大倾角中厚煤层柔性护巷技术

周忠国 卢运海 张孟军 张海云 刘 建 简学才

（四川省华蓥山煤业股份有限公司绿水洞煤矿，四川华蓥 638600）

0 引言

绿水洞煤矿煤层构造属较复杂，煤层中部有厚度0.07m高岭石夹矸，夹矸层上还有一层夹矸层，厚度变化大，巷道岩体环境相对复杂。煤层倾角0 ～90°（大多在40 ～65°），开采难度较大，矿井年核定生产能力为110 万吨。随着绿水洞煤矿近几年的高强度开采，导致矿井掘进相对滞后，采掘接替紧张，优质煤炭资源不能得到有效开发，制约了矿井发展。沿空留巷是绿水洞煤矿回采巷道利用的最佳选择，为顺应新技术、新工艺、新形势，扭转治灾滞后和接替被动的局面，研究适合绿水洞煤矿的无煤柱沿空留巷技术是该矿发展的当务之急。得益于国内外沿空留巷技术与理论的发展，近几年，川煤集团在水平煤层沿空留巷方面进行了大量研究与实践，取得了许多成功的技术成果和经验。留巷效果取决于巷道周围的应力环境和巷道围岩环境，由于绿水洞煤矿是大倾角煤层，传统的沿空留巷稳定性力学模型不再适用，其围岩环境也更容易突变和恶化，需要针对性强的巷道处理方法和支护技术。目前，矿井采区平巷一直沿用留煤柱的方法进行护巷，即在工作面之间留设一定宽度的煤柱，用于防止工作面与相邻采空区通透漏风而引起采空区自然发火。同时，兼顾工作面矿山压力影响，但是采用煤柱护巷会造成大量煤炭资源损失。此外，煤柱留设不合理，会使复岩应力在煤柱处形成集中，对巷道造成破坏[1-7]。按传统布置方式，采煤工作面都要掘进机巷和风巷，且上一个工作面的机巷与下一个工作面的风巷之间需要留设煤柱，造成掘进工程量较大，对紧张的采掘接替更是“雪上加霜”。

1 技术方案制定

1.1 方案一：密集挡矸工字钢沿空留巷

采煤工作面1#液压支架安装距离机巷高帮控制在1.5m左右，在距离机巷高帮底板1m 位置采用11#矿用工字钢配钢筋网片、菱形金属网、风筒布等对采空区进行遮挡实施沿空留巷，工字钢间距0.5m，工字钢长度根据采高确定，迎山角2 ～3°。工字钢上端靠于顶板横梁，下端嵌入底板不低于0.3m，在已采工作面后方机巷靠高帮0.5m 位置（1#液压支架后），底板采用φ=16mm、L=1800mm 胀壳式锚杆配钢筋网片支护，锚杆排距1m，高帮采用φ=15.24mm、L=3000mm 锚索配钢带支护，锚索排距2m，顶板在原巷道支护基础上采用φ=18mm、L=2000mm 树脂锚杆配菱形金属网支护，锚杆间排距1m，顶上增加一排φ=15.24mm、L=5000mm 锚索进行补强支护，锚索间距1m，排距2m，与原巷道内支护的锚索呈“品”字型布置，所有支护完成后再进行喷浆支护。

1.2 方案二：柔模混凝土沿空留巷

在不使用护巷支架情况下，1#液压支架下边缘距机巷高帮不大于1.5m，共两排支护。第一排距1#液压支架下边缘不大于500mm，采用11#矿用工字钢配钢筋网片、金属网、风筒布等对采空区矸石进行一级阻挡，工字钢间距0.5m；第二排距1#液压支架下边缘不大于1.1m，采用单体液压支柱支护，支柱间距0.5m，第一、二排之间即为柔模墙体，在浇筑区域范围内，若顶板完整，则采用单体液压支柱戴帽进行支护，若顶板破碎则用单体液压支柱配合槽钢进行支护（必要时对顶板进行锚网索补强支护），柔模挂设时仍采用这两排支护。初期实施巷旁柔模混凝土，若高帮侧底板无法保留，则实施巷内柔模混凝土。

1.3 方案对比

（1）经济性：方案一延米直接费用约1805 元/m，方案二延米直接费用约4706 元/m，除去巷内补强支护费用，方案一较方案二费用更为节约。

（2）安全性：方案一采用矿用工字钢等对采空区矸石进行阻挡，在矸石的冲击和顶板变形压力作用下，矿用工字钢容易产生变形、折断，对采空区的封闭效果相对较差，特别是顶部位置，给采煤工作面采空区防灭火管理带来较大难度，底板受采空区水影响极易出现推底现象，造成支护失效，巷道后期的维修量相对较大，需对顶板及时进行补强支护，工作面初采初放期间需采取强制放顶或提前铺设垫层以阻抗冲击，铺设的工字钢与机巷高帮之间需长时间采用单体液压支柱进行支护。方案二采用巷旁柔模混凝土沿空留巷，沿顶底板进行支设，能够起到有效的支撑作用，巷道利用空间相对较大，能够适应巷道变形量，做到透水不透浆，封顶效果相对较好且能够通过单模之间预埋排水管、注浆管等，能够及时对采空区水进行疏排和注氮，防止自燃，巷道后期维修量相对较小。柔模混凝土上下端需锁固牢靠，采高过高或倾角较大时，柔模混凝土的稳定性和抗剪切性能不高。

1.4 方案选择

通过对比分析，结合龙门峡南煤矿、铁山南煤矿、斌郎煤矿等实施沿空留巷成果，为确保实施安全性及可靠性，初期选择方案二组织实施，在实施过程中不断优化和完善方案，后续采取间隔一定距离施工柔模混凝土或单一采用密集挡矸工字钢一级阻挡方式。

2 护巷区域支护

（1）下出口支护：为保证下出口行人安全及不损伤顶板，采煤工作面下出口采用ZTHQ8400/16/28D 型急倾斜横式端头液压支架，主要起确保人员安全通行的作用。

（2）护巷区支护：第一层护巷工字钢，沿走向铺设工字钢、网片、金属网及风筒布，工字钢长度根据采高确定，上端紧贴顶板，下端嵌入底板不低于0.3m，相邻工字钢采用油丝绳缠绕连接成整体，以防止其中一根工字钢折断后采空区出现垮漏。第二层采用单体液压支柱对顶板进行支护。在第一层与第二层支护之间施工柔模混凝土进行沿空留巷，每膜长度4m，厚度0.6m，采用φ=18mm、L=1100mm 锚栓固定，间距0.5m，排距1m，以控制柔模成型，在柔模中间顶板和底板位置施工φ=18mm、L=1000mm 树脂锚杆作为植筋锚杆，间距0.5m。在已采工作面后方机巷靠高帮0.5m 位置（1#液压支架背后）底板采用φ=16mm、L=1800mm 胀壳式锚杆配钢筋网片支护，锚杆排距1m，高帮采用φ=15.24mm、L=3000mm 锚索配钢带支护，锚索排距2m。所有支护完成后再进行喷射混凝土支护，强度等级C25，喷体厚度不低于50mm。

3 柔模混凝土沿空留巷

3.1 配套装备

（1）柔模混凝土制备输送机组：浇筑混凝土采用柔模混凝土制备输送机组，型号为KTRHZSJ-50。包括地面混凝土干料准备和井下柔模混凝土制备输送系统，其中地面混凝土干料制备系统包括地面混凝土配料机、搅拌机各一台，生产能力为50m3/h，井下柔模混凝土制备输送系统包括煤矿用混凝土泵、煤矿用混凝土、煤矿用刮板式上料机、搅拌机各一台，配套管路300m。

（2）井下混凝土制备输送系统：井下混凝土制备输送系统包括煤矿用刮板式上料机、煤矿用搅拌机（55kW、660/1140V）和煤矿用混凝土泵（110kW、660/1140V），混凝土生产能力为80m³/h，井下设备的最大可靠输送距离为200m。

（3）设备布置：地面混凝土干料准备，柔模混凝土采用二次搅拌工艺。一次搅拌在地面搅拌均匀，使用常规搅拌机将水泥、石粉、外加剂等拌合干料。混凝土干料搅拌设备主要有混凝土搅拌机、配料机。干料储备量应满足至少1 天的施工用量。井下设备布置，井下柔模混凝土制备机组初期布置在机巷。由近及远进行泵送，最大输送距离300m，利用矿车将干料输送至井下柔模混凝土制备输送系统旁，将混凝土干料直接卸到上料机上。

3.2 技术要求

（1）针对采用挡矸工字钢沿空留巷段，需提前取斜撑钢梁。在斜撑钢梁下方搭建牢靠的平台，用防倒绳将斜撑钢梁两端捆扎好，取掉螺母和压板，人员远距离移除斜撑钢梁。

（2）顶板上布置一排φ=20mm、L=1000mm 螺纹钢式树脂锚杆作为植筋锚杆，间距0.5m，外露长度200mm。柔性模板上端两侧耳座固定采用φ=20mm、L=1000mm螺纹钢式树脂锚杆，锚杆间距0.6m，排距1m，外露长度不超过100mm，每根锚杆眼孔内装填一支CK2370 型树脂锚固剂。采用φ=16mm 圆钢穿入柔性模板两侧耳座边缘孔中。

（3）在挡矸工字钢下方挂设长度3m 或4m，宽度0.6m，高度随采高变化选择柔性模板，倾角85 ～87°。

（4）为控制柔模成形，采用φ=20mm、L=1000mm全螺纹钢式树脂锚杆，两端配托盘和螺母形成锚栓，间排距0.8m。柔性模板外侧采用戴帽点柱或单体液压支柱配方木进行支护，支柱柱距1m，在柔性模板与支柱间插入δ=50mm 木板，柔性模板靠工作面煤壁侧打设一根单体液压支柱，使其侧边呈凹状，成型后取掉该支柱，使相邻柔性模板之间实现密接，减少间隙和漏风。

（5）柔模注浆设备初期安装在机巷靠尾部进风石门端，后期移辗至底抽巷安装，泵送最大距离控制在300m以内。

（6）柔性模板挂好后，先使用清水对注浆泵进行清洗。泵注混凝土前，使用铁丝将混凝土输送管与灌注口外层绑扎，内层置于柔模内，起到自封闭作用。灌注完毕后处理好封口，尽量避免混凝土的流出。混凝土注入过程要注意振捣，确保柔模充实，特别是边缘及顶部。混凝土灌注近饱满时，应暂停5 分钟，待柔模中的水析出后，再灌注至饱满。

（7）柔模墙质量要求，柔模墙施工完好后，墙体必须接顶严实，锚栓张紧度适中，墙体不得出现孔洞，墙内空气排除干净，墙体不得歪斜。

（8）柔性模板注浆完成后，对支设的单体液压支柱进行包裹保护。对巷道顶帮锚网支护段进行喷射混凝土支护，强度等级为C20，喷体厚度50mm，滞后距离不超过4m。

4 结论

（1）结合矿井实际，在未采用护巷支架的情形下，针对性提出采用密集挡矸工字钢+锚网索喷联合支护和密集挡矸工字钢+柔模混凝土两种方式，成功实现急倾斜、大采高、中厚煤层条件下沿空留巷，成功实现区段煤柱完全回收。

（2）采用预裂爆破+铺缓冲层+反崩支柱+钢梁斜撑+整体连接等方式，成功阻挡采煤工作面初次来压和周期来压期间顶板垮落矸石冲击，实现沿空留巷巷道稳定。

（3）在机巷超前支护范围顶板施工钻孔，采用钻孔窥视仪对钻孔进行探测，掌握顶板离层情况，根据离层情况决定是否提前开帮，以减少对回采的影响。同时，采用钻孔窥视仪对沿空留巷段巷道顶板离层情况进行探测，以采取补强支护措施。

（4）对于要实施沿空留巷技术的采煤工作面，前期必须进行系统考虑，从采区设计、巷道施工设计等就要着手，否则后期再来进行系统改造是非常麻烦和复杂的，而且改造后还不一定方便使用。