15119 工作面無煤柱開采技術研究與應用

王瑞栓

（山西陽煤寺家莊煤業有限責任公司，山西 晉中 045300）

1 工程概況

山西陽煤寺家莊煤業有限責任公司11509 工作面位于15#煤層，地面標高+918～1068 m，井下標高+487～576 m，煤層平均厚度4.8 m，平均傾角8°，頂板巖層為砂質泥巖和粉砂巖，底板巖層為砂質泥巖、11#煤和細砂巖。為提升煤炭采出率，在11509工作面鄰近15117 工作面回采前，在進風巷靠近11509 工作面一側進行沿空留墻，當11507 工作面回采完畢穩定后再沿墻進行15119 工作面回風巷巷道的掘進作業。

2 無煤柱開采技術

2.1 技術原理

15117 工作面回采前，在該工作面進風巷內沿著煤柱幫一側進行墻體的澆筑，墻體材料采用柔模混凝土，隨后15117 工作面進行回采作業，在15117 工作面回采完畢后可進行11509 工作面回風巷的掘進作業，11509 工作面回風巷沿著預留墻體的邊緣進行掘進，實現了11507 和11509 之間完全無煤柱開采[1-3]。15119 工作面無煤柱開采技術原理圖如圖1。

圖1 15119 工作面無煤柱開采技術原理圖

2.2 施工工藝

15119 工作面沿空留墻施工工藝流程、設備布置方式如下：

（1）運料方式。主運輸采用皮帶和煤溜運輸。在15117 工作面進風巷口處安裝一部煤溜和一部翻矸車，煤溜挖地槽，混凝土料裝車后通過道岔進入翻矸車，將混凝土料翻至煤溜，煤溜搭接皮帶進行運輸。

（2）澆筑站布置。澆筑站布置2 個，1 號澆筑站布置在頭部皮帶機頭位置，2 號澆筑站布置在二部皮帶機頭位置。待1 號澆筑站澆筑700 m 后將設備倒至2 號澆筑站。澆筑站不再施工硐室，直接放在皮帶機頭前方，混凝土直接通過皮帶至澆筑設備中。

（3）擴幫工藝。先在巷道中施工切口，在切口里安裝綜掘機。每個切口安裝2 臺綜掘機和1 部煤機。1 臺綜掘機安裝二運皮帶擴上部，另一臺掃底挖基礎。

2.3 沿空留墻圍巖壓力分析

為掌握預留墻體所承受的圍巖壓力大小，結合現有礦壓理論，確定采用“分離巖塊法”進行分析。該理論是將留巷和支護體上方一定范圍內的巖塊視為墻體所受的載荷，墻體處于鄰近采空區冒落區域未采動煤體側之間的降壓區，隨著回采動壓的擾動，基于巖層層狀賦存的特征，且鄰近采空區給巖塊提供了自由面，故假設巖塊會沿著煤壁成α 破斷，則破斷后巖塊的重量即為作用到墻體上的主要荷載來源[4-6]。具體理論計算模型如圖2。

圖2 分離巖塊法計算沿空留墻壓力的計算模型

式中：q 為隔離墻載荷，MPa；bB為隔離墻內側到煤幫的距離，即15119 回風巷掘巷寬度，取值5 m；x 為隔離墻寬度，取1.5 m；bc為隔離墻外側懸頂距，取0.3 m；γ 為頂板分離巖塊容重，取26 kN/m3；h 為采高，取5 m；α 為剪切角，根據經驗選取為26°；θ 為煤層傾角，為8°。

結合工作面的具體地質條件，確定bB=5 m，x=1.5 m，bc=0.3 m，γ=26 kN/m3，h=5 m，α=26°，θ=8°。將數據代入上式，計算可得隔離墻承受的載荷為：q=3.4 MPa。

考慮2 的動壓系數，計算得出墻體所受壓力為10 200 kN/m。

3 圍巖控制及效果

3.1 圍巖控制方案

（1）沿空留墻墻體寬度參數。11507 工作面進風巷的沿空留墻寬度設置為1.5 m，筑墻采用C40混凝土，筑墻工藝采用柔模混凝土工藝，結合《混凝土設計規范》中墻體承載能力驗證公式為：

式中：N 為紡織結構混凝土墻體的承載能力，kN/m；φ 為素混凝土構件的穩定系數，l0/b=1.5H/b=4.1，查閱規范得φ=0.97；fcc為素混凝土抗壓強度的設計值，C40 混凝土時，fcc=21.1 MPa。基于上述數據，計算得出C40 柔模混凝土墻體的承載能力為30 700.5 kN/m，與上述計算得出的墻體所受荷載相比，其承受能力約為所受荷載的3 倍，據此可判斷出采用1.5 m 的C40 混凝土作為墻體滿足使用要求。

（2）切頂卸壓方案。為減少15117 工作面采空區頂板對墻體及15119 工作面礦壓影響，在15117進風巷墻體740～1240 m 段（隨墻掘進300～800 m段），對頂板進行水力壓裂。壓裂長度共計500 m，其中：1240～1040 m 之間施工單排孔200 m，鉆孔總長度820 m；1040～840 m 之間施工雙排孔200 m，鉆孔總長度1480 m；在840～740 m 之間施工單排孔100 m，鉆孔總長度410 m。施工區域總長度為500 m，三個區域共計施工鉆孔長度為2910 m。壓裂鉆孔長度為41.1 m，間距12 m，壓裂深度為11.7～41.1 m，每1.5 m 壓裂一次，每次不少于30 min。

（3）支護方案設計。15119 工作面回風巷斷面為矩形，巷道掘進寬度為5.4 m，掘進高度為4.1 m，巷道內部的基本支護采用錨網索支護。現考慮到頂板巖層整體性較差的特征，為應對5.6 m 厚砂質泥巖直接頂及容易離層的0.4 m 厚粉砂巖和1.5 m 厚的細粒砂巖，確定頂板采用全錨索支護，使頂板軟弱巖層通過全錨索端錨懸吊在5.5 m 厚的穩定中粒砂巖巖層內，錨入中粒砂巖中的深度約在1.5～2 m。具體頂板錨索端錨關鍵層位支護如圖3（a）。

巷道頂板支護：采用6 孔W 鋼帶打注錨索，錨索規格為Φ21.6 mm×8200 mm，錨索托盤規格為300 mm×280 mm×14 mm 異形W 錨索托盤，間排距為1000 mm×1000 mm，角錨索距兩幫200 mm，所有錨索垂直巷頂打注。經緯網長邊垂直掘進方向鋪設，經緯網規格為5800 mm×1100 mm，頂W 鋼帶規格為BHW235/280/6-5300-1000-6。煤柱幫為寬1.5 m 高強度預留墻體，墻體之間及墻體與頂板接頂處全長噴漿封閉，噴漿厚度為100 mm。現為防止巷道圍巖的變形，在滯后掘進工作面400 m 時，進行補強錨索支護，補強錨索Φ21.6 mm×9700 mm 的1×7 股鋼絞線，頂板布置三根補強錨索。

采幫采用錨桿（鋼護板）+錨索+菱形網聯合支護。采幫每排錨索、錨桿共布置5 根，間距為800 mm，從上至下第一、第二、第三根布置錨索，第四、第五根布置錨桿，最上一根距頂300 mm，最下一根距底600 mm，所有錨索、錨桿垂直巷幫打注。錨索規格為Φ17.8 mm×4200 mm，錨桿規格為Φ20 mm×2200 mm 左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，錨桿索排距均為1000 mm，錨桿索間同樣通過W鋼帶進行連接，并采用規格為4400 mm×1100 mm的菱形網進行護表。

具體巷道支護方案如圖3（b）。

3.2 效果分析

為分析15119 工作面回風巷的圍巖控制效果，從巷道掘進迎頭開始，隨著巷道的不斷向前掘進，每50 m 布置一個巷道表面位移監測站，根據監測結果得出曲線如圖4。

圖3 錨索錨固層位及巷道支護斷面圖

圖4 15119 工作面回風巷圍巖變形量曲線

通過分析圖4 可知，掘進期間圍巖變形主要發生在滯后掘進工作面0～80 m 范圍內，隨后隨著掘進作業的進行，監測斷面巷道表面位移速率逐漸減小。當監測斷面滯后掘進工作面130 m 時，此時圍巖變形量基本達到穩定狀態，最終巷道頂底板和兩幫最大移近量分別為220 mm 和240 mm，圍巖變形量滿足回采巷道的使用要求。

4 結論

根據15119 工作面的地質條件，結合沿空留墻技術原理和施工工藝，通過計算沿空留墻承載壓力，設計留墻采用C40 柔模混凝土，墻體寬度為1.5 m，驗證得出墻體承載力滿足使用要求，并基于巷道圍巖條件和墻體參數進一步對巷道支護方案進行設計，通過巷道表面位移監測結果得出，15119 工作面回風巷在該種支護方案下圍巖控制效果良好。