寺家庄矿15117工作面沿空留墙技术应用分析

＊王瑞栓

（山西阳煤寺家庄煤业有限责任公司 山西 030600）

1.工程概况

阳煤寺家庄矿15117工作面开采的是15#煤层，煤层厚度5.2m～4.5m，平均4.85m，煤层倾角13°～4°，平均8°。为了保证回采巷道的稳定性，在回采时需要预留25m宽的煤柱。经过计算，回采一个工作面就要损失煤炭25万吨，这不利于煤炭资源的利用。此外，开采的15#煤层经过鉴定还具有一定的突出性，在开采之前必须采取一定的措施进行消除，这大大降低了工作面的掘进速度，会造成采掘接替紧张的问题。为了解决煤柱损失问题和巷道掘进效率低的问题，采用沿空留墙技术。

2.沿空留墙技术开采设计

(1)沿空留墙技术原理

在15117工作面沿空留墙时，首先，在进风巷靠近15119工作面的一侧沿煤柱浇筑混凝土应力墙；然后，在15117工作面回采完成且采空区稳定后，对采空区的顶板进行切顶；最后，在混凝土墙的一侧掘进15119工作面的回风巷，这样就可以实现无煤柱开采。

(2)扩帮支护设计

在15117进风巷内有大量的设备，例如皮带以及列车等。为了不影响进风巷的正常使用，需要对15117进风巷进行扩帮来增大巷道的断面。扩帮的宽度为2.5m、高度为5.5m。扩帮时要靠近煤柱一侧进行扩帮而不是采空区一侧，扩帮采用现有的EBH-55型掘进机。

在扩帮后巷道的断面增加，为了维持巷道的稳定性，需要对扩帮区进行支护。支护参数为：顶板采用锚杆锚索支护，每排布置1根锚杆并施工2根锚索，间距960mm，排距1000mm，锚杆采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆规格为Φ20mm×2200mm，锚索规格为Φ17.8mm×7200mm；两帮采用锚杆支护，每排布置5根，间距为0.8m，帮部最上根锚杆向上倾斜，最下根锚杆向下倾斜，倾角均为15°。

(3)沿空留墙墙体支护设计

墙体的强度对于沿空留墙的成功十分关键，因此，需要对墙体的受力进行计算。这里，采用“分离岩块法”计算墙体的受力状况，其受力如图1所示。该方法简化了墙体所受的载荷，认为巷道上方一定范围岩体的自重是载荷的主要来源。在岩体上方存在离层时，沿煤壁处的岩体会以α角断裂而进入无约束状态。

图1 分离岩块法计算沿空留墙压力的计算模型

式中：q-隔离墙载荷；h-采高，取5m；α-剪切角，根据经验选取为26°；bB-隔离墙内侧到煤帮的距离，即以15119回风巷掘巷宽度，取5m；x-隔离墙宽度，取1.5m；γ-顶板分离岩块容重，取26kN/m³；bc-隔离墙外侧悬顶距，取0.3m；θ-煤层倾角，为8°。

经过计算可得，隔离墙所承受的应力为3.4MPa。此外，还需要考虑到动压的影响，在动压系数为2时，计算得到混凝土墙所承受的重力载荷为10200kN/m。而采用传统的经验法得到的墙体的受力为4860kN/m，为了安全考虑，则最终确定的沿空留墙承受的载荷应为10200kN/m。

为了使墙体具有足够的承载能力，需要对墙体进行设计，其主要设计根据是GB50010-2010《混凝土结构设计规范》。在规范中，混凝土墙和柱的长度l0计算的规则为：①在两端支撑为刚性的横向结构时，长度等于高度；②在混凝土具有弹性移动支座时，取l0=1.25～1.5H，其中H为墙或柱的高度。沿空留墙属于带有弹性移动支座的情况，则混凝土墙的长度l0=1.5H。

查阅规范可知，混凝土墙体的正截面承载能力为：

式中：N-混凝土墙体的承载能力；φ-混凝土构件的稳定系数，l0/b=1.5H/b=1.5×4.1m÷1.5m=4.1。查阅规范可知，素混凝土构件的稳定系数；fcc-素混凝土抗压强度设计值，C40混凝土时，fcc为21.1MPa。

混凝土墙体的承载能力为：

经过计算，混凝土墙体的承载能力为墙体的最大载荷的3倍左右。故可以认为，支护体的强度满足安全生产的需求。

以上确定了柔模混凝土墙浇筑的主要参数，混凝土采用C40型号，墙体宽度1.5m；在墙体内安放锚栓，两侧布置横向的钢筋带和钢筋网。锚栓为Φ22mm×1650mm的螺纹钢，布置的间距和排距分别为0.8m和0.75m。钢筋钢带是由Φ16mm圆钢焊接而成，外宽80mm，长度有1.2m、3m、3.6m三种。钢筋网的钢筋直径为Φ6.5mm，网孔大小为100mm×100mm。沿空留墙的具体支护形式如图2所示。

图2 沿空留墙支护横断面图

3.沿空留墙施工工艺

(1)沿空留墙扩帮设备布置方案

运料方式主运输采用皮带和煤溜运输。在15117工作面进风巷口处安装一部煤溜和一部翻矸车，煤溜挖地槽，混凝土料装车后通过道岔进入翻矸车，将混凝土料翻至煤溜，煤溜搭接皮带进行运输。共需安装2部800皮带，头部皮带机头在1号浇筑站，二部机头在2号浇筑站。头部皮带长706m，二部皮带长606m。

扩帮时先在巷道中施工切口，在切口里安装综掘机。每个切口安装2台综掘机和1部煤。1台综掘机安装二运皮带扩上部，另一台扫底挖基础。上部煤通过二运皮带将煤运至下部综掘机处，下部综掘机扫底挖基础时将上部扩帮落煤运至煤溜上，再通过煤溜转载至皮带上运至巷道口的煤仓中。

(2)沿空留墙施工工序

在混凝土干混料的制备时，要严格按照配比加入原材料，而且原材料要满足国家标准。干混料在制备时需要加入专用的添加剂。在进行运输时，必须要做好防水措施，需要采用专用的防水帆布将干混料盖住。更为关键的是，要防止在运输过程中干混料随风飘散造成的环境污染。待干混料运输到井下搅拌站，加入适量的水就可以进行浇筑使用。

在进行墙体浇筑时，基础必须要超前墙体20m以上。为了保证施工的效率，基础应该在墙体浇筑的前一天完成，浇筑完成后方可进行挂模和墙体浇筑。在后续的墙体浇筑过程中，应该保证混凝土基础与顶板的垂直距离不超过4.1m，以便于模板的挂设。若基础与顶板的距离超过了4.1m，则需要挂设额外的模板，以保证浇筑的顺利施工。

柔性模板是具有一定强度、透水不透浆以及不易自燃的封闭长方体。在模板上有便于挂设的部件，主要有翼缘、灌注口、拉筋和锚栓孔。一般地，柔性模板不便于连接，所以在选择时一定要根据巷道的高度来选择柔性模板的高度。为了保证切顶的效果，模板的高度应该比巷道的高度高200mm。这里15117进风巷的高度在4.1m，所以模板的尺寸为3000mm×1200mm×4300mm（长×宽×高）。

4.技术效益和经济效益分析

2017年3月中旬开始，寺家庄15117工作面开始进行沿空留墙工业性试验。在试验前做好充足的准备工作，主要是相应设备的安装，例如综掘机。皮带机、混凝土浇筑设备等。为了不影响施工的速度，沿空留墙采用三班制。截止到2017年7月1日，沿空留墙施工全部完成，共浇筑柔性模板465个（3米一个），施工长度1370m。

在采用沿空留墙技术后，工作面可以不用再留煤柱，工作面可以多回采25万吨煤炭。根据吨煤售价500元计算，可创造收益1.25亿元。回收煤柱的宽度在25m，而工作面的宽度在220m，则可以提高煤柱资源的回收率10%左右。根据以往的沿空留墙技术施工经验，工作面煤炭可以推进6m左右，巷道的掘进速度可以提高1.5倍左右。此外，由于沿空留墙巷道掘进在卸压区范围内，瓦斯得到充分的释放，降低了发生瓦斯突出的可能性。沿空留墙技术推广后，以山西阳煤寺家庄煤业有限责任公司每年回采两个工作面计算，则每年可多回收煤炭50万吨，创造经济效益2.5亿元。

5.小结

本文介绍了沿空留墙技术的设计以及施工工艺，可以为类似条件下煤矿开采提供一定的参考。这项技术不仅能大幅度提高煤矿巷道的掘进速度，还能减少煤炭资源的损失，具有广泛的推广前景。但是在墙体浇筑时三班不间断进行，对柔模混凝土制备输送机组的检修及清理工作做得不够，这会导致混凝土常凝固在搅拌轴上，搅拌能力降低，增大堵管的概率。