筑墙双巷无煤柱开采技术研究与应用

孙凯

（晋能控股煤业集团亨元矿 山西 晋中 045400）

0 引言

国内外研究学者针对传统的无煤柱开采技术做了大量的研究工作［1］，我国在20世纪70年代末开始推广和使用无煤柱开采技术［2］，筑墙双巷无煤柱开采的作用原理与巷旁支护墙沿空留巷相似，与沿空留巷相比，该技术在未受采动影响前浇筑墙体，与采煤作业没有交叉，无需增加特殊支架，墙体成型好，对顶板施加了一定初撑力，有利于顶板控制。同时也存在一次掘巷跨度大、墙体多承受一次回采工作面超前压力影响等缺点［3］。综上分析，在一定的条件下，筑墙双巷方案优于沿空留巷方案，通过分析寿阳亨元煤业的生产条件，优先选用筑墙双巷方案。

1 矿井地质概况

寿阳亨元煤业现开采6#和8#煤层，6#煤平均煤厚1.89 m，8#煤平均煤厚1.65 m，层间距平均为10 m。筑墙双巷巷道为080211 采煤工作面与080210 采煤工作面间的巷道，该巷道埋深为194 m～219 m，沿8#煤层底板挑顶掘进，煤层结构简单，煤层平均厚度1.7 m，硬度系数f约为2，煤层倾向N～S，煤层倾角3°～5°，平均4°，为近水平煤层，直接顶为砂质泥岩，老顶为细粒砂岩、中粒砂岩，直接底为砂质泥岩、粉砂岩。工作面掘进期间绝对瓦斯涌出量0.33 m3/min；煤层不易自燃，煤尘爆炸指数为19.8%。巷道施工工艺为综掘，净断面：6 m×2.6 m，采用锚网支护。

2 筑墙双巷无煤柱开采方案设计

筑墙双巷巷道掘进宽度6 m，巷道掘进完成后在巷道中部砌筑一道混凝土支护墙，支护墙宽度0.8 m，将该巷道分割成两条巷道。靠近080210 工作面的宽度2.1 m，作为开采080210工作面时的回风巷道，靠近080211 工作面的宽度3.1 m，作为开采080211 工作面时的回风巷道。

图1 筑墙双巷无煤柱开采方案平面图

2.1 墙体强度设计

基于亨元煤矿的地质与开采条件，确定采用“分离岩块法”计算混凝土支护墙的顶板压力。其理论依据是保留巷道上方一定范围内分离岩块的重量构成了支护静载荷，混凝土支护墙矿压计算模型见图2。

图2 混凝土支护墙矿压计算模型

为了保证沿空留巷稳定，巷旁支护墙需承担巷道上方岩块的重量，根据力矩平衡理论，分离岩块和巷旁支护墙对于煤层上右顶角A点处处于力矩平衡状态。

式中：

q—巷旁支护载荷；

b—巷旁支护内侧到煤帮的距离，即留巷宽度，取3.1m；

bP—巷旁支护宽度，取0.8 m；

bX—巷旁支护外侧悬顶距，取0.5 m；

γ—顶板分离岩块容重，取27 kN/m3；

α—剪切角，根据经验选取为20°；

H—顶板垮落高度，取39.0 m。

计算可得混凝土支护墙宽度为0.8 m，留巷宽度3.1 m时的巷旁支护承受的压强为：

混凝土支护墙上的载荷来源于直接顶分离岩块的重量和老顶转动对直接顶造成的动压，老顶转动对直接顶造成的动压一直难以确定，传统的观点是用实测的方法测得所谓的动载系数η。根据综采经验数据，η在一般情况下为1～2，在设计沿空留巷巷旁支护时取1.5，这样巷旁支护上的最大载荷为：

q大=1.5q=28 MPa＜C30 混凝土最小抗压强度30 MPa

经计算可知，墙体宽度为0.8 m，留巷宽度3.1 m时，墙体强度应大于28 MPa，故选用C30 混凝土浇筑墙体。

2.2 加强支护设计

影响巷道顶板压力的主要因素为顶板冒落高度与采空区顶板的悬顶长度。由于8#煤上部的10 m 左右为6#煤采空区，6#煤层采空区上方15 m 左右为3#煤采空区，混凝土支护墙足以切断8#煤上部10 m左右的岩层，所以不会产生大的顶板悬顶，顶板压力是确定的，不能人为改变顶板压力条件。对顶板的支撑主要取决于混凝土支护墙及巷帮煤壁。

2.2.1 煤壁加强支护

顶板压力主要由煤壁与混凝土支护墙承担，煤壁加强支护的作用主要是减少煤壁塑性区范围、防止煤壁片帮、增大煤壁支撑力，煤壁加强支护采用全长锚固锚索加梯子梁承担。

在靠近080211 工作面的煤壁打1 根锚索，呈“三花”布置，锚索间距为800 mm，距底板高度为1.2 m/2.0 m。锚索选用ϕ17.8×4 200 mm低松弛钢绞线，锚索锚固力不小于230 kN，梯子梁采用ϕ18 mm 圆钢焊接制作，规格为4 000 mm×100 mm。

2.2.2 混凝土墙支护设计

在巷旁支护墙体内预置对拉锚栓，锚栓为ϕ18×900 mm的螺纹钢，两端丝扣长度各为50 mm，托板尺寸为150×150×16 mm，双托板双螺母；锚栓间距为750 mm，锚栓排距为1 000 mm，锚栓的排距应随采煤工作面推进的进尺而调整，但排距最大不超过1 000 m，对拉锚栓的预紧力不小于150 N·m。

图3 加强支护示意图

2.2.3 超前、滞后支护

该巷道施工完毕并筑墙成双巷后，先回采080210工作面。回采期间，080210回风巷及080211回风巷在080210 工作面采线前方30 m 范围内进行超前支护，080211工作面超前支护在080210工作面推过后不撤，作为该巷道的滞后支护。

超前支护采用支设帽柱的支护方式，其中：080210工作面回风巷支设2 路单体帽柱，排距为0.8 m，间距1.0 m；080211 工作面回风巷支设3 路单体帽柱，排距为0.8 m，间距1.0 m。当顶板破碎、形成网包或巷道动压剧烈显现等情况出现的特殊回采期间采用抬棚、套棚支护。

3 现场矿压监测

重点监测080210 工作面回采对080211 回风巷的动压影响，选取080211 回风巷具有代表性的测站，巷道表面位移曲线见图4。

图4 080211回风巷监测断面变化曲线图

080210 工作面的回采推进造成080211 回风巷表面位移随之缓慢增加，工作面回采至距测站30 m附近巷道表面位移迅速增加，工作面回采至超过测站70 m后巷道表面位移增长趋于放缓，最终080211回风巷顶底板移近量为110 mm，两帮移近量为130 mm，巷道围岩控制效果良好，能满足080211工作面回采需求。

4 结论

根据亨元煤业地质条件，结合筑墙双巷技术原理及巷道断面需求，通过计算墙体承载压力，设计筑墙采用C30 混凝土，墙体宽度为0.8 m，验证得出墙体承载力满足使用要求，并进行了加强支护设计，通过巷道表面位移监测结果得出，筑墙双巷无煤柱开采方案可满足相邻两个工作面回采需求，且能提高煤炭资源采出率，实现无煤柱开采。