大采高工作面順槽預設混凝土墻體無煤柱開采技術

郭俊良

（陽泉煤業（集團）有限責任公司生產技術部，山西 陽泉 045000）

留設煤柱工藝不僅浪費大量煤炭，同時增加了采空區自然發火的概率。在突出煤層掘進過程中，大量的防突措施限制了掘進速度，增加了掘巷成本，沿空掘巷無煤柱技術是合理的[1-3]。

陽泉煤業（集團）寺家莊煤礦屬于煤與瓦斯突出礦井，現采15#煤層平均厚度4.82m，留設煤柱工藝造成大量的煤炭損失，故決定在15117工作面進風巷實施柔模混凝土擴巷，為下一區段采煤工作面創造沿空掘巷條件，真正實現無煤柱開采。

柔模混凝土擴巷無煤柱開采技術原理是在15117工作面回采前，沿15117進風巷煤柱幫澆筑一道柔模混凝土連續墻，待15117工作面回采后且圍巖趨于穩定時，沿墻體掘進巷道作為下一工作面回風巷。

1 項目概況

15117工作面主采15#煤，工作面埋藏深度431～493m，設計走向長度1460m，傾向長度220m，煤層傾角為4～13°，平均8°，煤層厚度4.5～5.2m，平均4.85m。工作面采用走向長壁采煤法，綜合機械化大采高一次采全高采煤工藝，全部跨落法管理頂板。

擴巷巷道是15117進風巷，沿15#煤層頂板隨層掘進。掘進斷面為矩形，掘進寬度5.2m，高度4.1m，斷面積為21.32m2。巷道凈斷面寬度5.0m，高度4.0m。15117工作面進風巷斷面及支護圖見圖1。

圖1 15117工作面進風巷斷面及支護圖 （單位：mm）

2 沿空掘巷巷道支護參數

2.1 擴幫支護設計

15117工作面擴幫寬度2.5m，頂部每排布置1根錨桿2根錨索，錨桿錨索相間布置，間距960mm，排距1000mm，采用波紋鋼帶組合支護。錨桿規格Φ20×2200mm，左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨索規格為Φ17.8×7200mm。

擴幫區煤幫采用錨網支護，支護參數為：幫錨桿每排5根，間距800mm，幫部最上一根錨桿距頂300mm，向上傾斜15°布置。最下一排錨桿距底板600mm，向下傾斜15°布置。其他錨桿垂直巷幫打注。

2.2 底板置換技術

15117工作面進風巷沿煤層頂板掘進，底板留有1.5～2m厚的底煤，為了保證沿空掘巷墻體的穩定及防止墻體鉆底，故需將底煤進行處理。

考慮到施工因素，采用混凝土將底煤置換，即在進行擴幫時，將擴幫處進行起底，起底深度不小于1.5m，后采用混凝土澆筑填平，沿空掘巷墻體坐落于堅實的混凝土基礎上。

沿空掘巷擴幫及支護圖見圖2。

圖2 沿空掘巷擴幫及支護圖 （單位：mm）

2.3 巷旁支護設計

采用C40三維紡織結構柔模混凝土澆筑隔離墻體，墻體寬度1500mm，墻體內布置橫向錨栓，兩側布置橫縱向鋼筋鋼帶，兩側鋪設鋼筋網。

錨栓規格Φ22×1650mm螺紋鋼，500號鋼，間排距為800×750mm；桿體兩端都設有絲扣，每段絲扣長度100mm；桿體兩端各配一套高強度托板、調心球形墊和尼龍墊圈，托板采用150mm×150mm×10mm拱形高強度托盤；墻體成型1d后，給錨栓施加預緊力，預緊扭矩不小于150N·m。

鋼筋鋼帶用Φ16mm圓鋼焊接而成，鋼筋鋼帶外寬80mm，采用長度為1.2m、3m、3.6m三種規格；鋼筋網Φ6.5mm，網孔100×100mm。

距離煤幫800mm澆筑柔模混凝土墻體，施工時墻體兩側采用單體支柱掛設柔性模板。

沿空留墻巷旁支護設計圖見圖3。墻體錨栓及鋼筋鋼帶布置圖見圖4。

圖3 沿空留墻巷旁支護設計圖 （單位：mm）

圖4 墻體錨栓及鋼筋鋼帶布置圖 （單位：mm）

3 沿空掘巷施工工藝

3.1 工藝流程

15117工作面擴巷施工工藝流程包括擴幫及起底、巷道支護、混凝土干料制備及運輸、基礎澆筑、掛設柔模、墻體澆筑等工序。施工工藝流程圖見圖5。

圖5 施工工藝流程圖

3.2 擴幫及起底

為了保證15117工作面的正常回采，沿空掘巷施工決定在3個月內完成，故采用4臺55型掘進機進行施工。擴幫分為兩個擴幫頭，一頭2臺掘進機臺階型施工，第一臺掘進機施工上部臺階，擴幫寬度2.5m，高度3m，第二臺掘進機進行擴幫及起底，高度2.5m。

第一個擴幫頭位于15119切眼處，由里向外擴幫，擴幫長度350m。第二個擴幫頭位于距15119切眼350m處，由里向外擴幫。第一個擴幫頭350m施工完成后，將設備移至距15119切眼1000m處向外擴幫，第二個擴幫頭一直向外擴幫，完成650m后設備移出升井。

3.3 混凝土干料的制備與運輸

（1）混凝土干料配合比

沿空掘巷施工采用C40混凝土，混凝土配合比見表1。

表1 C40混凝土配合比

（2）混凝土干料的用量

根據設計，15117工作面沿空掘巷墻體澆筑每日施工20m，加上基礎澆筑，則每日需混凝土干料250m3，1.5t固定廂式礦車體積為1.7m3，按照每車裝混凝土干料1.5m3計算，則每天需運輸160車。

（3）混凝土干料運輸

混凝土干料由地面商混站制備，采用膠輪車運輸至井口料場，用鏟車將干料裝入礦車下井，運輸至15117進風巷巷口，采用皮帶將混凝土干料輸送至井下混凝土機攪拌站。

3.4 基礎澆筑

基礎澆筑超前墻體20m，保證在掛設柔模時基礎具有足夠的強度。每次基礎澆筑的長度根據巷道坡度確定，巷道坡度較小時，一次澆筑長度可以提高至10～15m左右，坡度較大時，縮短一次澆筑長度至4～6m，保證基礎完成后，巷道頂板距基礎頂面的距離不超過4.1m。

3.5 掛設柔模

柔性模板是一個長方體結構，四周全封閉僅留一個注漿口用于泵注混凝土，由翼緣、灌注口、拉筋、錨栓孔等組成，尺寸為長×寬×高=3m×1.5m×4.3m。

掛設柔性模板時，沿長度方向將掛模鋼筋插入頂部翼緣，用單體將掛模鋼筋固定在頂板澆筑位置上，將高強螺紋鋼筋插入預留錨栓孔，上鋼筋網及橫豎鋼筋梁，擰上托盤螺母，柔模掛設完畢。

3.6 泵注混凝土

混凝土泵注采用柔模混凝土制備輸送機組。該機組包括攪拌機和混凝土泵，混凝土干料通過皮帶輸送至攪拌機內，通過攪拌機加水進行攪拌，攪拌均勻后由混凝土泵經由輸送管泵注進柔模內。

4 混凝土強度觀測

施工過程中采用混凝土回彈儀對混凝土強度進行觀測，觀測數據見表2。

表2 混凝土回彈儀觀測數據

由表2可以看出，柔模混凝土一天強度可達11MPa，達到設計強度的27.5%，3天可達設計強度的65.2%，7天即可達到設計強度40MPa。

5 結論

截至目前，擴巷施工30天，施工距離560m，最快施工速度可達每天30m，滿足工期要求。

混凝土墻體最終強度達到46MPa，達到設計強度115%，強度滿足設計要求。

15117 工作面進風巷擴巷的實施，可以實現真正無煤柱開采，僅回收煤柱一項，即可多回收煤炭資源30萬t，可創造經濟價值1.5億元。

寺家莊煤礦沿空掘巷的實施，為陽煤集團大采高工作面無煤柱開采提供了寶貴經驗，對大采高工作面的無煤柱開采具有重要意義。