松软厚煤层柔模混凝土沿空留巷技术应用分析

任政峰

（煤炭工业太原设计研究院集团有限公司，山西 太原 030002）

沿空留巷[1-2]是煤炭企业实现绿色开采的重要方法之一，不仅可以延长矿井服务年限，同时可以提高矿井掘进效率，有助于实现矿井安全高效开采。

1 工程概况

大恒煤业3405工作面位于四采区中部，工作面西部为矿界，东部为四采区三条大巷，南部相隔20 m保安煤柱为3404工作面采空区，北部相隔260 m为3405工作面回风顺槽。工作面倾向长1155 m，走向长260 m，地面标高+1080～ +1200 m，井下标高+622～ +761 m。工作面开采3号煤层，煤层厚5.1～6.4 m，倾角0°～15°，煤层节理、裂隙较为发育，部分区域质地松软，普氏硬度约为2。煤层直接顶为泥岩，厚3.66 m；基本顶为细砂岩，厚7.6 m；直接底为泥岩和细粉砂岩，厚7.84 m；基本底为灰色石英砂岩，厚2.25 m。3405工作面为综放工作面，采用两进一回“Y”型通风。轨道顺槽沿煤层底板掘进，巷宽5.8 m，巷高3.2 m，留巷后作为回风顺槽使用，形成工作面回风系统。

2 沿空留巷技术

2.1 预裂爆破切顶

在3405工作面轨道顺槽前方布置预裂爆破钻孔，切断沿空留巷巷道顶板悬臂梁[3-4]载荷及旋转变形压力，消除悬顶，改善围岩应力环境。预裂爆破钻孔位于轨道顺槽靠工作面侧肩角，平行布置一排，炮孔偏向工作面侧，仰角为75°，炮孔长12 m，直径50 mm，间距为1.2 m。预裂爆破采用不耦合方式装药结构，装药长度6 m，封孔长度6 m，单孔装药量为6.6 kg。爆破钻孔布置如图1。

图1 超前预裂爆破钻孔布置图

2.2 留巷顶板控制

轨道顺槽超前支护采用一梁四柱，工作面端头过渡架侧面及留巷后顶板采用一梁三柱的方式进行支护，单体柱型号为DW35-300/110X，π型梁为3800 mm。在距留巷墙体600 mm处和距保安煤柱600 mm处各支设单体柱，在所支设2根单体柱中间再支设1根单体柱，中间支设的单体柱分别距两侧单体柱1550 mm；π型梁排距为900 mm±100 mm，留巷支护长度不少于120 m。端头3架不放顶煤，在过渡架上铺设双层金属顶网（规格为8000 mm×1050 mm），遇地质条件变化时，在机尾最后两架支架搭设1根补强锚索，用来维护机尾过渡架后方的空间。端头第2和第3个过渡架后方布置两个挡矸支架，迈步自移式，阻挡采空区矸石进入巷道，同时为柔模混凝土浇筑预留出空间。沿空留巷顶板临时加强支护平面图如图2。

图2 沿空留巷顶板临时加强支护平面图

2.3 柔模混凝土浇筑

（1）柔模支挂

3405工作面轨道顺槽宽5.8 m，留巷宽度4.3 m，柔模混凝土充填体[5-6]宽度1.5 m。3405工作面正常推进速度为每天3个循环，即2.4 m，综合确定柔模尺寸长×宽×高为：2.4 m×1.5 m×3.5 m。在挡矸支架预留空间内，支挂柔模，留巷侧采用单体柱支模；采空区侧空间允许的前提下，尽量用单体柱支模；采空区侧空间不足时，采用锚杆悬挂柔模；每侧单体柱的数量不得少于2根/m，不能影响注浆管绑扎。采空区侧挂模单体柱的回收时间为墙体浇筑成型1 d后，巷内侧挂模单体柱的回收时间为墙体浇筑成型7 d后。

（2）柔模加固

柔模内采用锚栓杆、钢筋梯子梁和钢筋网进行加固。锚栓杆采用直径22 mm、长1.65 m的500号高强螺纹钢，间排距为0.7 m×0.75 m。锚栓配套直径16 mm圆钢焊接的钢筋梯子梁，横向和竖向相互搭接。钢筋梯子梁安装在锚栓托盘内，并在柔模和钢筋梯子梁之间铺设钢筋网，保证墙体成型。

（3）混凝土材料

浇筑采用C40混凝土，采用42.5普通硅酸盐水泥、砂子、石子和水混合，见表1。每班浇筑前和浇筑结束后，各需要泵送一次润管砂浆，每次不少于0.5 m3，砂浆中水泥与砂子的配比为1:1。

表1 C40混凝土中各组分的掺量

（4）混凝土浇筑系统

在地面建立干混料制备站，井下布置柔模混凝土湿料制备输送机组。地面干混料通过矿车运输至井下湿料制备站，由湿料制备机组加水混合后，采用混凝土泵通过管路泵送至浇筑地点进行柔模浇筑。柔模混凝土浇筑系统示意图如图3。

图3 柔模混凝土浇筑系统示意图

3 效果分析

3.1 巷道控制效果分析

为考察留巷效果，在轨道顺槽内布置围岩表面位移观测测站，并在3405工作面机尾端头支架布置支架压力传感器。通过支架压力分析可知，切顶卸压后，工作面端头支架压力稳定，未出现受力激增现象，机尾端头周期来压显现不明显。巷道表面位移数据显示，留巷巷道围岩变形不大，巷道围岩控制良好，同时柔模混凝土充填体未出现破碎现象，留巷巷道能够满足本工作面回风和下一个工作面生产使用。

3.2 效益分析

（1）成本消耗费用

① 柔模充填费用

柔模混凝土沿空留巷投资可分为设备费用、材料费、人工费等，所需设备为地面干混料制备系统、井下混凝土湿料制备机组、端头支架、挡矸支架、切顶钻孔等，均可重复利用。柔模充填费用主要计算柔模沿空留巷的材料和人工费用，由表2单个充填体需使用材料及人工费用计算，每米巷道充填材料费用为8092元。

表2 柔模混凝土充填体材料费用明细

② 巷道顶板维护费用

留设巷道顶板维护包括爆破施工、机尾端头架铺网、留巷巷帮及顶板锚索补强，以及挡矸支架及巷内临时支护等，具体明细见表3。经计算，每米费用为5426元。

表3 柔模混凝土充填体材料费用明细

（2）经济效益

采用柔模沿空留巷，可以少掘一条顺槽巷道，多回收40 m煤柱。矿井掘进一条顺槽巷道的综合成本8200元/m；每米煤柱可多回收煤炭资源300 t，每吨利润100元计算，利润为30 000元。沿空留巷巷道综合成本为12 918元/m，由此计算可知，每米巷道可产生经济效益为25 282元，经济效益明显。

4 结语

留巷巷道围岩稳定是沿空留巷成功实施的关键，通过对大恒煤业3405工作面沿空留巷实践，从超前切顶卸压、巷道顶板控制和柔模混凝土的浇筑对柔模混凝土沿空留巷技术进行了分析。通过观测端头支架压力和留巷围岩变形可知，柔模混凝土沿空留巷围岩稳定，能够满足矿井生产使用要求，在提高矿井煤炭资源回收率的同时减少了巷道掘进工程量，缓解矿井采掘紧张局面；同时通过详细的对比分析可知柔模沿空留巷经济效益明显，为矿井推广应用奠定了基础。