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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(北京) 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083)

沿空留巷技術是目前礦井普遍采用的無煤柱開采技術之一[1-3]。沿空留巷的核心技術是采用一定的巷內(nèi)支護技術和巷旁支護技術將上一區(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、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)高效礦井建設起到一定的推動作用。且該技術理論成熟，施工簡單方便，不影響綜采工作面的正?；夭伤俣?，能有效減少采空區(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之一[6]。但由于目前的沿空留巷技術的巷內(nèi)支護仍采用剛性支護，不能適當讓壓，易發(fā)生大變形導致支護材料失去強度。而巷旁支護技術支護強度低且不能及時支護，充填系統(tǒng)施工復雜，充填成本較高，留巷速度慢，且接頂效果差，漏風嚴重，整體安全性差等[7]。同時沿空留巷技術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、不留設煤柱的新技術。在一邊采煤的同時，一邊形成巷道，應用一系列的關鍵工藝和裝備將形成的巷道保留[8]。該技術在陜西檸條塔礦S1201-II工作面成功試驗，取得了良好的應用效果。

留巷過程中，沿空留巷巷旁支護技術由木垛、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王曉利教授課題組研發(fā)了柔?；炷林ёo技術，柔?；炷林ёo技術具有工藝簡單、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?；炷林鎿Q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在檸條塔S1201-II工作面應用效果顯著，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留設巷道，預留設長度為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)場考慮了目前應用比較廣泛的柔?；炷料锱灾ёo技術，并對柔?；炷林ёo技術與擋矸支架支護技術的優(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?；炷林脑O計與施工

3.1 柔模混凝土柱布置方式及參數(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，柔模混凝土柱泵送后，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 柔模混凝土支柱承載力驗算

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；柔模混凝土支柱受壓時是中心受壓。

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?，?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?；炷林е某休d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 柔模混凝土施工工藝過程

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)場應用效果

檸條塔S1201-Ⅱ工作面柔?；炷林鶓们昂?。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?，同時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，同時由于柔模混凝土柱的受力情況不容易測量，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)。隨著柔模混凝土柱替換擋矸支架(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，當用柔模混凝土柱替換掉擋矸支架(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?；炷林彩穷愃频氖芰η闆r。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)留巷技術提供借鑒。

2)柔模混凝土柱設計為直徑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?；炷林鎿蹴分Ъ芎?，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。