì)研究了巷旁支護(hù)參數(shù)、底板加固參數(shù)、臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)，研究結(jié)果參數(shù)合理，效果良好，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景[16]。2020年高登云等進(jìn)行了神東礦區(qū)無(wú)煤柱開采關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究，有效提高了掘進(jìn)效率，緩解了接續(xù)緊張，保證了頂板安全[17]。2020年王俊峰等進(jìn)行了窄柔模墻體沿空留巷圍巖偏應(yīng)力演化與控制研究并實(shí)踐，現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐表明，沿空留巷圍巖控制效果良好[18]。2021年李紅雷等進(jìn)行雙巷掘進(jìn)柔模混凝土無(wú)煤柱開采技術(shù)應(yīng)用研究，不僅解決了礦井掘進(jìn)及回采過(guò)程中瓦斯超限難題，避免了井下煤柱的應(yīng)力集中，而且實(shí)現(xiàn)了區(qū)段無(wú)煤柱開采，提高了煤炭的采出率，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景[19]。2021年周宏范等進(jìn)行深部復(fù)雜條件下切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱開采技術(shù)應(yīng)用研究，最終留巷效果良好[20]。

雖然現(xiàn)階段柔?；炷裂乜樟粝锛夹g(shù)發(fā)展成熟，并且取得了較多成果，但就目前資料來(lái)看：隨著國(guó)內(nèi)外在一次采全高沿空留巷技術(shù)漸漸成熟，特厚煤層分層開采底分層沿空留巷技術(shù)尚不多見。因此白芨溝煤礦根據(jù)以往柔?；炷裂乜樟粝锛夹g(shù)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了特厚煤層分層開采柔?；炷裂乜樟粝锛夹g(shù)研究，在加固小煤柱基礎(chǔ)上，首次使用了柔模混凝土雙墻留巷技術(shù)，該研究對(duì)厚煤層及特厚煤層沿空留巷技術(shù)有重大意義。

1 工程概況

白芨溝煤礦目前開采的二3煤層為特厚煤層，煤層總厚度13～18m，二3煤層平均厚度為12.6m，埋深135m，煤質(zhì)堅(jiān)硬，分層厚度3.2m，共分五層進(jìn)行開采。0102402工作面走向長(zhǎng)度1252m，傾向長(zhǎng)度227m，根據(jù)礦方采掘計(jì)劃，該工作面回采至距終采線660m位置處進(jìn)行沿空留巷，留巷段工作面走向長(zhǎng)度660m，煤層厚度3.2m。工作面頂板為該區(qū)段3分層回采采空區(qū)，底板為該區(qū)段尚未進(jìn)行開采的5分層，工作面運(yùn)輸巷副幫為留設(shè)的9m小煤柱。

0102402綜采工作面西到0102402回風(fēng)巷，東到0102402運(yùn)輸巷，北到0102402工作面設(shè)計(jì)終采位置，其中回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷沿走向布置。0102103工作面布置于0102402工作面東部，在010203區(qū)段開采過(guò)程中，受采動(dòng)壓力和全負(fù)壓通風(fēng)的影響，工作面四周遺留煤柱和采空區(qū)內(nèi)的瓦斯將會(huì)大量涌入工作面。因此為了治理瓦斯，并減少煤炭資源損失，將0102402工作面回風(fēng)巷進(jìn)行沿空留巷保留下來(lái)，作為瓦斯抽放巷抽采010203區(qū)段瓦斯，以減少區(qū)段煤柱損失。

礦方原計(jì)劃通過(guò)留設(shè)小煤柱保留住0102402工作面后段660m巷道，讓其作為010203工作面5個(gè)分層的瓦斯治理巷，在0102103回風(fēng)巷掘進(jìn)完成后，受0102402工作面回采超前回采壓力影響，0102103回風(fēng)巷變形嚴(yán)重，故由此提出特厚煤層分層開采底分層沿空留巷技術(shù)研究。0102402工作面留巷段巷道布置如圖1所示。

圖1 沿空留巷段巷道布置

2 特厚煤層沿空留巷巷道布置

2.1 原巷道支護(hù)情況

0102402工作面巷道采用梯形斷面，頂凈寬為3200mm，底凈寬為4628mm；凈高為3200mm，凈斷面積為12.5m2。支護(hù)形式為梯形金屬支架對(duì)棚支護(hù)。3424(梁) mm×3452(腿)mm，均為11#礦用工字鋼。巷道支護(hù)如圖2所示。

圖2 巷道支護(hù)方式(mm)

2.2 巷道布置形式

010202工作面分層開采，運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷巷道布置方式為重疊式，如圖3所示。根據(jù)礦方有關(guān)技術(shù)方案，在0102402工作面運(yùn)輸巷與0102103工作面回風(fēng)巷留設(shè)小煤柱，煤柱中對(duì)中尺寸9m，煤柱凈寬5m。因0102103工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)程中變形嚴(yán)重，故在沿空留巷期間需要對(duì)小煤柱進(jìn)行加固支護(hù)。

圖3 沿空留巷巷道布置

3 沿空留巷支護(hù)技術(shù)研究

3.1 小煤柱加固支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1.1 小煤柱加固前巷道形變情況

根據(jù)0102103工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)后小煤柱側(cè)巷道受力情況，0102402工作面運(yùn)輸巷小煤柱側(cè)巷道煤柱塑性較大，鋼梁彎曲，煤體外鼓，巷道形變難以控制，0102103工作面回風(fēng)巷現(xiàn)場(chǎng)形變?nèi)鐖D4(a)所示，0102402工作面運(yùn)輸巷現(xiàn)場(chǎng)形變?nèi)鐖D4(b)所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)巷道變形情況

3.1.2 巷道形變機(jī)理分析

由于分層工作面局部地段回采巷道圍巖周邊變形的不規(guī)則性和非均勻性，對(duì)于棚架式支架來(lái)說(shuō)，造成了支架受力條件惡化，例如側(cè)向壓力引起拱頂向上彎曲，棚腿折損，頂部壓力使拱頂壓平等。井下實(shí)際使用過(guò)程中，由于受巷道掘進(jìn)和支護(hù)工藝的限制，掘進(jìn)形成的巷道斷面難以形成與支架在周邊緊密接觸的形狀，不可避免地在支架背后形成壁后空間，使支架與圍巖間形成不同尺寸的空隙及不規(guī)則的點(diǎn)線接觸，造成支架的支撐能力長(zhǎng)期得不到充分發(fā)揮；同時(shí)巷道圍巖變形的不均勻性和不規(guī)則性，使支架受到不均勻的集中載荷和偏心載荷作用，惡化支架的受力狀況。使得巷內(nèi)棚式支架實(shí)際支護(hù)阻力遠(yuǎn)低于理論計(jì)算最大值，支架所具有的承載能力不能充分發(fā)揮，低阻力或不受限制的圍巖變形和破壞又將使支架受到不均勻的動(dòng)載荷的作用，加速支架或支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形破壞；另外，壁后空間的存在使巷道圍巖松動(dòng)圈范圍擴(kuò)大，圍巖穩(wěn)定性降低，變形量增大。

當(dāng)小煤柱留巷巷道受到多次采動(dòng)壓力時(shí)，巷道水平變形量會(huì)非常大，若小煤柱側(cè)巷道沒(méi)用支護(hù)手段約束，小煤柱側(cè)巷道水平變形更多的將涌向巷道，造成留巷巷道有效斷面不能滿足使用要求，導(dǎo)致留巷失敗。

3.1.3 支護(hù)方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及煤柱受力分析，針對(duì)小煤柱側(cè)支護(hù)提出兩種支護(hù)方案。

1)方案一：小煤柱煤壁采用“混凝土單墻+錨索”聯(lián)合支護(hù)。柔模墻體為上寬500mm，下寬1000mm的梯形墻，強(qiáng)度C30；距離頂板500mm位置處打設(shè)?21.6mm×4500mm錨索一根，距頂板1500mm、2500mm處打設(shè)?21.6mm×5000mm錨索各一根，錨索排距1000mm，采用3節(jié)MSZ2370型樹脂錨固劑，錨索采用雙托盤布置，即先向煤壁打設(shè)錨索并施加預(yù)計(jì)力，后錨索外漏部分穿過(guò)柔模墻體，施加第二層托板，形成“柔?；炷翂w+錨索”聯(lián)合支護(hù)。小煤柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案如圖5所示。

圖5 方案一小煤柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)(mm)

2)方案二：小煤柱煤壁采用 “錨網(wǎng)索+工字鋼梁”聯(lián)合支護(hù)。錨索采用“二·三·二·三”布置方式，錨索規(guī)格?21.96mm×6000mm，間排距1.6m×1.6m，相對(duì)應(yīng)的兩排錨索采用走向11#工字鋼梁作為托盤打設(shè)，每排打設(shè)4根錨桿，規(guī)格?20mm×2400mm，間排距800mm×750mm，每排錨桿配1根鋼筋梯，規(guī)格?14mm×2800mm，鋼筋梯寬度80mm，巷內(nèi)靠小煤柱側(cè)補(bǔ)打單體，間排距500mm×1000mm，具體支護(hù)方案如圖6所示。

圖6 方案二小煤柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)(mm)

3.2 巷旁支護(hù)設(shè)計(jì)研究

本設(shè)計(jì)采用“給定荷載計(jì)算法”和“分離巖塊法”兩種方法，對(duì)留巷巷旁支護(hù)體支承載荷進(jìn)行分析計(jì)算。

3.2.1 給定載荷計(jì)算法

分層開采沿空留巷底分層留巷巷內(nèi)支護(hù)體處于“給定載荷”工作狀態(tài)，根據(jù)留巷上覆巖層活動(dòng)規(guī)律，建立確定支護(hù)體載荷的計(jì)算模型，如圖7所示。圖中，Ⅰ為巷道上方的“再生”巖層，其高度為中分層冒落帶巖層重新壓實(shí)的高度，這部分巖石以倒梯形狀作用于巷道頂板上。Ⅱ?yàn)橹蟹謱娱_采后裂隙帶下位巖層，隨著底分層開采，冒落高度增加，這部分巖層失去了相互聯(lián)系，將其自重通過(guò)拱作用于留巷頂板上。

圖7 底分層沿空留巷荷載計(jì)算模型

留巷巷道頂板的載荷P，也即巷旁支護(hù)體柔模墻體載荷P為：

P=P1+P2

(1)

式中，P1為Ⅰ部分巖層的容重，kN/m；P2為Ⅱ部分巖層的容重，其值為底分層開采后留巷上方原中分層裂隙帶轉(zhuǎn)化為冒落帶的巖重，kN/m。

P2=B′×(H′-H-h)×V/B

(3)

式中，B為巷道寬，m；B′為倒梯形的上部邊界寬，m；H為中分層開采后冒落帶壓實(shí)后的高度，可由試驗(yàn)獲得或按式(6)選取，m；V為“再生”巖層容重，kN /m；H′為底分層開采后的冒落帶高度，可依試驗(yàn)或按式(6)選取，m；h為巷道高度，m。

B′=B+2HcotT

(4)

通過(guò)計(jì)算，給定載荷計(jì)算法得出巷旁支護(hù)最大采動(dòng)支護(hù)壓力為2.31MPa。

3.2.2 分離巖塊法

該方法的理論依據(jù)是沿空巷道和支護(hù)體上方一定范圍內(nèi)分離巖塊的重量構(gòu)成了支護(hù)體載荷，沿空留巷力學(xué)模型如圖8所示。通過(guò)式(7)計(jì)算，分離巖塊法計(jì)算得出巷旁支護(hù)最大采動(dòng)支護(hù)壓力為4.38MPa。

式中，q為支護(hù)體載荷，MPa；h為采高，m；θ為剪切角，(°)；bB為支護(hù)體內(nèi)側(cè)到煤壁的距離，本次支護(hù)中支護(hù)體左側(cè)邊緣在巷道內(nèi)，m；x為支護(hù)體的寬度，m；bC為支護(hù)體外側(cè)懸頂距，由于頂板為假頂，工作面隨采隨冒，該距離取為0m；γs為巖塊重度，按上覆巖體平均重度22kN/m3計(jì)算；α為煤層傾角，(°)。

圖8 沿空留巷力學(xué)模型

通過(guò)兩種計(jì)算方法得出沿空留巷墻體上的計(jì)算荷載均較小，但沿空留巷墻體在本次留巷后還要經(jīng)歷多次動(dòng)壓影響，同時(shí)分層開采沿空留巷尚無(wú)成熟經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，為安全起見，暫定混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度C30，柔?；炷梁穸热?m，實(shí)際施工后根據(jù)墻體礦壓觀測(cè)情況進(jìn)行優(yōu)化。具體沿空留巷設(shè)計(jì)方案如下：

1)方案一：“柔?；炷岭p墻+工字鋼棚”。設(shè)計(jì)留巷凈寬2.2m，高度3.2m，凈斷面7.04m2，采用“柔?；炷岭p墻+工字鋼”進(jìn)行沿空留巷。回風(fēng)巷下幫(回采側(cè))巷旁采用柔?；炷林ёo(hù)，柔?；炷翂w厚度1m，設(shè)計(jì)強(qiáng)度C30，澆筑于采空區(qū)；上幫(煤壁側(cè))采用柔?；炷撂菪螇w支護(hù)，柔?；炷翂w上寬0.5m，下寬1.0m，設(shè)計(jì)強(qiáng)度C30，緊貼煤壁澆筑。小煤柱側(cè)支護(hù)按小煤柱加固方案一所提及的加固方案執(zhí)行，即小煤柱側(cè)采用錨索配合柔?；炷翂w支護(hù)。留巷時(shí)原有巷內(nèi)支設(shè)的工字鋼頂梁保留，在靠回采側(cè)打設(shè)單體支撐工字鋼梁，同時(shí)在上幫、下幫墻體頂部另外支設(shè)11#工字鋼梁，長(zhǎng)度4.2m，排距0.8m，與墻體共同承載。 回采時(shí)在回風(fēng)巷下幫預(yù)澆墻處沿工作面傾向(向機(jī)頭方向)鋪設(shè)頂網(wǎng)，鋪網(wǎng)寬度5m，進(jìn)行擋矸護(hù)頂，金屬網(wǎng)為8#鉛絲編織菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm，雙層鋪設(shè)。沿空留巷斷面支護(hù)如圖9所示。

圖9 方案一沿空留巷支護(hù)(mm)

2)方案二：“柔?；炷羻螇?單體+工字鋼”。設(shè)計(jì)留巷凈寬2.7m，高度3.2m，凈斷面8.64m2，采用“柔?；炷羻螇?工字鋼+單體支柱”進(jìn)行沿空留巷?；仫L(fēng)巷下幫(回采側(cè))巷旁采用柔?；炷林ёo(hù)，柔模混凝土墻體厚度1m，設(shè)計(jì)強(qiáng)度C30，澆筑于巷內(nèi)；上幫采用單體支護(hù)，排距0.8m，巷道在服務(wù)期限內(nèi)單體不回撤。小煤柱側(cè)支護(hù)按小煤柱加固方案二所提及的加固方案執(zhí)行，即小煤柱側(cè)采用錨網(wǎng)索配合工字鋼梁支護(hù)。留巷時(shí)原有巷內(nèi)支設(shè)的工字鋼頂梁保留，同時(shí)在上幫、下幫墻體頂部另外支設(shè)11#工字鋼梁，長(zhǎng)度4.2m，排距0.8m，與墻體共同承載； 回采時(shí)在回風(fēng)巷下幫預(yù)澆墻處沿工作面傾向(向機(jī)頭方向)鋪設(shè)頂網(wǎng)，鋪網(wǎng)寬度5m，進(jìn)行擋矸護(hù)頂，金屬網(wǎng)為8#鉛絲編織菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm，雙層鋪設(shè)。沿空留巷斷面支護(hù)如圖10所示。

圖10 方案二沿空留巷支護(hù)(mm)

3.3 臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)

沿空留巷實(shí)施時(shí)超前工作面30m對(duì)回風(fēng)巷進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，巷中打設(shè)單體進(jìn)行支護(hù)。滯后工作面利用澆筑柔模墻體的單體進(jìn)行支護(hù)，滯后支護(hù)暫定100m后回撤單體。滯后支護(hù)長(zhǎng)度根據(jù)留巷后頂板壓力觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。方案一和方案二沿空留巷臨時(shí)支護(hù)如圖11所示。

圖11 沿空留巷臨時(shí)支護(hù)(mm)

4 方案比選及工業(yè)應(yīng)用

4.1 方案比選

1)方案一：柔?；炷岭p墻結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)分析。①煤柱側(cè)超前補(bǔ)打錨索并泵注柔?；炷林ёo(hù)，采用泵注施工，緊跟回采工作面澆筑采空區(qū)側(cè)泵注速度快，不影響工作面生產(chǎn)；②柔?；炷翂w支護(hù)強(qiáng)度高，支護(hù)阻力大，保證留巷空間安全可靠；采用雙柔模墻體支護(hù)，支護(hù)材料費(fèi)用及人工費(fèi)用較方案二高。

2)方案二：柔?；炷羻螇Y(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)分析。①煤柱側(cè)超前補(bǔ)打錨桿、錨索支護(hù)，同時(shí)補(bǔ)打雙排單體支護(hù)，采用泵注施工，緊跟回采工作面澆筑采空區(qū)側(cè)柔模墻體，泵注速度快，不影響工作面生產(chǎn)；②小煤柱側(cè)采用錨桿錨索支護(hù)，小煤柱受應(yīng)力作用發(fā)生塑性破壞后，煤柱側(cè)支護(hù)強(qiáng)度會(huì)大大減小，無(wú)法滿足保證巷道能夠承受4次采動(dòng)壓力影響；采空區(qū)側(cè)采用柔?；炷羻螇χёo(hù)，支護(hù)材料及人工成本低。

綜合上述技術(shù)、安全、經(jīng)濟(jì)因素及礦方實(shí)際工程情況，推薦選用方案一作為0102402工作面運(yùn)輸巷沿空留巷實(shí)行方案，留巷過(guò)程中根據(jù)留巷情況進(jìn)行支護(hù)方案的優(yōu)化改進(jìn)。

4.2 工業(yè)應(yīng)用

目前已在白芨溝煤礦厚煤層分層開采四分層應(yīng)用柔?；炷裂乜樟粝锊⒁秧樌粝锿戤?，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)留巷情況可以看出，頂?shù)装逍巫兞繙p小，巷道采空區(qū)側(cè)頂板圍護(hù)較好，頂板鋼梁形變量小，整體留巷效果好，但仍有部分巷道有不同程度的底鼓現(xiàn)象。隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，留巷巷道滯后工作面基本穩(wěn)定，同時(shí)隨著作業(yè)人員對(duì)施工工藝的逐漸熟悉與完善，以及對(duì)前幾階段留巷問(wèn)題的改進(jìn)及優(yōu)化，最終特厚煤層分層開采雙柔模墻沿空留巷設(shè)計(jì)應(yīng)用效果良好。

5 結(jié) 論

1)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，分析小煤柱變形機(jī)理，提出兩種小煤柱支護(hù)方案，選用柔?；炷翂w配合錨索支護(hù)進(jìn)行小煤柱加固，通過(guò)工程應(yīng)用，留巷巷道滿足礦方使用要求。

2)提出了“柔?；炷岭p墻+工字鋼棚”和“柔?；炷羻螇?單體+工字鋼”沿空留巷設(shè)計(jì)方案，根據(jù)“給定荷載計(jì)算法”和“分離巖塊法”計(jì)算，通過(guò)對(duì)比分析最終采用“柔模混凝土雙墻+工字鋼棚”留巷方案，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)留巷效果可以看出，頂板鋼梁形變量小，頂?shù)装逍巫兞繙p小。