申玉三 ，武 凱 ，張 濤 ，黃萬朋 ，王 軍 ，董勤凱 ，夏志村

（1.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.臨礦集團(tuán)魯西煤礦，山東 濟(jì)寧 273512；3.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100）

沿空留巷作為一種無煤柱護(hù)巷方式，在減少巷道掘進(jìn)量、緩解礦井采掘接替緊張等方面具有很大的優(yōu)勢。在沿空留巷技術(shù)中，巷旁支護(hù)體主要起到支撐上覆圍巖與隔離采空區(qū)的作用，是沿空留巷技術(shù)成功與否的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，我國煤礦井下常用的巷旁支護(hù)體有：密集單體支柱、矸石墻、充填體墻等[1-2]。根據(jù)充填材料不同，巷旁充填體墻又包括高水速凝材料充填體墻、膏體材料充填體墻、柔模充填體墻和快硬混凝土充填體墻等[3-8]。上述巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)在特定的工程條件下均取得過一定的成功應(yīng)用，并得到了一些重要的成果；但同時也存在支護(hù)阻力不高、留巷工藝復(fù)雜等一系列問題[4,9]，不能實現(xiàn)高應(yīng)力條件下的高效沿空留巷工程。針對上述問題，近幾年又發(fā)展了鋼管混凝土墩柱沿空留巷技術(shù)，該技術(shù)具有承載力高、成本低、施工工藝簡單、留巷速度快的特點。黃萬朋[10]等在鋼管混凝土墩柱結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出了1種“鋼管混凝土支柱＋柔性墊層”的新型沿空留巷巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)，研究了其力學(xué)性能，推導(dǎo)出支護(hù)阻力運算公式。王軍[11]等給出了巷旁支護(hù)體支護(hù)阻力與合理壓縮量計算公式，提出了1種鋼管混凝土墩柱與矸石墻相結(jié)合的沿空留巷技術(shù)，并進(jìn)行了墩柱承載能力實驗。

在上述研究的基礎(chǔ)上，建立了以鋼管混凝土墩柱為巷旁支護(hù)承載主體的新型沿空留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)，為深部高應(yīng)力礦井提供了1種快速有效地沿空留巷支護(hù)方案。相比與傳統(tǒng)的巷旁支護(hù)體，鋼管混凝土墩柱巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)具有支護(hù)強(qiáng)度大、經(jīng)濟(jì)效益好、安全高效的優(yōu)點。通過現(xiàn)場工程應(yīng)用，設(shè)計了具體的施工工藝流程，為深部高應(yīng)力礦井提供一種安全高效的沿空留巷支護(hù)技術(shù)。

1 工程地質(zhì)概況

魯西煤礦當(dāng)前南翼采區(qū)資源儲量已十分有限，北翼采區(qū)由于地質(zhì)勘探情況不詳，以及開拓工程量較大等制約因素，嚴(yán)重影響了整個礦井的生產(chǎn)接續(xù)；如何提高煤炭采出率、降低煤層開采中的萬噸掘進(jìn)率、協(xié)調(diào)好礦井的采掘接續(xù)關(guān)系已成為當(dāng)下魯西煤礦所面臨的重要問題。因此尋找1種能夠在深部高應(yīng)力礦井快速有效地沿空留巷支護(hù)方式已成為魯西煤礦解決當(dāng)前自身問題的首選。

1.1 預(yù)留巷道情況

魯西煤礦3下A02工作面位于-300水平，標(biāo)高-243.4～-287.3 m。工作面平均走向長778 m，傾斜長122 m。東部為3下A05工作面（未采），西部臨A03工作面（采空區(qū)），工作面布置和支護(hù)情況如圖1。工作面開采3下煤層，平均煤厚2.09 m，平均傾角4°。擬留巷道為工作面軌道巷，該巷道斷面為矩形，寬3.8 m，高2.6 m。巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)形式作為永久支護(hù)，頂部選用樹脂錨桿配金屬網(wǎng)支護(hù)，兩幫為全螺紋錨桿配金屬網(wǎng)支護(hù)；兩幫錨桿間排距900 mm×1 000 mm，最上排錨桿角度上仰15°，最下排錨桿角度下俯15°；頂部錨桿間排距800 mm×900 mm，兩側(cè)錨桿向幫部外偏15°。巷道為加強(qiáng)支護(hù)特采用直徑為17.8 mm，長6.5 m的錨索，支護(hù)錨索為2 m 1根，當(dāng)頂板破碎時加強(qiáng)為1 m 1根。

1.2 工作面圍巖結(jié)構(gòu)

根據(jù)圍巖柱狀圖分析，3下煤層頂板主要為粉砂巖、細(xì)粒砂巖、泥巖為主。其中直接頂為3.7 m厚的粉砂巖，硬度系數(shù)f＝4～6；直接頂與煤層之間間雜賦存不穩(wěn)定的偽頂結(jié)構(gòu)，巖性為泥巖，厚度0～3.25 m，平均厚度1.15 m，硬度系數(shù)f＝3～4；基本頂為11.59 m的細(xì)粒砂巖，硬度系數(shù)f＝4～6。根據(jù)圍巖結(jié)構(gòu)情況分析，A02工作面上覆巖層組成結(jié)構(gòu)較為簡單，覆巖組合結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，巖層穩(wěn)定，有利于沿空留巷工程實施，具體圍巖情況見表1。

圖1 工作面布置及留巷斷面

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2 鋼管混凝土墩柱沿空留巷技術(shù)方案

2.1 技術(shù)簡介

針對魯西煤礦A02工作面工程地質(zhì)條件，設(shè)計的具體留巷技術(shù)方案為：采用鋼管混凝土墩柱作為主要巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)對頂板進(jìn)行有效支撐；在墩柱上方預(yù)留一定空間增加木楔作為柔性讓壓墊層；采用菱形網(wǎng)+風(fēng)筒布+矸石袋作為采空區(qū)的隔離措施，以防止瓦斯等有害氣體和矸石進(jìn)入預(yù)留巷道。在工作面推進(jìn)的過程中，為給后方架設(shè)墩柱留有充分的時間和空間，保證巷道內(nèi)圍巖的完整，預(yù)設(shè)計在巷道貼近煤壁側(cè)打1排控頂錨索，將直接頂懸吊在上方堅硬穩(wěn)定的巖層內(nèi)；在頂板巖層活動劇烈期間，臨時增設(shè)單體液壓支柱加強(qiáng)支護(hù)，本方案巷內(nèi)加強(qiáng)措施為使用4排單體液壓支護(hù)進(jìn)行輔助支護(hù)[12]。沿空留巷巷旁支護(hù)布置如圖2。

2.2 沿空留巷巷旁支護(hù)參數(shù)設(shè)計

2.2.1 墩柱設(shè)計的選型

圖2 沿空留巷巷旁支護(hù)布置方案

沿空留巷圍巖受力與變形受到上覆巖層運動的影響，在懸頂狀態(tài)下，上覆巖層進(jìn)行回轉(zhuǎn)、破斷及擾動等一系列運動，使得巷旁支護(hù)主體既需要足夠的強(qiáng)度切斷足夠高度的頂板，又需要足夠的變形能力適應(yīng)基本頂?shù)南鲁羀13-15]。根據(jù)巷道圍巖結(jié)構(gòu)及力學(xué)計算分析，得到鋼管混凝土墩柱所需提供的最小支護(hù)阻力為4 220 kN。根據(jù)對巷旁支護(hù)阻力計算需求，同時參考鋼管混凝土墩柱理論計算與實際測試極限承載力，選擇Q235等級的管材以及φ299 mm的管徑的鋼管配合C40等級的混凝土組合的鋼管混凝土支柱，通過對該組合短柱的實驗測試，得到該短柱極限承載力為6 700 kN；結(jié)合現(xiàn)場巷道的具體寬度、高度，結(jié)合預(yù)留讓壓距離，得出在當(dāng)前巷道需要高度為2.8 m支柱。由于沿空留巷所用支護(hù)屬于長柱范疇，需要考慮偏心受壓以及長細(xì)比折減系數(shù)，根據(jù)折減系數(shù)計算，最終確定取0.78的折減系數(shù)[16]，求出墩柱極限承載力能達(dá)到5 226 kN，確定鋼管混凝土選型符合現(xiàn)場實際支護(hù)要求。

2.2.2 墩柱布置

根據(jù)巷道圍巖結(jié)構(gòu)及力學(xué)計算分析，得到采用1排鋼管混凝土支柱即可滿足巷旁支護(hù)阻力的要求，為了達(dá)到最優(yōu)的巷旁支護(hù)效果，并有效降低支護(hù)材料的成本，設(shè)計相鄰支柱的中心間距為600 mm?！敖o定變形”位態(tài)下，基本頂在巷道的實體煤側(cè)斷裂，假設(shè)基本頂以煤體彈塑性交界面處為旋轉(zhuǎn)軸斷裂[5,17-19]，鋼管混凝土墩柱巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)對基本頂鉸接巖梁實行“給定變形”[20]的位態(tài)控制，因此鋼管混凝土支柱與頂板間預(yù)留200～300 mm的讓壓空間，以楔形木墊塊進(jìn)行填充，允許基本頂巖梁進(jìn)行適量的彎曲下沉，從而對覆巖頂板進(jìn)行有效讓壓，提高巷旁支護(hù)效果。墩柱布置如圖3。

2.2.3 控頂錨索與隔離措施

圖3 墩柱布置

在工作面推進(jìn)過程中，由于自移式液壓支架等機(jī)械設(shè)備的影響，會造成巷道頂板在鋼管支柱尚未支起時出現(xiàn)塌落、破碎等危險。為防止巷道頂板破碎、塌落，在工作面前20 m靠煤壁側(cè)（100～200 mm）補打1排加強(qiáng)錨索，錨索間距為1 250 mm，長度為6 500 mm，每2根錨索共用1段錨索梁，錨索梁長度為1 500 mm，鎖孔距梁端頭125 mm，單排設(shè)置；為了防止采空區(qū)垮落矸石以及瓦斯進(jìn)入預(yù)留巷道內(nèi)，在相鄰支柱間采用鐵絲網(wǎng)+風(fēng)筒布+矸石袋等措施對采空區(qū)進(jìn)行隔離?？仨斿^索具體布置如圖4。

圖4 控頂錨索布置

2.2.4 巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)措施

在經(jīng)歷一次采動影響階段時，沿空留巷圍巖受力與變形受到上覆巖層運動的影響，要求所留巷道中的支護(hù)體必須快速增阻，進(jìn)而保持恒阻的工作狀態(tài)[17-20]。而鋼管混凝土墩柱前期因為尚未注漿或漿液結(jié)實性不夠以及此時墩柱受力時是其上方的木楔塊先讓壓壓縮，支護(hù)阻力較小等原因不能完全滿足巷道支護(hù)的要求，因此才增加巷內(nèi)的單體液壓支柱進(jìn)行臨時加強(qiáng)支護(hù)。單體液壓支柱在滯后工作面50 m的范圍內(nèi)使用一梁三柱形式，排間距為800 mm，同時在煤壁一側(cè)立1排單體液壓支柱，共4排單體液壓支柱進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)；在滯后工作面50～100 m的范圍內(nèi)，使用3排單體液壓支柱的方式進(jìn)行支護(hù)。單體液壓支柱布置如圖5。

3 現(xiàn)場施工工藝

圖5 單體液壓支柱布置

鋼管混凝土墩柱沿空留巷施工過程中，主要包括以下幾個步驟：安裝控頂錨索、掛鐵絲網(wǎng)、架設(shè)墩柱、墩柱灌注、安放矸石袋、架設(shè)單體等。具體施工流程如圖6。

圖6 施工工藝流程

3.1 控頂錨索的施工

錨索的位置為靠近采空區(qū)側(cè)，在離預(yù)留巷道上幫200 mm處打1排φ18 mm×8 000 mm錨索，錨索梁長度1 500 mm，鎖孔距梁端頭250 mm，單排設(shè)置，每2根錨索共用1段錨索梁。錨索盡可能垂直向上打入，若施工困難可以向采空區(qū)傾斜，傾斜角度不超過10°，控頂錨索需提前工作面20 m進(jìn)行掛線施工。

3.2 架設(shè)空鋼管墩柱

本方案采用割一刀安裝1個鋼管墩柱的方法進(jìn)行架柱工作，架設(shè)墩柱前先在預(yù)放墩柱處使用風(fēng)鎬開挖1個深度為30 cm左右400 mm×400 mm的基坑，然后將空鋼管放到指定位置附近，在坑底安放1塊底腳板（盡可能水平），使用手動葫蘆（倒鏈）將空鋼管墩柱人工豎起（鋼管混凝土墩柱支設(shè)必須垂直頂?shù)装澹?，空鋼管墩柱間距600 mm，頂部焊有薄鋼板作為上部托盤，增加控頂面積，厚度不超過5 mm，鋼板之上以木楔觸頂，木楔頂在菱形網(wǎng)上（木楔總厚度不得小于200 mm），并將瓦斯記錄儀按照規(guī)定距離懸掛在墩柱旁邊的頂板上，然后將矸石裝袋堆放到指定位置。

3.3 墩柱灌注混凝土

為了不影響正常開采工作以及保證施工人員的充足，具體灌注時間為維修班（早班），以集中注漿的形式進(jìn)行施工。采用礦用混凝土輸送泵向墩柱內(nèi)灌注混凝土，泵送頂升法施工，其中混凝土施工設(shè)計比例為水泥∶沙∶碎石∶減水劑∶水 =1∶1.2∶2.3∶0.02∶0.42，其中水泥為425＃普通硅酸鹽水泥以及快硬硫（鐵）鋁酸鹽水泥（其中快硬硫（鐵）鋁酸鹽水泥占總水泥的20%）、粗骨料選用粒徑15～25 mm的碎石，細(xì)骨料采用優(yōu)質(zhì)河砂。鋼管墩柱混凝土的灌注要及時并保證灌注質(zhì)量，1次灌注根數(shù)不得超過9根，且鋼管墩柱在灌注前要用戧柱固定，以防在注漿過程中發(fā)生歪斜。注漿施工布置如圖7。

圖7 注漿施工工藝

3.4 輔助支護(hù)措施

輔助支護(hù)是為了確保在上覆巖層壓力重新分布時鋼管不變形，故在沿空留巷后應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。加強(qiáng)支護(hù)采用單體液壓支柱配合鉸接頂梁垂直煤壁方向支設(shè)4排單體液壓支柱，支設(shè)時要拉線支設(shè)，支柱顆顆穿鞋，柱距1.2 m（±100 mm）。隨著工作面推進(jìn)，要求及時回柱，始終保持50 m的拖后距離（柱排距如圖5）。

4 留巷效果分析

為了準(zhǔn)確掌握鋼管混凝土墩柱沿空留巷技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用效果，在回采過程中對所留巷道的巷道整體變形量、頂板離層值等內(nèi)容進(jìn)行了實際監(jiān)測。

沿空留巷觀測共布置2類測區(qū)，包括頂板離層監(jiān)測測區(qū)、巷道表面位移監(jiān)測測區(qū)，用以監(jiān)測留巷表面整體變形情況、評價留巷效果。

巷道頂板離層觀測區(qū)：以工作面切眼為起始位置（第1根鋼混支柱處），每間隔15 m設(shè)5個觀測站，分別位于切眼前方 15、30、45、60、75 m 處并開始對其編號。在每個測點頂板上安裝頂板離層指示儀，用以檢測頂板離層量。頂板離層儀布置如圖8。

巷道表面位移監(jiān)測測區(qū)：在巷道頂板離層觀測區(qū)附近布置巷道表面位移觀測點，分別位于工作面前方（以第 1根鋼混支柱為起始位置）15、30、45、60、75 m…左右的巷道表面對巷道位移變形特征進(jìn)行觀測，包括頂?shù)装逡平俊蓭鸵平康?，觀測方法為十字布點法。

圖8 頂板離層儀布置

取12號測點（距開切眼180 m左右）作全變形典型曲線，該測點超前工作面25 m起測，至工作面推進(jìn)后159 m后停止監(jiān)測，因此能較好的描述在整個回采影響下的巷道變形的全過程。頂板下沉與兩頂離層量如圖9，頂板移近速度如圖10。

圖9 頂板下沉與兩頂離層量

圖10 頂板移近速度

由圖9、圖10可知，隨著工作面的推進(jìn)，留巷圍巖變形可以分為以下3個階段，第 1階段：工作面推進(jìn)0～25 m后，直接頂受到前方煤層和采空區(qū)下側(cè)未開采煤層、鋼管混凝土墩柱及單體液壓支柱的支撐，直接頂未發(fā)生破斷，圍巖變形較為平緩，移近速度相對較小，最大僅為1～2 mm/d，直接頂與基本頂尚未發(fā)生分離，頂板離層量為0；第 2階段：工作面推采25～75 m后，關(guān)鍵塊體回轉(zhuǎn)、破斷，上覆巖層運動劇烈，巷道圍巖變形速度大，頂?shù)装遄畲笞冃嗡俣葹?0 mm/d，圍巖變形速度在該范圍內(nèi)達(dá)到最大，頂?shù)装逡平窟_(dá)到112 mm，與此同時基本頂與直接頂迅速分離，基本頂鉸接巖梁“給定變形”的位態(tài)控制得到實行。第3階段：工作面推采75 m以后，巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定，最終頂?shù)装搴蛢蓭妥冃嗡俣冉抵? mm/d以下，基本頂?shù)奈粦B(tài)控制取得成功。

5 結(jié)論

1）鋼管混凝土墩柱巷旁支護(hù)沿空留巷技術(shù)具有支護(hù)阻力高、支護(hù)效率高、支護(hù)工序簡單的技術(shù)優(yōu)勢。

2）針對魯西煤礦3下A02工作面巷道及頂?shù)装鍑鷰r情況，設(shè)計了“鋼管混凝土墩柱+柔性墊層+控頂錨索+巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)+防風(fēng)措施”的新型沿空留巷技術(shù)方案，并合理優(yōu)化設(shè)計了沿空留巷的技術(shù)參數(shù)。

3）對鋼管混凝土墩柱沿空留巷技術(shù)的現(xiàn)場施工工藝流程進(jìn)行了合理設(shè)計研究，重點解決了墩柱架設(shè)、灌注、輔助加強(qiáng)支護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。

4）使用鋼管混凝土墩柱巷旁支護(hù)技術(shù)，再不影響工作面的正常工作進(jìn)度要求的前提下，巷道完整性較好，未出現(xiàn)巖體突出等情況，達(dá)到了較好地沿空留巷效果。