沿空掘巷扩帮充填墙参数设计与应用效果

徐 镇

（晋能控股煤业集团王庄煤业，山西 长治 047100）

采煤技术、支护方式的不断创新，催生了井工煤矿无煤柱开采技术。围绕沿空留巷这一护巷技术，国内外学者展开了一系列深入的研究，如大变形恒阻式锚杆支护、沿空切顶留巷支护、101工法、切顶卸压自动成巷等［1-4］。这些方法在大量的实践中取得了良好的应用效果，提高了煤炭资源的采出率［5］。但由于这些支护方式均未能从根本上改变煤层上覆岩层的力学结构，邻近工作面围岩及顶部的应力仍有集中度过高的情况，受采空区影响，沿空巷道掘进、维护存在一定困难。同时很多巷旁充填原料为刚性材料，顶板受压后不具备同比变形的特征，顶部压力无法释放，充填材料容易压垮受损，制约着煤矿安全生产［6］。针对这一系列的问题，笔者根据实际工作经验，在王庄矿采用柔模混凝土充填、基底进行加固，同时根据现场情况调节巷旁充填墙硬度，提高了留巷效果、保障了围岩稳定。

1 工程概况

分析王庄煤矿15#煤层赋存、围岩性质、矿压显现规律等可知，15112工作面适用无煤柱开采技术。该工作面煤层平均埋深约325.2 m，可采长度1 026 m，切眼长度337 m，采用大采高回采工艺；煤层顶板依次为石灰岩、泥岩、细粒砂岩，底板岩性依次为泥岩、细粒砂岩、泥岩，如表1、表2所示。

表1 15#煤层赋存特征

表2 15112工作面运输顺槽围岩特征

2 扩帮支护设计

15112运输顺槽沿煤层顶底板掘进，矩形断面，掘进断面宽5.5 m，高4.2 m，掘进断面23.1 m2，采用锚网（索）+钢筋梯子梁联合支护，如图1所示。

图1 15112运输顺槽断面

为加强围岩稳定性，需要在15112工作面运输顺槽掘进过程中打设柱墙。设计巷旁墩柱直径为1 m，考虑200 mm的安全间距，设计扩帮断面1.2 m，巷道总宽变为6.7 m，高度4.2 m。

2.1 顶板支护参数

15112工作面巷道顶板采用锚网索+梯子梁联合支护方式，锚杆采用ϕ22 mm×2 400 mm左旋无纵筋螺纹335号钢材锚杆；锚杆垂直于巷道顶板以矩形方式布置，排、间距同为1 200 mm，每排均排列6根锚杆；锚固选取两根规格为MSK2335和MSZ236型树脂加长锚固配合使用；托盘为拱形高强度托盘，托盘规格为150 mm×150 mm×10 mm，高度不小于拱形底部直径的1/3，配合高强螺母、高强调心球垫和尼龙垫圈使用。护帮网片采用矿用阻燃塑料网，帮网规格为4 100 mm×1 300 mm，网孔50 mm×50 mm，用铁丝隔孔连接、双丝双扣，搭接100 mm，如图2所示。

图2 15112工作面运输顺槽支护

2.2 非回采帮支护参数

非回采帮的支护为锚网索联合支护，杆体采用ϕ22 mm×2 400 mm的玻璃纤维增强塑料锚杆，排、间距均设置为1 200 mm，每排4根锚杆。需要注意的是为防止围岩松动，最上一根锚杆布置在非回采帮部顶板300 mm处。

3 巷旁充填柱墙设计

充填柱墙是针对巷道断面范围以外与采空区交界处所人为设置的隔断措施。设置充填柱墙的目的在于减弱巷道以外区域对巷道顶板本身的应力作用，减轻巷道内部的支护压力，例如采空区、构造带、裂隙发育处等［7］。15112工作面运输顺槽巷旁充填柱墙支护主要目的：一是降低上覆岩层垮落带边缘对巷道顶板的载荷，分担15112工作面的支护压力；二是当直接顶硬度较大的区域或顶板周期来压时，巷旁充填柱墙可以切断顶板，避免顶板沿煤帮处断裂的发生，同时利用充填墙承受直接顶冒落和老顶来压所产生的震动，如图3所示。

图3 沿柱墙掘巷布置平面

15112工作面运输顺槽高度为4.2 m，采用混凝土柱方式进行巷旁支护。设计巷旁强力混凝土墩柱的直径为ϕ1 000 mm，高度为4 500 mm（高度随巷高变化），柱中心距为1 500 mm，混凝土强度等级为C35。根据现场条件，在顶板破碎区域，应及时加密墩柱间距以提高控顶效果和支撑强度。

4 巷旁充填体基底加固设计

4.1 巷旁充填体基底加固设计

根据15112工作面运输顺槽综合柱状图以及现场技术交底情况，15112工作面运输顺槽直接底为厚度1.5 m左右的泥岩，遇水易膨胀弱化，在矿山压力的作用下易产生底鼓，影响巷旁柱墙支护的稳定性，且巷旁支护必须浇筑在实底上，否则受到顶板来压将会导致巷旁充填体下沉。因此，采用“预浇混凝土底板加固+混凝土柱”的方式对15112工作面运输顺槽进行巷旁支护。设计底板清理宽度为1 200 mm，高度为1 000 mm。混凝土基底浇筑宽度为1 200 mm，高度1 000 mm（由于底板泥岩厚度变异性较大，在泥岩厚度小于1 m的底板，起底至砂岩段即可，若厚度超过1 m，起底厚度均按1 m考虑），混凝土墩柱直径1 000 mm，高度4 500 mm。墩柱与基底采用箍筋连接，箍筋直径800 mm，高度1 000 mm，排距1.5 m，采用6#钢筋网编制而成。箍筋的700 mm位于底板泥岩中，300 mm位于柱体内。混凝土强度等级为

C35，柱墙布置如图4所示。

图4 柱墙布置

4.2 巷旁充填材料选择

巷旁充填的主要充填材料包括矸石堆填、木垛堆填、膏石充填、高水充填和SCC混凝土等技术［8］，但是都存在一些缺点，如单一充填物硬度难以控制、运输不便等。根据王庄矿井下实际情况，结合工程经验及实验室实验数据，笔者对充填物进行了优化，采用混凝土加柔性约束管的方式进行支护，C35注浆混凝土的材料配比如表3所示。

表3 C35泵注混凝土配比

混凝土墩柱由约束套管、柔模袋、混凝土材料组成，将湿料泵注于约束套管内，在套管的约束下形成的三向受力的复合材料结构体。

试验显示，混凝土类材料低龄期强度增长快，1 d后强度能达到15 MPa以上，后续可根据矿压调整；5 d后强度达到设计标准，终凝强度能达到40 MPa以上。

柔模具有透水不透浆的特点，可以实现大水灰比的输送，在井下实测发现，最远可依靠高压泵送至700 m处。

混凝土材料采用约束套管进行包裹，受自重及泵压的推动产生预应力，抑制混凝土在压缩过程中产生的裂隙及扩展，因此具有随压形变的特点。一是混凝土材料在压力下多余水分滤出，早期强度上升快，实现饱和接顶，防止混凝土材料水分流失造成的缩水导致接顶不实；二是约束套管具有较强的约束性。根据实验结果，在约束套管的强约束条件下，C35混凝土材料1 d后的强度可以提高25%以上，其变形抗压能力可以提高40%以上，与矿山压力的变化节奏相适应，利于沿空巷道围岩的辅助支护。

5 应用效果

在15112工作面运输顺槽进行沿空掘巷扩帮充填墙后，经济效益得到了显著提升，顺槽保护煤柱长1 026 m，宽20 m，煤厚3.75 m，容重1.42 t/m3，多回收煤柱量为：多回收煤柱量=煤柱长度×煤柱宽度×平均煤厚×容重×回收率=1 026×20×3.75×1.42×0.97=10.6万吨。实施沿空留柱墙后回收煤柱煤量为10.6万吨，按每吨煤不含税利润为500元计算，王庄煤业回收煤柱获得的利润约为5 300万元。

6 结语

15112工作面运输顺槽沿空掘巷在掘进过程中打设柱墙，进行扩帮，可以很大程度地提高围岩稳定性，同时由约束套管、柔模袋、混凝土材料组成墙体充填材料可以有效提高其抗压能力，该技术对缓解围岩应力集中问题和提高煤柱回收率有着良好的实际效果，15112工作面的无煤柱开采技术得到了进一步的优化升级。