構筑隔離墻切頂自成巷沿空留巷技術

魏文凱

(晉城煤業集團 沁秀煤業有限公司，山西 晉城 048000)

晉城地區開采3#、9#、15#煤層，目前以3#煤層為主，煤層厚度約6 m，開采方式為分層開采、綜放開采和大采高開采。岳城煤礦礦井相對瓦斯涌出量最大為61.87 m3/t，絕對瓦斯涌出量最大為195.29 m3/min，屬于高瓦斯礦井。采用分層開采方式，雙巷掘進及其形成的雙U通風方式，雖能在一定程度上緩解高瓦斯礦井綜掘及回采過程中瓦斯災害治理的難度，但兩次采動將導致相鄰工作面間區段煤柱兩側巷道底鼓和兩幫變形嚴重，且區段煤柱無法回收。因此，目前的開采方式不僅浪費了資源，降低了回采率，而且重復采動應力作用下不利于巷道圍巖穩定[1-3]. 無煤柱開采切頂卸壓自動成巷“110”工法，能緩解礦井采掘銜接緊張的問題，降低回采工作面后方沿空留巷的復雜性，在各礦區、礦井得到成功應用[4-9]. 因此，在岳城煤礦2301(上)工作面進行切頂自成巷無煤柱沿空留巷試驗。

1 工程概況

1.1 基本情況

岳城煤礦2301(上)工作面3#煤層底板標高+420～+200 m，埋藏深度195～495 m，3#煤層厚4.01～7.24 m，平均6.13 m. 煤層綜合柱狀圖見圖1. 采取分層開采方法，上分層采高3 m. 煤層平均傾角為3°，區段煤柱寬度27 m. 2301(上)工作面布置平面圖見圖2. 在2301(上)工作面三橫川與四橫川之間200 m的23011皮帶巷內靠煤柱側幫擴巷澆筑砼隔離墻進行沿空留巷試驗。

圖1 煤層綜合柱狀圖

圖2 2301(上)工作面布置局部放大圖

1.2 切頂留巷技術分析

切頂卸壓自成巷沿空留巷技術對煤層賦存特征要求主要包括以下4點：

1) 工作面煤層采高≤4 m. 2) 工作面煤層傾角≤25°. 3) 工作面埋深≤1 000 m. 4) 工作面頂板不受強含水層威脅。

2301(上)工作面分層采高3 m，平均傾角為3°，埋深<500 m，水文地質報告表明煤層開采不受強含水層威脅。因此，礦井3#煤層上部工作面的賦存條件符合切頂自成巷無煤柱開采技術要求。

2 混凝土隔離墻擴巷構筑工藝及墻體參數設計

2.1 混凝土隔離墻擴巷構筑工藝

1) 小斷面擴巷及其支護設計。

小斷面擴巷高度與原巷相同，擴巷寬度較預澆筑墻體寬度大0.5 m. 在澆筑墻體兩側分別垂直頂板打設一根d22 mm×2 400 mm的錨桿，排距為1 000 mm，在墻寬中部垂直頂板打設一根d22 mm×8 000 mm的錨索，排距為2 000 mm. 擴巷實體煤幫均采用d22 mm×2 400 mm錨桿，每排打設3根錨桿和錨索，錨固預緊力分別≥50 kN、≥100 kN.

同時對原巷和擴巷進行清底加錨，做混凝土臥底，并每50 m采取不同的上述基底加固措施。推薦采用加筋的方法提高混凝土臥底強度，在臥底截面中部布置一層間排距0.35 m的d18 mm鋼筋，其中橫向鋼筋向新掘巷道側外露0.15 m，便于與新掘巷道臥底接茬。

擴巷掘進、擴巷澆筑墻體的支護設計參數見圖3.

圖3 擴巷支護設計圖

2) 墻體構筑工藝。

構筑柔模混凝土隔離墻涉及的主要系統包括地面攪拌站、干混料運輸系統、礦用刮板上料機、礦用混凝土攪拌機、礦用混凝土泵等。采用地面配置干混料、井下制備混凝土的作業方式。

材料配比：水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥；砂子采用II區中砂，含泥量(按質量計)≤3%，泥塊含量≤1%；石子為5-20連續級配碎石，5～10 mm的比率為40%，10～20 mm的比率為60%；專用外加劑用以提高柔模混凝土的早期強度、減少單位柔模混凝土的用水量、提高柔模混凝土的拌合黏度及泵送性能。

構筑工藝：利用靠近預澆筑墻體兩側打設的單體和木點柱將柔模壓在頂板上，利用木點樁、單體及頂板錨桿索的固定作用，由木點樁向外從頂到底全斷面鋪設擋矸金屬網。柔性模板掛設以后，將控制厚度的錨栓穿過模板，在模板兩側布置橫向與縱向鋼筋鋼帶，進一步約束澆筑過程中柔模變形，防止產生鼓肚現象。3號煤層2301(上)工作面柔模混凝土結構幾何示意圖見圖4，最后泵送混凝土澆筑。

圖4 柔模結構幾何示意圖

2.2 混凝土墻體參數設計

擴巷掘進留設的混凝土隔離墻會先后經歷鄰近工作面兩次采動應力的影響。如果頂板結構與隔離墻呈穩定狀態保持一個統一的整體結構，則巷道是穩定的；如果回采后頂板結構發生跨斷，則隔離墻將承受上覆巖層集中應力的作用。依據礦山壓力理論確定其力學模型，見圖5.

q—巷旁混凝土隔離墻被動支護荷載 rs—隔離墻支撐的分離巖體自重 q1—受采動影響上覆巖層施加給分離巖體的采動應力 H—分離巖體高度 h—采高 b—墻體寬度 a—留巷寬度 c—墻體靠近采空區側分離巖體的懸頂寬度 α—分離巖塊破斷角圖5 混凝土隔離墻受力圖

若不受工作面采動影響，則隔離墻所受的支撐壓力為：

代入參數計算，當C30混凝土墻體寬度>1.0 m時，其安全儲備系數均超過1.72；當混凝土墻寬為3.0 m時，安全儲備系數已達3.94. 綜合考慮安全和經濟因素，推薦混凝土強度等級C30，隔離墻體寬度1.5～2.0 m.

3 深孔爆破切頂卸壓關鍵參數設計

3.1 切頂卸壓高度的確定

為獲得理想的切頂卸壓效果，深孔爆破切頂高度應不小于采空區垮落帶高度。頂板切頂高度公式為：

Hy≥Hk

2301工作面回采時，23011原巷切頂高度Hk為10.95～15.95 m，考慮到巷道頂板巖層分布特征，推薦切頂高度至少為14 m.

3.2 切頂卸壓孔間距的確定

由爆破理論可知，隨爆破孔孔徑的增大，炸藥爆炸釋放的爆能越多，爆破致裂影響范圍越大，但爆破產生的動力擾動增強，將不利于留巷頂板管理。因此，推薦采用小孔徑非耦合深孔爆破技術對隔離墻外原巷堅硬頂板進行爆破預裂切頂卸壓。

基于爆破理論和波動理論，推導出柱狀裝藥條件下沿爆破孔徑向的粉碎區和裂隙區范圍的解析解。根據資料可知，2301工作面頂板砂巖的彈性模量E=2.0～3.0 GPa，泊松比v=0.25，單軸靜力抗壓強度σc=40～60 MPa，單軸抗拉強度σt=2.0～3.0 MPa，若動態應變率取102～104s-1，藥包d35 mm，爆破孔d46 mm，則在礦用三級乳化炸藥爆破作用下，頂板深孔爆破粉碎區和裂隙區半徑分別為0.07～0.10 m和0.52～0.73 m.

根據爆破理論計算結果，結合已有工程經驗，岳城煤礦3號煤層2301工作面切頂卸壓孔的間距初步設計為1.0 m.

3.3 切頂卸壓工藝

綜合上述理論研究成果，結合已有的工程經驗，初步確定切頂爆破卸壓的參數如下：

1) 爆破孔開孔位置在23011原巷頂板距墻體0.75～0.9 m.

2) 爆破孔d46 mm，垂深14 m，斜長約15 m，朝向2301工作面和后方采空區布置，在橫剖面內切頂鉆孔傾向2301工作面，與豎向夾角為10°，在縱向剖面內切頂鉆孔朝向采空區，與豎向夾角為15°.

3) 爆破孔間距1.0 m，非耦合裝藥形式，藥包d35 mm，非耦合裝藥系數為1.25.

4) 封孔長度≥6 m.

5) 深孔爆破切頂應至少超前工作面50～100 m進行，且嚴格遵守礦井爆破安全規程條文規定進行爆破致裂。人工強制切頂鉆孔橫向剖面圖見圖6.

圖6 人工強制切頂鉆孔橫向剖面圖

4 效果考察

實施切頂卸壓后，在澆筑墻體切頂留巷區域布置10組表面位移測點，選取3個具有代表性的測點，測點巷道表面位移分別見圖7，8，9. 從圖7，8，9可以看出，在兩個工作面回采過程中，墻體鼓出量最大不超過200 mm，留巷巷道兩幫平均鼓出量300 mm，頂板下沉量不足100 mm. 巷道圍巖變形得到控制，保障了巷道通風斷面，滿足二次使用。

圖7 2#測點巷道表面位移圖

圖8 5#測點巷道表面位移圖

圖9 8#測點巷道表面位移圖

5 結 語

1) 通過現場生產地質條件分析得出，2301(上)工作面分層采高3 m，平均傾角為3°，埋深小于500 m，不受強含水層威脅，符合切頂自成巷無煤柱開采技術要求。

2) 確定了擴巷支護參數、墻體構筑工藝和墻體參數，混凝土強度等級C30，隔離墻體寬度1.5～2.0 m.

3) 確定爆破切頂關鍵參數，垂直高度14 m，鉆孔間距1 m. 非耦合裝藥形式，藥包d35 mm，非耦合裝藥系數為1.25，封孔長度不低于6 m，超前工作面50～100 m實施。

4) 效果考察表明，在兩個工作面回采過程中，墻體鼓出量最大不超過200 mm，留巷巷道兩幫平均鼓出量300 mm，頂板下沉量不足100 mm，控制了圍巖變形，保障了巷道通風斷面，滿足二次使用。