大采高工作面顺槽预设混凝土墙体无煤柱开采技术

郭俊良

（阳泉煤业（集团）有限责任公司生产技术部，山西 阳泉 045000）

留设煤柱工艺不仅浪费大量煤炭，同时增加了采空区自然发火的概率。在突出煤层掘进过程中，大量的防突措施限制了掘进速度，增加了掘巷成本，沿空掘巷无煤柱技术是合理的[1-3]。

阳泉煤业（集团）寺家庄煤矿属于煤与瓦斯突出矿井，现采15#煤层平均厚度4.82m，留设煤柱工艺造成大量的煤炭损失，故决定在15117工作面进风巷实施柔模混凝土扩巷，为下一区段采煤工作面创造沿空掘巷条件，真正实现无煤柱开采。

柔模混凝土扩巷无煤柱开采技术原理是在15117工作面回采前，沿15117进风巷煤柱帮浇筑一道柔模混凝土连续墙，待15117工作面回采后且围岩趋于稳定时，沿墙体掘进巷道作为下一工作面回风巷。

1 项目概况

15117工作面主采15#煤，工作面埋藏深度431～493m，设计走向长度1460m，倾向长度220m，煤层倾角为4～13°，平均8°，煤层厚度4.5～5.2m，平均4.85m。工作面采用走向长壁采煤法，综合机械化大采高一次采全高采煤工艺，全部跨落法管理顶板。

扩巷巷道是15117进风巷，沿15#煤层顶板随层掘进。掘进断面为矩形，掘进宽度5.2m，高度4.1m，断面积为21.32m2。巷道净断面宽度5.0m，高度4.0m。15117工作面进风巷断面及支护图见图1。

图1 15117工作面进风巷断面及支护图 （单位：mm）

2 沿空掘巷巷道支护参数

2.1 扩帮支护设计

15117工作面扩帮宽度2.5m，顶部每排布置1根锚杆2根锚索，锚杆锚索相间布置，间距960mm，排距1000mm，采用波纹钢带组合支护。锚杆规格Φ20×2200mm，左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚索规格为Φ17.8×7200mm。

扩帮区煤帮采用锚网支护，支护参数为：帮锚杆每排5根，间距800mm，帮部最上一根锚杆距顶300mm，向上倾斜15°布置。最下一排锚杆距底板600mm，向下倾斜15°布置。其他锚杆垂直巷帮打注。

2.2 底板置换技术

15117工作面进风巷沿煤层顶板掘进，底板留有1.5～2m厚的底煤，为了保证沿空掘巷墙体的稳定及防止墙体钻底，故需将底煤进行处理。

考虑到施工因素，采用混凝土将底煤置换，即在进行扩帮时，将扩帮处进行起底，起底深度不小于1.5m，后采用混凝土浇筑填平，沿空掘巷墙体坐落于坚实的混凝土基础上。

沿空掘巷扩帮及支护图见图2。

图2 沿空掘巷扩帮及支护图 （单位：mm）

2.3 巷旁支护设计

采用C40三维纺织结构柔模混凝土浇筑隔离墙体，墙体宽度1500mm，墙体内布置横向锚栓，两侧布置横纵向钢筋钢带，两侧铺设钢筋网。

锚栓规格Φ22×1650mm螺纹钢，500号钢，间排距为800×750mm；杆体两端都设有丝扣，每段丝扣长度100mm；杆体两端各配一套高强度托板、调心球形垫和尼龙垫圈，托板采用150mm×150mm×10mm拱形高强度托盘；墙体成型1d后，给锚栓施加预紧力，预紧扭矩不小于150N·m。

钢筋钢带用Φ16mm圆钢焊接而成，钢筋钢带外宽80mm，采用长度为1.2m、3m、3.6m三种规格；钢筋网Φ6.5mm，网孔100×100mm。

距离煤帮800mm浇筑柔模混凝土墙体，施工时墙体两侧采用单体支柱挂设柔性模板。

沿空留墙巷旁支护设计图见图3。墙体锚栓及钢筋钢带布置图见图4。

图3 沿空留墙巷旁支护设计图 （单位：mm）

图4 墙体锚栓及钢筋钢带布置图 （单位：mm）

3 沿空掘巷施工工艺

3.1 工艺流程

15117工作面扩巷施工工艺流程包括扩帮及起底、巷道支护、混凝土干料制备及运输、基础浇筑、挂设柔模、墙体浇筑等工序。施工工艺流程图见图5。

图5 施工工艺流程图

3.2 扩帮及起底

为了保证15117工作面的正常回采，沿空掘巷施工决定在3个月内完成，故采用4台55型掘进机进行施工。扩帮分为两个扩帮头，一头2台掘进机台阶型施工，第一台掘进机施工上部台阶，扩帮宽度2.5m，高度3m，第二台掘进机进行扩帮及起底，高度2.5m。

第一个扩帮头位于15119切眼处，由里向外扩帮，扩帮长度350m。第二个扩帮头位于距15119切眼350m处，由里向外扩帮。第一个扩帮头350m施工完成后，将设备移至距15119切眼1000m处向外扩帮，第二个扩帮头一直向外扩帮，完成650m后设备移出升井。

3.3 混凝土干料的制备与运输

（1）混凝土干料配合比

沿空掘巷施工采用C40混凝土，混凝土配合比见表1。

表1 C40混凝土配合比

（2）混凝土干料的用量

根据设计，15117工作面沿空掘巷墙体浇筑每日施工20m，加上基础浇筑，则每日需混凝土干料250m³，1.5t固定厢式矿车体积为1.7m³，按照每车装混凝土干料1.5m³计算，则每天需运输160车。

（3）混凝土干料运输

混凝土干料由地面商混站制备，采用胶轮车运输至井口料场，用铲车将干料装入矿车下井，运输至15117进风巷巷口，采用皮带将混凝土干料输送至井下混凝土机搅拌站。

3.4 基础浇筑

基础浇筑超前墙体20m，保证在挂设柔模时基础具有足够的强度。每次基础浇筑的长度根据巷道坡度确定，巷道坡度较小时，一次浇筑长度可以提高至10～15m左右，坡度较大时，缩短一次浇筑长度至4～6m，保证基础完成后，巷道顶板距基础顶面的距离不超过4.1m。

3.5 挂设柔模

柔性模板是一个长方体结构，四周全封闭仅留一个注浆口用于泵注混凝土，由翼缘、灌注口、拉筋、锚栓孔等组成，尺寸为长×宽×高=3m×1.5m×4.3m。

挂设柔性模板时，沿长度方向将挂模钢筋插入顶部翼缘，用单体将挂模钢筋固定在顶板浇筑位置上，将高强螺纹钢筋插入预留锚栓孔，上钢筋网及横竖钢筋梁，拧上托盘螺母，柔模挂设完毕。

3.6 泵注混凝土

混凝土泵注采用柔模混凝土制备输送机组。该机组包括搅拌机和混凝土泵，混凝土干料通过皮带输送至搅拌机内，通过搅拌机加水进行搅拌，搅拌均匀后由混凝土泵经由输送管泵注进柔模内。

4 混凝土强度观测

施工过程中采用混凝土回弹仪对混凝土强度进行观测，观测数据见表2。

表2 混凝土回弹仪观测数据

由表2可以看出，柔模混凝土一天强度可达11MPa，达到设计强度的27.5%，3天可达设计强度的65.2%，7天即可达到设计强度40MPa。

5 结论

截至目前，扩巷施工30天，施工距离560m，最快施工速度可达每天30m，满足工期要求。

混凝土墙体最终强度达到46MPa，达到设计强度115%，强度满足设计要求。

15117 工作面进风巷扩巷的实施，可以实现真正无煤柱开采，仅回收煤柱一项，即可多回收煤炭资源30万t，可创造经济价值1.5亿元。

寺家庄煤矿沿空掘巷的实施，为阳煤集团大采高工作面无煤柱开采提供了宝贵经验，对大采高工作面的无煤柱开采具有重要意义。