＊王瑞栓

（山西陽(yáng)煤寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司 山西 030600）

1.工程概況

陽(yáng)煤寺家莊礦15117工作面開(kāi)采的是15#煤層，煤層厚度5.2m～4.5m，平均4.85m，煤層傾角13°～4°，平均8°。為了保證回采巷道的穩(wěn)定性，在回采時(shí)需要預(yù)留25m寬的煤柱。經(jīng)過(guò)計(jì)算，回采一個(gè)工作面就要損失煤炭25萬(wàn)噸，這不利于煤炭資源的利用。此外，開(kāi)采的15#煤層經(jīng)過(guò)鑒定還具有一定的突出性，在開(kāi)采之前必須采取一定的措施進(jìn)行消除，這大大降低了工作面的掘進(jìn)速度，會(huì)造成采掘接替緊張的問(wèn)題。為了解決煤柱損失問(wèn)題和巷道掘進(jìn)效率低的問(wèn)題，采用沿空留墻技術(shù)。

2.沿空留墻技術(shù)開(kāi)采設(shè)計(jì)

(1)沿空留墻技術(shù)原理

在15117工作面沿空留墻時(shí)，首先，在進(jìn)風(fēng)巷靠近15119工作面的一側(cè)沿煤柱澆筑混凝土應(yīng)力墻；然后，在15117工作面回采完成且采空區(qū)穩(wěn)定后，對(duì)采空區(qū)的頂板進(jìn)行切頂；最后，在混凝土墻的一側(cè)掘進(jìn)15119工作面的回風(fēng)巷，這樣就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開(kāi)采。

(2)擴(kuò)幫支護(hù)設(shè)計(jì)

在15117進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)有大量的設(shè)備，例如皮帶以及列車(chē)等。為了不影響進(jìn)風(fēng)巷的正常使用，需要對(duì)15117進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行擴(kuò)幫來(lái)增大巷道的斷面。擴(kuò)幫的寬度為2.5m、高度為5.5m。擴(kuò)幫時(shí)要靠近煤柱一側(cè)進(jìn)行擴(kuò)幫而不是采空區(qū)一側(cè)，擴(kuò)幫采用現(xiàn)有的EBH-55型掘進(jìn)機(jī)。

在擴(kuò)幫后巷道的斷面增加，為了維持巷道的穩(wěn)定性，需要對(duì)擴(kuò)幫區(qū)進(jìn)行支護(hù)。支護(hù)參數(shù)為：頂板采用錨桿錨索支護(hù)，每排布置1根錨桿并施工2根錨索，間距960mm，排距1000mm，錨桿采用左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿規(guī)格為Φ20mm×2200mm，錨索規(guī)格為Φ17.8mm×7200mm；兩幫采用錨桿支護(hù)，每排布置5根，間距為0.8m，幫部最上根錨桿向上傾斜，最下根錨桿向下傾斜，傾角均為15°。

(3)沿空留墻墻體支護(hù)設(shè)計(jì)

墻體的強(qiáng)度對(duì)于沿空留墻的成功十分關(guān)鍵，因此，需要對(duì)墻體的受力進(jìn)行計(jì)算。這里，采用“分離巖塊法”計(jì)算墻體的受力狀況，其受力如圖1所示。該方法簡(jiǎn)化了墻體所受的載荷，認(rèn)為巷道上方一定范圍巖體的自重是載荷的主要來(lái)源。在巖體上方存在離層時(shí)，沿煤壁處的巖體會(huì)以α角斷裂而進(jìn)入無(wú)約束狀態(tài)。

圖1 分離巖塊法計(jì)算沿空留墻壓力的計(jì)算模型

式中：q-隔離墻載荷；h-采高，取5m；α-剪切角，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取為26°；bB-隔離墻內(nèi)側(cè)到煤幫的距離，即以15119回風(fēng)巷掘巷寬度，取5m；x-隔離墻寬度，取1.5m；γ-頂板分離巖塊容重，取26kN/m3；bc-隔離墻外側(cè)懸頂距，取0.3m；θ-煤層傾角，為8°。

經(jīng)過(guò)計(jì)算可得，隔離墻所承受的應(yīng)力為3.4MPa。此外，還需要考慮到動(dòng)壓的影響，在動(dòng)壓系數(shù)為2時(shí)，計(jì)算得到混凝土墻所承受的重力載荷為10200kN/m。而采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)法得到的墻體的受力為4860kN/m，為了安全考慮，則最終確定的沿空留墻承受的載荷應(yīng)為10200kN/m。

為了使墻體具有足夠的承載能力，需要對(duì)墻體進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要設(shè)計(jì)根據(jù)是GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》。在規(guī)范中，混凝土墻和柱的長(zhǎng)度l0計(jì)算的規(guī)則為：①在兩端支撐為剛性的橫向結(jié)構(gòu)時(shí)，長(zhǎng)度等于高度；②在混凝土具有彈性移動(dòng)支座時(shí)，取l0=1.25～1.5H，其中H為墻或柱的高度。沿空留墻屬于帶有彈性移動(dòng)支座的情況，則混凝土墻的長(zhǎng)度l0=1.5H。

查閱規(guī)范可知，混凝土墻體的正截面承載能力為：

式中：N-混凝土墻體的承載能力；φ-混凝土構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，l0/b=1.5H/b=1.5×4.1m÷1.5m=4.1。查閱規(guī)范可知，素混凝土構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)；fcc-素混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，C40混凝土?xí)r，fcc為21.1MPa。

混凝土墻體的承載能力為：

經(jīng)過(guò)計(jì)算，混凝土墻體的承載能力為墻體的最大載荷的3倍左右。故可以認(rèn)為，支護(hù)體的強(qiáng)度滿足安全生產(chǎn)的需求。

以上確定了柔模混凝土墻澆筑的主要參數(shù)，混凝土采用C40型號(hào)，墻體寬度1.5m；在墻體內(nèi)安放錨栓，兩側(cè)布置橫向的鋼筋帶和鋼筋網(wǎng)。錨栓為Φ22mm×1650mm的螺紋鋼，布置的間距和排距分別為0.8m和0.75m。鋼筋鋼帶是由Φ16mm圓鋼焊接而成，外寬80mm，長(zhǎng)度有1.2m、3m、3.6m三種。鋼筋網(wǎng)的鋼筋直徑為Φ6.5mm，網(wǎng)孔大小為100mm×100mm。沿空留墻的具體支護(hù)形式如圖2所示。

圖2 沿空留墻支護(hù)橫斷面圖

3.沿空留墻施工工藝

(1)沿空留墻擴(kuò)幫設(shè)備布置方案

運(yùn)料方式主運(yùn)輸采用皮帶和煤溜運(yùn)輸。在15117工作面進(jìn)風(fēng)巷口處安裝一部煤溜和一部翻矸車(chē)，煤溜挖地槽，混凝土料裝車(chē)后通過(guò)道岔進(jìn)入翻矸車(chē)，將混凝土料翻至煤溜，煤溜搭接皮帶進(jìn)行運(yùn)輸。共需安裝2部800皮帶，頭部皮帶機(jī)頭在1號(hào)澆筑站，二部機(jī)頭在2號(hào)澆筑站。頭部皮帶長(zhǎng)706m，二部皮帶長(zhǎng)606m。

擴(kuò)幫時(shí)先在巷道中施工切口，在切口里安裝綜掘機(jī)。每個(gè)切口安裝2臺(tái)綜掘機(jī)和1部煤。1臺(tái)綜掘機(jī)安裝二運(yùn)皮帶擴(kuò)上部，另一臺(tái)掃底挖基礎(chǔ)。上部煤通過(guò)二運(yùn)皮帶將煤運(yùn)至下部綜掘機(jī)處，下部綜掘機(jī)掃底挖基礎(chǔ)時(shí)將上部擴(kuò)幫落煤運(yùn)至煤溜上，再通過(guò)煤溜轉(zhuǎn)載至皮帶上運(yùn)至巷道口的煤倉(cāng)中。

(2)沿空留墻施工工序

在混凝土干混料的制備時(shí)，要嚴(yán)格按照配比加入原材料，而且原材料要滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。干混料在制備時(shí)需要加入專(zhuān)用的添加劑。在進(jìn)行運(yùn)輸時(shí)，必須要做好防水措施，需要采用專(zhuān)用的防水帆布將干混料蓋住。更為關(guān)鍵的是，要防止在運(yùn)輸過(guò)程中干混料隨風(fēng)飄散造成的環(huán)境污染。待干混料運(yùn)輸?shù)骄聰嚢枵荆尤脒m量的水就可以進(jìn)行澆筑使用。

在進(jìn)行墻體澆筑時(shí)，基礎(chǔ)必須要超前墻體20m以上。為了保證施工的效率，基礎(chǔ)應(yīng)該在墻體澆筑的前一天完成，澆筑完成后方可進(jìn)行掛模和墻體澆筑。在后續(xù)的墻體澆筑過(guò)程中，應(yīng)該保證混凝土基礎(chǔ)與頂板的垂直距離不超過(guò)4.1m，以便于模板的掛設(shè)。若基礎(chǔ)與頂板的距離超過(guò)了4.1m，則需要掛設(shè)額外的模板，以保證澆筑的順利施工。

柔性模板是具有一定強(qiáng)度、透水不透漿以及不易自燃的封閉長(zhǎng)方體。在模板上有便于掛設(shè)的部件，主要有翼緣、灌注口、拉筋和錨栓孔。一般地，柔性模板不便于連接，所以在選擇時(shí)一定要根據(jù)巷道的高度來(lái)選擇柔性模板的高度。為了保證切頂?shù)男Ч０宓母叨葢?yīng)該比巷道的高度高200mm。這里15117進(jìn)風(fēng)巷的高度在4.1m，所以模板的尺寸為3000mm×1200mm×4300mm（長(zhǎng)×寬×高）。

4.技術(shù)效益和經(jīng)濟(jì)效益分析

2017年3月中旬開(kāi)始，寺家莊15117工作面開(kāi)始進(jìn)行沿空留墻工業(yè)性試驗(yàn)。在試驗(yàn)前做好充足的準(zhǔn)備工作，主要是相應(yīng)設(shè)備的安裝，例如綜掘機(jī)。皮帶機(jī)、混凝土澆筑設(shè)備等。為了不影響施工的速度，沿空留墻采用三班制。截止到2017年7月1日，沿空留墻施工全部完成，共澆筑柔性模板465個(gè)（3米一個(gè)），施工長(zhǎng)度1370m。

在采用沿空留墻技術(shù)后，工作面可以不用再留煤柱，工作面可以多回采25萬(wàn)噸煤炭。根據(jù)噸煤售價(jià)500元計(jì)算，可創(chuàng)造收益1.25億元。回收煤柱的寬度在25m，而工作面的寬度在220m，則可以提高煤柱資源的回收率10%左右。根據(jù)以往的沿空留墻技術(shù)施工經(jīng)驗(yàn)，工作面煤炭可以推進(jìn)6m左右，巷道的掘進(jìn)速度可以提高1.5倍左右。此外，由于沿空留墻巷道掘進(jìn)在卸壓區(qū)范圍內(nèi)，瓦斯得到充分的釋放，降低了發(fā)生瓦斯突出的可能性。沿空留墻技術(shù)推廣后，以山西陽(yáng)煤寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司每年回采兩個(gè)工作面計(jì)算，則每年可多回收煤炭50萬(wàn)噸，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益2.5億元。

5.小結(jié)

本文介紹了沿空留墻技術(shù)的設(shè)計(jì)以及施工工藝，可以為類(lèi)似條件下煤礦開(kāi)采提供一定的參考。這項(xiàng)技術(shù)不僅能大幅度提高煤礦巷道的掘進(jìn)速度，還能減少煤炭資源的損失，具有廣泛的推廣前景。但是在墻體澆筑時(shí)三班不間斷進(jìn)行，對(duì)柔?；炷林苽漭斔蜋C(jī)組的檢修及清理工作做得不夠，這會(huì)導(dǎo)致混凝土常凝固在攪拌軸上，攪拌能力降低，增大堵管的概率。