厚煤層堆噴混凝土沿空留巷技術研究與應用

韓紅兵

（冀中能源峰峰集團 辛安礦，河北 邯鄲 056200）

1 概況

隨著礦井不斷開挖生產，辛安礦已進入資源枯竭期，為提高煤炭回收率及延長礦井服務年限，在11212-2 煤柱工作面運料巷實施沿空留巷。辛安礦11212-2 煤柱工作面，主采2 號煤層，平均厚度4.4 m，采用綜合機械化放頂煤方法回采，走向長873 m，傾斜長166 m（平均），切眼采用摸頂掘進，臥底至大煤底板，進行摸底安裝支架和回采。11212-2 運料巷采用“堆噴混凝土沿空留巷”技術留巷長度770 m，成巷效果較好。

2 堆噴混凝土沿空留巷工藝

2.1 超前預裂爆破切頂

在11212-2 工作面運料巷超前支護段以外，在巷道頂板靠近采幫的肩角位置沿巷道軸向均勻布置一排切頂鉆孔。保證切頂鉆孔沿巷道軸向在同一個平面上。與水平成55°夾角施工切頂爆破鉆孔，鉆孔傾斜長度為15 m，鉆頭直徑為48 mm。從孔底開始，依次放置6 節長度為1.5 m 的聚能管和1節長度為1 m 的聚能管，每節聚能管放置4 個藥卷，1 m 長的聚能管內放置3 個藥卷，每個切縫鉆孔內使用4×6+3=27 卷（規格為φ32 mm×300 mm、質量0.3 kg/卷的煤礦許用三級乳化炸藥，單孔使用聚能管7 節，炸藥卷27 卷）。鉆孔剩余5 m部分，使用專用封孔炮泥封堵孔口，頂孔間距1 m。11212-2 煤柱工作面切頂爆破示意如圖1所示。

圖1 11212- 2 煤柱工作面切頂爆破示意Fig.1 Indication of roof cutting blasting in No.11212-2 Face

2.2 沿空留巷

2.2.1 支護原理

沿空留巷是由煤幫、巷旁支護及巷道上方頂板巖層所圍成的空間，留巷成功的關鍵在于保持此小結構的穩定。煤系巖層為脆性材料，巷道頂板稍有離層或下沉變形就會發生斷裂破壞。

沿空留巷圍巖由巷內支護及巷旁支護共同承載，由于巷內錨網支護能力有限，因此，必須要求巷旁支護墻體盡早形成對頂板的高強支撐，阻止留巷頂板離層及下沉變形，同時能夠發揮切頂柱的作用，切斷采空側的懸臂頂板，使沿空留巷的基本頂巖層在采空區側斷裂，減輕沿空巷道所承受的側向壓力。

沿空留巷圍巖小結構示意如圖2 所示。

圖2 沿空留巷圍巖小結構示意Fig.2 Small structure of surrounding rock in gob- side entry retaining

2.2.2 堆噴沿空留巷工藝

堆噴工藝是一種新型的構筑混凝土墻體的方法，是將砂石料、水泥、JCT-1 噴射混凝土外加劑在潮濕（或干燥） 狀態下按一定比例拌和均勻后裝入噴射機，用壓縮空氣將混合料沿管路輸送至噴頭處與水混合，并高速噴射至作業面，形成噴層或構筑墻體，如圖3 所示。

圖3 堆噴工藝構筑巷旁墻體示意Fig.3 The sign of building roadside wall by heap spraying technology

堆噴工藝構筑的混凝土墻體或噴層具有如下特點。

①施工僅需構筑簡易檔板，一次噴層厚度大，墻體成型快，無需支模和養護；②噴層具有高粘附性，降塵封水，回彈率小于5%；③早強且不損失最終強度，終期強度超過C30；④接頂效果好，噴層與巖層共同承受荷載；⑤墻體具有高密度、高強度、微膨脹特性，密實不漏風；⑥施工設備體積小，快速靈活方便，節約了投資和勞力，施工效率較高。

堆噴工藝構筑沿空留巷巷旁墻體施工速度快、操作方便，不損失混凝土強度，成本低，符合煤礦井下安全生產要求。堆噴工藝筑墻的速度主要和噴射機的噴射能力有關，在噴射機噴射能力滿足要求的情況下，堆噴工藝的速度可達7～8 m3/h，對提高筑墻速度，減少工人勞動強度，縮短工期，促進煤礦安全高效生產具有重要意義。

井下現場做試塊，委托河北工程大學采礦工程實驗室做單軸抗壓強度測試，實測得到的堆噴混凝土強度曲線，如圖4 所示，3 d 強度即可達到19.43 MPa，28 d 強度可以達到40.6 MPa。

圖4 堆噴混凝土強度曲線Fig.4 Strength curve of pile-sprayed concrete

2.3 堆噴混凝土沿空留巷實施方案

（1） 留巷基本方式。超前切頂卸壓+補強錨索+堆噴巷旁墻體聯合支護。

（2） 巷旁擋矸方式。緊跟工作面液壓支架，沿采空區邊緣開挖基礎坑，并打設木點柱擋矸，木點柱靠巷道內側鋪雙層金屬網+風筒布。

（3） 留巷支護。留巷臨時支護、超前支護及滯后支護均使用單體液壓支柱+鉸接頂梁支護。

（4） 巷旁墻體尺寸。原巷道中線高度3.2 m，堆噴巷旁墻體中心線高度2.8 m，墻體高度為3.3 m（含基礎坑0.5 m），墻體底部寬度為1.2m，頂部寬度為1.0 m。

（5） 堆噴巷旁墻體。墻體靠采空側為木點柱+鋼筋網+風筒布+鋼筋網，墻體靠留巷側架設一層鋼筋網，鋼筋網直徑為6 mm、網格尺寸為100 mm×100 mm（一方面發揮構造配筋的作用，另一方面起到控制墻體外形輪廓的作用），相鄰鋼筋網片與鋼筋網片之間重疊100 mm，并用鐵絲捆扎；沿墻體高度從底板向上均勻布置4 根長度為1～1.2 m 的橫向鋼筋，頂底拉筋直徑6 mm，中間2 根采用直徑18 mm 的錨桿，（錨桿靠近采空區側折成彎鉤，巷道側上120 mm×120 mm×16 mm 的托盤，在中間2 排對拉錨桿上，每排順巷道再加2 趟配筋錨桿；為加強墻體整體性和穩固性，配筋錨桿布置在墻體中線偏向兩側各0.2 m 處，間距0.4 m） 固定網片位置，沿豎直方向同一列橫向固定鋼筋的間距為1.0 m，相鄰兩列之間的排距為1.0 m，配筋與頂板底板外露錨桿用14 號鐵絲固定牢固。靠留巷側的堆噴層覆蓋鋼筋網片5～10 mm，墻體底部的基礎坑內鋪設一層φ6 mm 鋼筋焊接的寬度為1.2 m、網格尺寸為100 mm×100 mm 的金屬網片。

（6） 堆噴設備及工藝。利用礦車下料至井下臨時料場處，在材料場按配合比混合好堆噴干料，混凝土噴射機在材料場通過管路輸送至施工處，緊跟采煤工作面機尾支架，堆噴作業構筑巷旁墻體。

（7） 留巷作業。檢修班超前爆破切頂和補打加強錨索，運料及其他準備工作。生產班采煤、擋矸臨時支護、滯后臨時支護、堆噴構筑巷旁墻體。

2.4 技術優勢

堆噴混凝土巷旁墻體發揮隔離采空區和支撐巷道頂板的作用，該沿空留巷技術具有墻體承載能力高、密封性好、安全可靠、施工效率高、材料來源廣泛、經濟成本低、不受煤層厚度及采煤工藝限制等特點，堆噴構筑巷旁墻體可以對留巷頂板及時提供高強支撐，具有廣泛適應性和推廣性。

3 效益分析

3.1 經濟效益

回收煤柱長度770 m、寬8 m，即4 萬t，創造價值6720 萬元。減少巷道掘進770 m，掘進成本4500 元/m，可節約成本347 萬元。噸煤完全成本480 元，4 萬t 原煤，生產費用為1920 萬元。留巷施工成本6236 元/m，工程量770 m，總成本480萬元。多采煤炭資源價值+節約掘巷成本- 原煤生產費用- 留巷施工成本=總效益4667 萬元。

3.2 社會效益

在煤炭資源日趨枯竭的環境下，采用無煤柱開采，可提高煤炭回收率，延長礦井服務年限，有效解決工作面銜接緊張的問題。該沿空留巷墻體支撐強度大，對采空區的封閉性較好，降低了巷道收斂量及采空區自燃發火的風險。該項目的實施，為其它工作面的設計和布置提供了新思路，為下一步的推廣使用總結了經驗。