寺家莊礦15117工作面沿空留墻技術應用分析

＊王瑞栓

（山西陽煤寺家莊煤業有限責任公司 山西 030600）

1.工程概況

陽煤寺家莊礦15117工作面開采的是15#煤層，煤層厚度5.2m～4.5m，平均4.85m，煤層傾角13°～4°，平均8°。為了保證回采巷道的穩定性，在回采時需要預留25m寬的煤柱。經過計算，回采一個工作面就要損失煤炭25萬噸，這不利于煤炭資源的利用。此外，開采的15#煤層經過鑒定還具有一定的突出性，在開采之前必須采取一定的措施進行消除，這大大降低了工作面的掘進速度，會造成采掘接替緊張的問題。為了解決煤柱損失問題和巷道掘進效率低的問題，采用沿空留墻技術。

2.沿空留墻技術開采設計

(1)沿空留墻技術原理

在15117工作面沿空留墻時，首先，在進風巷靠近15119工作面的一側沿煤柱澆筑混凝土應力墻；然后，在15117工作面回采完成且采空區穩定后，對采空區的頂板進行切頂；最后，在混凝土墻的一側掘進15119工作面的回風巷，這樣就可以實現無煤柱開采。

(2)擴幫支護設計

在15117進風巷內有大量的設備，例如皮帶以及列車等。為了不影響進風巷的正常使用，需要對15117進風巷進行擴幫來增大巷道的斷面。擴幫的寬度為2.5m、高度為5.5m。擴幫時要靠近煤柱一側進行擴幫而不是采空區一側，擴幫采用現有的EBH-55型掘進機。

在擴幫后巷道的斷面增加，為了維持巷道的穩定性，需要對擴幫區進行支護。支護參數為：頂板采用錨桿錨索支護，每排布置1根錨桿并施工2根錨索，間距960mm，排距1000mm，錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿規格為Φ20mm×2200mm，錨索規格為Φ17.8mm×7200mm；兩幫采用錨桿支護，每排布置5根，間距為0.8m，幫部最上根錨桿向上傾斜，最下根錨桿向下傾斜，傾角均為15°。

(3)沿空留墻墻體支護設計

墻體的強度對于沿空留墻的成功十分關鍵，因此，需要對墻體的受力進行計算。這里，采用“分離巖塊法”計算墻體的受力狀況，其受力如圖1所示。該方法簡化了墻體所受的載荷，認為巷道上方一定范圍巖體的自重是載荷的主要來源。在巖體上方存在離層時，沿煤壁處的巖體會以α角斷裂而進入無約束狀態。

圖1 分離巖塊法計算沿空留墻壓力的計算模型

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

經過計算可得，隔離墻所承受的應力為3.4MPa。此外，還需要考慮到動壓的影響，在動壓系數為2時，計算得到混凝土墻所承受的重力載荷為10200kN/m。而采用傳統的經驗法得到的墻體的受力為4860kN/m，為了安全考慮，則最終確定的沿空留墻承受的載荷應為10200kN/m。

為了使墻體具有足夠的承載能力，需要對墻體進行設計，其主要設計根據是GB50010-2010《混凝土結構設計規范》。在規范中，混凝土墻和柱的長度l0計算的規則為：①在兩端支撐為剛性的橫向結構時，長度等于高度；②在混凝土具有彈性移動支座時，取l0=1.25～1.5H，其中H為墻或柱的高度。沿空留墻屬于帶有彈性移動支座的情況，則混凝土墻的長度l0=1.5H。

查閱規范可知，混凝土墻體的正截面承載能力為：

式中：N-混凝土墻體的承載能力；φ-混凝土構件的穩定系數，l0/b=1.5H/b=1.5×4.1m÷1.5m=4.1。查閱規范可知，素混凝土構件的穩定系數；fcc-素混凝土抗壓強度設計值，C40混凝土時，fcc為21.1MPa。

混凝土墻體的承載能力為：

經過計算，混凝土墻體的承載能力為墻體的最大載荷的3倍左右。故可以認為，支護體的強度滿足安全生產的需求。

以上確定了柔模混凝土墻澆筑的主要參數，混凝土采用C40型號，墻體寬度1.5m；在墻體內安放錨栓，兩側布置橫向的鋼筋帶和鋼筋網。錨栓為Φ22mm×1650mm的螺紋鋼，布置的間距和排距分別為0.8m和0.75m。鋼筋鋼帶是由Φ16mm圓鋼焊接而成，外寬80mm，長度有1.2m、3m、3.6m三種。鋼筋網的鋼筋直徑為Φ6.5mm，網孔大小為100mm×100mm。沿空留墻的具體支護形式如圖2所示。

圖2 沿空留墻支護橫斷面圖

3.沿空留墻施工工藝

(1)沿空留墻擴幫設備布置方案

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。共需安裝2部800皮帶，頭部皮帶機頭在1號澆筑站，二部機頭在2號澆筑站。頭部皮帶長706m，二部皮帶長606m。

擴幫時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。1臺綜掘機安裝二運皮帶擴上部，另一臺掃底挖基礎。上部煤通過二運皮帶將煤運至下部綜掘機處，下部綜掘機掃底挖基礎時將上部擴幫落煤運至煤溜上，再通過煤溜轉載至皮帶上運至巷道口的煤倉中。

(2)沿空留墻施工工序

在混凝土干混料的制備時，要嚴格按照配比加入原材料，而且原材料要滿足國家標準。干混料在制備時需要加入專用的添加劑。在進行運輸時，必須要做好防水措施，需要采用專用的防水帆布將干混料蓋住。更為關鍵的是，要防止在運輸過程中干混料隨風飄散造成的環境污染。待干混料運輸到井下攪拌站，加入適量的水就可以進行澆筑使用。

在進行墻體澆筑時，基礎必須要超前墻體20m以上。為了保證施工的效率，基礎應該在墻體澆筑的前一天完成，澆筑完成后方可進行掛模和墻體澆筑。在后續的墻體澆筑過程中，應該保證混凝土基礎與頂板的垂直距離不超過4.1m，以便于模板的掛設。若基礎與頂板的距離超過了4.1m，則需要掛設額外的模板，以保證澆筑的順利施工。

柔性模板是具有一定強度、透水不透漿以及不易自燃的封閉長方體。在模板上有便于掛設的部件，主要有翼緣、灌注口、拉筋和錨栓孔。一般地，柔性模板不便于連接，所以在選擇時一定要根據巷道的高度來選擇柔性模板的高度。為了保證切頂的效果，模板的高度應該比巷道的高度高200mm。這里15117進風巷的高度在4.1m，所以模板的尺寸為3000mm×1200mm×4300mm（長×寬×高）。

4.技術效益和經濟效益分析

2017年3月中旬開始，寺家莊15117工作面開始進行沿空留墻工業性試驗。在試驗前做好充足的準備工作，主要是相應設備的安裝，例如綜掘機。皮帶機、混凝土澆筑設備等。為了不影響施工的速度，沿空留墻采用三班制。截止到2017年7月1日，沿空留墻施工全部完成，共澆筑柔性模板465個（3米一個），施工長度1370m。

在采用沿空留墻技術后，工作面可以不用再留煤柱，工作面可以多回采25萬噸煤炭。根據噸煤售價500元計算，可創造收益1.25億元。回收煤柱的寬度在25m，而工作面的寬度在220m，則可以提高煤柱資源的回收率10%左右。根據以往的沿空留墻技術施工經驗，工作面煤炭可以推進6m左右，巷道的掘進速度可以提高1.5倍左右。此外，由于沿空留墻巷道掘進在卸壓區范圍內，瓦斯得到充分的釋放，降低了發生瓦斯突出的可能性。沿空留墻技術推廣后，以山西陽煤寺家莊煤業有限責任公司每年回采兩個工作面計算，則每年可多回收煤炭50萬噸，創造經濟效益2.5億元。

5.小結

本文介紹了沿空留墻技術的設計以及施工工藝，可以為類似條件下煤礦開采提供一定的參考。這項技術不僅能大幅度提高煤礦巷道的掘進速度，還能減少煤炭資源的損失，具有廣泛的推廣前景。但是在墻體澆筑時三班不間斷進行，對柔模混凝土制備輸送機組的檢修及清理工作做得不夠，這會導致混凝土常凝固在攪拌軸上，攪拌能力降低，增大堵管的概率。