大采高工作面柔模沿空留墻掘巷技術

劉文學，王曉利，劉會會，曹曉凡，何斌，劉軍峰，常慶，李昂

摘要：柔?；炷裂乜樟粝锛夹g已應用多年，在中厚煤層和薄煤層開采下均取得了較好的支護效果，但在厚煤層大采高工作面，因巷道高、巷旁支護壓力大、混凝土早期強度低易受壓損壞難以有效支撐頂板。大采高工作面礦壓顯現劇烈，巷旁維護難度大，故此提出一種新型的預澆墻柔?；炷裂乜樟魤蛳镄录夹g，即在上工作面回采前，刷煤擴幫后提前預澆柔?；炷翂w，提高煤幫整體支撐力的同時，解決柔?；炷翂Χ唐跓o法有效承載頂板來壓的難題；待回采一定距離后，再沿墻滯后掘進下工作面回采巷道，且掘進方向與上工作面回采方向一致，緩解接續緊張，最終實現無煤柱開采。以王莊煤業3503工作面回采留設預澆墻為工程背景，建立了沿空留墻掘巷圍巖結構力學模型，理論計算得出墻體力學支護參數，并通過現場應用驗證了該技術的可實施性。結果表明：理論計算分析確定了墻體高寬比為5 m×1.5 m，混凝土強度C30即可滿足留墻支護要求；沿墻掘進巷道總體變形量小，頂底板和兩幫最大移近量僅為260 mm和125 mm，墻體最大受壓18 MPa，小于墻體自身承載力；下工作面臨近巷道掘進115 m后即趨于穩定。該技術應用全階段效果良好，滿足巷道使用要求，有效解決了大采高工作面沿空留巷重大技術難題，也可為相似工況無煤柱開采提供技術借鑒。

關鍵詞：沿空留墻掘巷；柔?；炷?；力學模型；大采高工作面；礦壓監測

中圖分類號：TD 353文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2024）01-0094-10

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2024.0110開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Flexible-formwork? driving roadway? technology along goaf?retaining wall? in large mining height working face

LIU Wenxue1，2，WANG Xiaoli3，LIU Huihui1，CAO Xiaofan3，HE Bin1，LIU Junfeng1，CHANG Qing1，LI Ang3

（1.Shaanxi Pioneering Architectural Technology Co.，Ltd.，Xian? 710054，China；2.China Railway Engineering Equipment Group Co.，Ltd.，Zhengzhou? 450016，China；3.College of Architecture and Civil Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian? 710054，China）

Abstract：The technology of retaining roadway along goaf with flexible formwork concrete has been used in China for many years.In the medium-thickness coal seam and thin coal seam mining it has achieved better support effect，but in the thick coal seam working face with large mining height，it is difficult to support the roof effectively because of the high roadway，high pressure of the roadway side support，and the low strength of the concrete in the early stage is easy to be damaged by the pressure.In addition，the mine pressure in the large mining height face is severe，and it is difficult to maintain the roadway，so a new technology of driving roadway along goaf with flexible form of concrete pre-cast wall is put forward.Before the mining of the last working face，the flexible formwork wall of concrete is poured in advance after brushing coal to expand the slope，so as to improve the overall supporting force of the coal side，and at the same time，to solve the problem that the flexible formwork concrete wall can not effectively bear the roof pressure in a short period of time.After mining a certain distance，then lagging along the wall is propased to dig the lower working face back to mining roadway，and the direction of digging and in the upper working face back remains the same，to alleviate the succession of tension and ultimately to achieve no coal pillar mining.This paper takes Wangzhuang Coal Industry 3503 working face back mining leaving pre-cast wall as the engineering example.In this paper，the mechanical model of surrounding rock structure of roadway driving along goaf retaining wall is established，the wall mechanical support parameters are calculated theoretically，and the implementability of this technology is verified by field application.The results show that： the theoretical calculation and analysis determine the wall height and width ratio of 5 m×1.5 m，and the concrete strength of C30 can meet the requirements of retaining wall support.The overall deformation of the roadway driven along the wall is small，the maximum displacement of the roof and floor and the two sides is only 260 mm and 125 mm，and the maximum compression 18 MPa of the wall is less than the bearing capacity of the wall itself.The lower working face is stabilised after 115 m of tunneling near the roadway.The application of this technology has a good effect in the whole stage，possible to meet the requirements of roadway use，and effectively solves the major technical problems of retaining roadway along goaf in large mining height face.It can provide a technical reference for coal pillar mining without coal pillar in similar conditions.

Key words：driving roadway along goaf remaining wall；flexible-formwork concrete；mechanical model；large mining height working face；mine pressure monitoring

0引言

一般大采高煤層開采需要在綜采工作面之間留設區段煤柱來保護工作面回采的安全性[1-3]，這也造成了一定的煤炭資源浪費，如何安全高效地將大采高工作面區段煤柱回收，或者不再留設區段煤柱而依然能安全回采，成為一個需要解決的開采問題[4-5]。無煤柱開采的提出和應用大大提高了煤炭資源的回收率，也為該問題提供了解決方案[6-16]。無煤柱開采具體分為沿空留巷和沿空掘巷2種方法。

關于無煤柱開采，已有許多專家學者開展了大量研究，并取得了豐碩的研究成果。高玉兵等介紹了不同煤厚條件下切頂卸壓無煤柱自成巷技術應用研究，其中包括薄煤層工作面、中厚煤層工作面和厚煤層工作面，研究發現：不同煤厚條件下，采空區矸石垮落狀態和頂板巖層運動規律均不相同，因而需要采用不同的設計參數[17]；鄧雪杰等采用理論分析與數值模擬的方法研究不同埋深、工作面充實率、巷旁充填體寬度和強度條件下沿空留巷圍巖應力演化與移動破壞特征，并提出了適用于唐口煤礦的沿空留巷方案，獲得了良好的工程實踐效果[18]；趙萌燁等研究了無煤柱切頂沿空留巷，提出巷內支撐阻力的計算方法，為無煤柱切頂綠色高效開采提供了新的理論依據[19]；曹曉凡等為解決瓦斯積聚等問題，首次開展特厚煤層底分層柔模沿空留巷技術研究，并提出了采用雙柔模墻留巷，最終實現了下區段工作面1分層回采后，留巷巷道保持完整并順利解決瓦斯超限的目標[20]；何滿潮等系統性地介紹了無煤柱自成巷開采理論與110/N00工法，并對110/N00工法大量工程實踐進行了介紹[21-23]。

以上專家學者的研究極大地促進了無煤柱開采技術的發展，但是現階段大采高無煤柱開采沿空留巷或沿空掘巷仍然面臨著巷旁支護壓力大、支護體難以有效支撐、留巷成本高以及浪費煤炭資源等問題，在此基礎上提出采用一種新型的混凝土預澆墻柔模沿空留墻掘巷新技術。該技術研究以王莊煤業3503工作面運輸巷為背景，以期在該礦井15號煤層開采中推廣應用。

1技術原理及圍巖力學結構模型1.1技術原理

工作面回采之前，在巷道下工作面側提前進行刷煤擴幫，其超前距離不低于50 m，緊接著邊支護擴幫區煤壁側和頂板邊超前預澆筑柔?；炷吝B續墻體，待工作面回采推過滯后墻體300 m距離后（此時采空區活動基本穩定），沿墻體掘進下工作面巷道，從而實現無煤柱開采。由于該墻體要經受3次采動影響，如出現墻體破壞嚴重，為了減少采動后的墻體壓力，保證墻體完整性，一般還應采用提前預裂爆破切頂卸壓，縮短工作面周期來壓步距并切斷側向懸臂梁，降低采動壓力，減輕沿空巷道變形與破壞情況，確保沿空巷道能夠滿足工作面生產要求。柔模沿空留墻掘巷施工工藝如圖1所示。

1.2圍巖結構力學模型

由沿空留墻掘巷技術原理可知，柔?；炷撩荛]連續墻是緊貼下工作面煤壁澆筑的，在上工作面開采后，墻體會受到第1次采動影響，之后待采空區穩定后，緊貼連續的柔模密閉墻掘進下一個工作面的回風巷，此時墻體會受到第2次采動影響，最終形成可用于工作面回采服務的完整巷道。因此圍巖結構力學模型的建立，應以下工作面掘進巷道穩定后的時期為基礎。

假設基本頂以實體煤彈塑性交界處為旋轉軸，向采空區傾斜；直接頂、基本頂以及與更上位巖層之間的剪應力忽略不計；矸石充滿采空區，對直接頂和基本頂巖層起到了支撐作用；基本頂上方的軟弱巖層重量均勻地施加在基本頂之上；頂板壓力均勻施加在巷旁支護體上；忽略巷內支護的影響（柔?；炷料锱灾ёo遠大于巷內支護）[24]。在此基礎上可以建立力學模型，如圖2所示。其中q為覆巖作用力，kN；p0為柔模墻體阻力，kN；p1為幫部煤體的支護力，MPa；p2為垮落矸石對直接頂的支護力，kN/m2；p3為垮落矸石對基本頂的支護力，kN/m2；x0為巷幫實體煤極限平衡區寬度，m；a為掘巷寬度，m；b為巷旁支護體寬度，m。

從圖2可以看出，掘巷前墻體和煤幫受到上覆巖層的載荷，墻體和煤幫的支護阻力以及采空區矸石的支撐力和載荷形成力學平衡狀態。掘進后形成新的巷道會對力學平衡產生擾動影響，據此可以建立掘巷后如下豎直方向力學平衡方程[25]

p1x0+p0b+p2l+p3l1=γ1m1L1+γ2m2L2+qL3（1）

式中l為垮落矸石對直接頂的作用長度，m；l1為垮落矸石對基本頂的作用長度，m；γ1為基本頂的容重，kN/m3；γ2為直接頂的容重，kN/m3；m1為基本頂的厚度，m;m2為直接頂的厚度，m；L1為巖塊B的長度，m；L2為直接頂的懸頂長度，m；L3為均布載荷作用的長度，m。

因為p1等于巷幫松動區煤體的殘余抗壓強度σc，考慮到應力集中系數K，此時，巷旁支護體的支護阻力p0為

p0=K[γ1m1L1+γ2m2L2+qL3-σcx0-p2l-p3l1]/b（2）

式中x0的表達式為[26]

x0=ηm2tan φlnKγ′H+ctan φctan φ+σcη（3）

式中η為側壓系數；m為煤層厚度，m；γ′為上覆巖層平均容重，kN/m3；φ為煤層與頂底板交界面的內摩擦角，（°）；c為煤層與頂底板交界面的黏聚力，MPa；H為開采煤層的埋深，m。

根據彈性地基理論可知，采空區垮落矸石對直接頂和基本頂的支護阻力為

p2=γ2m22（4）

p3=γ1m12（5）

1.3柔模墻體承載力驗算

柔?；炷恋某休d力由約束增強體柔性模板和核心自密實混凝土2部分組成。其混凝土墻體的承載力計算公式為

N=0.9（fc+4σr）A′c（6）

式中σr的表達式為

σr=πd2·σb4a1·a2（7）

式中N為柔模墻體的承載力，kN；φ為構件的穩定系數；fc為混凝土軸心強度設計值，MPa；σr為錨栓套箍作用產生的有效約束力，MPa；A′c為截面面積，m2；d為錨栓直徑，mm；σb為錨栓抗拉強度設計值，MPa；a1，a2，分別為錨栓的間排距，mm。

2工程概況

2.1工作面概況

王莊煤業被批準開采3號和15號煤層。3503工作面屬于35采區，主采3號煤，推進長度為1 265 m，傾向長度為307.75 m，北鄰3502采空區，東邊為小窯破壞區（物探結果為富水區），南邊為未開采的3505工作面（未掘巷），西邊為35采區膠輪巷。其中沿空留墻掘巷巷道為3503工作面運輸巷，具體工作面布置如圖3所示。

2.2煤層特征及頂板巖性

3503綜采工作面煤層多為塊狀。煤層厚度為4.2～5.5 m，平均厚5 m，傾角為2°～4°。煤層含0～3層夾矸，厚度為0.27～0.3 m。煤層頂部有一層03 m炭質泥巖偽頂，該頂結構疏松，整體性較差，在028 m處有離層；偽頂之上為1.4 m的灰黑色泥巖，整體性較好且局部有小構造裂隙；泥巖之上為46 m細粒砂巖，該砂巖為灰白色，局部相變為砂質泥巖，致密堅硬，整體性較好，煤層頂板情況如圖4所示。

3柔模沿空留墻掘巷方案設計

3.1巷道基本支護

依據現場調查可得到公式（1）～（7）的相關參數η=0.5，m=5 m，φ=32.4°，k=2，γ′=25.91 kN/m3，H=234 m，c=2.2 MPa，σc=0.53 MPa，x0=2.44 m，l=5 m，l2=24 m，γ1=2623 kN/m3，γ2=25.5 kN/m3，m1=13.3 m，m2=1.7 m，b=1.5 m，經計算可得柔模墻體支護阻力為p0=20 638.9 kN，混凝土軸心抗壓強度設計值應不小于fc=14.25 MPa，查閱規范可知，C30混凝土軸心抗壓設計值fc=14.3 MPa=14 300 kN/m2，因此確定采用C30強度，1.5 m寬度的柔?；炷翂w開展工業應用研究。

3503工作面運輸巷為沿底板布置的矩形斷面，掘進尺寸為寬5.5 m，高5.0 m，掘進斷面積為27.5 m2。3503工作面運輸巷基本支護方式為錨桿+經緯網+鋼筋梯子梁+錨索，基本支護橫斷面如圖5所示。

3.2超前擴幫設計

3.2.1擴幫位置及斷面

1）擴幫位置：從切眼位置開始，沿3505工作面煤壁側擴幫900 m進行沿空留墻掘巷試驗，根據900m沿空留墻掘巷效果確定后續留墻施工。

2）擴幫斷面：3503工作面運輸巷沿3505工作面煤壁側擴幫寬度為2 200 mm，擴幫高度為5 000 mm。

3.2.2圍巖壓力計算

采用普氏理論求解擴幫后圍巖壓力，王莊煤礦3503工作面運輸順槽頂板圍巖級別屬于Ⅲ2級，參考王莊煤礦巷道實際揭露的地層條件，查閱Ⅲ2級圍巖物理力學指標，確定Ⅲ2級圍巖重度為24 kN/m3，內摩擦角φ為45°；確定兩幫屬于Ⅴ級圍巖，內摩擦角φ為26°。計算公式如下

p=2a·γ·h0（8）

h0=a+H·tan45-φ煤2f頂（9）

式中a為巷道跨度的一半，取3.85 m；γ為頂板圍巖的重度；f為普氏系數，取3；h0為普氏拱高度，m；H為巷道高度，取5 m；p為圍巖壓力，kN/m。通過計算可得h0=2.3 m，p=425 kN/m。

3.2.3擴幫區支護

擴幫區頂板和幫部支護如圖6所示，具體頂板和幫部支護如下。

1）頂板支護。使用20 mm×2 200 mm高強度錨桿，14 mm圓鋼鋼筋梁加網。間排距為750 mm×1 000 mm，排距1 000 mm，每排均勻打設3根，中部2根與頂板角度為90°，外側錨桿向外傾斜10°布置距煤幫350 mm。使用18.90 mm×6 000 mm錨索，在擴幫區交錯式布置兩排錨索：一排錨索距離煤幫500 mm，排距2 000 mm；另一排錨索距離煤幫1 500 mm，排距2 000 mm。

2）幫部支護。使用18 mm×2 000 mm錨桿，每排均勻打設4根，間排距為1 100 mm×1 000 mm，巷道幫上面的1根距頂板500 mm，呈上斜10°進行安設，下面的3根距巷道底板1 200 mm，呈水平方向進行安設。

3.2.4支護強度驗算

擴巷后，每延米頂板范圍內共計布置11根錨桿，每根錨桿的設計錨固力為80 kN，小計880 kN/m；每延米頂板范圍內布置2.5根錨索，每根錨索設計錨固力300 kN/m，錨索支護強度為750 kN/m，大于圍巖壓力425 kN/m，不計錨桿支護強度，僅錨索支護頂板的安全系數為1.7，因此擴巷后的支護強度滿足要求。

3.3柔模墻參數設計

為了方便柔模支掛，在3505工作面煤壁側預留500 mm變形空間；通過理論計算分析確定混凝土設計強度為C30；紡織結構柔性模板為自主研發，高5 000 mm，寬1 500 mm，長3 000 mm；墻體兩側采用14 mm圓鋼焊接鋼筋梁將每排錨栓組合為整體，鋼筋梁寬80 mm，長4 400 mm；鋼筋梁限位孔間距為800 mm，與錨栓布置方式配套；錨栓18 mm×1 650 mm高強錨桿；并在兩端設有長度不小于100 mm絲扣；托板采用120 mm×120 mm×8 mm拱形高強度托盤；留墻3 d后為錨栓施加預緊力，扭矩不小于150 N·m；每排安裝6根錨栓，間排距為800 mm×750 mm。沿空留墻掘巷后支護如圖7所示。

4工業應用

4.1柔性模板設計

柔性模板是一種高強度纖維材料，簡稱柔模[27-30]。使用時可根據施工要求，將柔性模板縫制成適合巷道斷面大小和施工條件的封閉結構體，其上有預留孔，連接有自閉灌注口、橫向翼緣、拉筋、錨栓孔等。柔模內部拉筋用于控制柔模墻體兩長邊側纖維布的間距（即厚度），橫向翼緣可將柔性模板吊掛在頂板上，除此之外，還可以根據現場條件需要預先設置措施孔，用于瓦斯治理、采空區排水以及氣體檢測等。

根據理論計算分析，王莊煤業沿空留墻掘巷柔?；炷翂w厚度為1.5 m，即柔模寬度設計為1.5 m。如圖8所示。

4.2柔?；炷猎O計

柔?；炷潦怯扇崮?混凝土組成的復合混凝土材料，柔模具有透水不透漿（水泥漿）的特性，自密實混凝土的大水灰比輸送后，可實現小水灰比硬化，混凝土強度增長快，泵注完成后，由于對拉錨栓的束縛，柔?；炷翂w即有0.8 MPa的初撐力，其1，2，7 d最大強度可以達到9，13，30 MPa。

4.2.1材料及配比

混凝土材料由水泥、砂子、石子及自研專用外加劑在地面按照一定比例混合加水攪拌而成。從本地取材料后進行現場適配并委托有關單位進行強度檢測，最終確定了柔?；炷罜30的設計配合比見表1。

4.2.2力學試驗

1）抗壓強度試驗采用（100 mm×100 mm×100 mm）試件，每組3個，共60個?；炷翗颂枮镃30，分別設置標準組和柔模組。

標準組：標準組為普通試塊，分別對其齡期1，3，7，14，28 d抗壓強度進行測試。

柔模組：柔模組為柔模包裹的試塊，抗壓強度測試齡期與標準組相同。測試對比結果如圖9所示。

從圖9可以看出，柔模組混凝土試塊強度同齡期普遍高于標準組混凝土。其中1～7 d強度增長迅速，柔模組混凝土7～14 d強度即可完全達到設計值。這是因為柔性模板的透水不透漿性能，使得混凝土中多余水分會被擠壓流出模袋，從而形成了大水灰比裝模自密實，小水灰比硬化的高密度、高強度混凝土，所以柔模組混凝土強度高于普通混凝土。

4.3礦壓監測及應用效果

在實施沿空留墻掘巷時，必須準確掌握掘巷巷道變形規律，掘巷巷道頂板壓力規律，如有異常，及時采取措施，有效保證人員安全、掘巷正常使用。

王莊煤業沿空留墻掘巷監測主要包括圍巖收斂變形監測和柔模墻體壓力監測。

4.3.1礦壓監測

1）圍巖收斂變形監測。王莊煤業圍巖收斂變形監測采用十字監測法監測，頂底板采用頂板動態儀進行量測，兩幫變形采用收斂計量測。

2）柔模墻體壓力監測。在預澆筑柔模墻體時，墻體底部與底板接觸面預先安裝KTRTJ30監測儀，實時監測柔模墻體的壓力變化，每組測站安裝一組監測儀器。

依據柔模沿空留墻掘巷方案設計，開展王莊煤礦3503工作面運輸巷開展沿空留墻掘巷工業試驗，待3505工作面掘巷時（巷道頂板及煤壁側支護方式與3503相同），同步開展巷道圍巖位移監測及柔模墻體壓力監測。監測結果如圖10所示。

從圖10（a）可以看出，隨著3505工作面回風巷沿墻掘進，滯后掘進面為0～72 m，巷道頂底板變形持續增大，但總體幅度較??；當滯后掘進面超過72 m時，巷道頂底板移近迅速增大，最終在115 m后逐漸趨于穩定值，此時頂底板最大移近為260 mm。從圖10（b）可以看出，隨著3505工作面回風巷沿墻掘進，兩幫移近量變化規律與頂底板移進規律相似，但是兩幫移近量總體小于頂底板移近量，兩幫最大移近量為125 mm，巷道兩幫移近在滯后掘進工作面110 m后基本穩定。從圖10（c）可以看出，沿空留墻掘巷的墻體壓力變形總體可以分為3個階段，第一階段：在滯后工作面0～35 m范圍內墻體壓力緩慢增長，從0增至4 MPa；第二階段：在滯后工作面35～100 m范圍內墻體壓力急劇增長，從4 MPa增至18 MPa；第三階段：滯后工作面100 m以后墻體壓力基本穩定在18 MPa左右。

4.3.2應用效果

3503工作面運輸巷柔?；炷裂乜樟魤蛳锕步洑v3個階段采動影響：第一階段為3503工作面回采階段的超前和滯后動壓；第二階段為3505工作面沿墻掘進階段的超前和滯后動壓；第三階段為3505工作面回采階段超前動壓。3503工作面運輸巷柔模沿空留墻掘巷應用效果如圖11所示。

圖11（a）掘巷前超前留墻效果屬于采動影響第一階段；巷道圍巖位移及柔模墻體壓力監測屬于采動影響第二階段；圖11（b）掘巷后超前留墻效果屬于采動影響第三階段?，F場留墻及監測效果總體表明，王莊煤礦3503工作面運輸巷柔性模板沿空留墻掘巷技術應用全階段效果良好，解決了礦井如何回收5 m大采高工作面20 m區段煤柱、提高煤炭資源回收率和巷道掘進速度的重大技術難題，可以在該礦井15號煤層開采中推廣應用。

5結論

1）基于技術原理建立柔模沿空留墻掘巷力學模型，并通過理論計算確定王莊煤業3503工作面運輸巷沿空留墻掘巷墻體寬度為1.5 m，高度為5 m，混凝土強度為C30。

2）開展柔?；炷裂乜樟魤蛳镏ёo設計，確定3503回采工作面巷道超前擴幫支護參數以及柔模墻體支護參數。

3）通過巷道圍巖位移監測發現，頂底板移近量最大為260 mm，兩幫移近量最大為125 mm，巷道留墻全階段效果良好，該技術的成功應用，為后續類似礦井煤層開采沿空留墻掘巷技術推廣及應用提供了技術借鑒及經驗參考。

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（責任編輯：高佳）