混凝土柔膜沿空留巷技术研究与应用

混凝土柔膜沿空留巷技术研究与应用

韩瑞军

（冀中能源峰峰集团新三矿，河北邯郸056200）

1 矿井概况

冀中能源峰峰集团有限公司新三矿是集团公司第一个新井新制矿井，属于国有企业。地处河北省南部，邯郸市峰峰矿区大峪镇。新三矿自1995年11月5日投产以来，始终秉承创新管理，和谐发展，安全发展的理念。矿井设计生产能力为年产45万吨，可采储量2900万吨，煤种为肥焦煤，是峰峰集团主要的入洗原料煤基地。经过两次技术改造，目前矿井核定生产能力为95万吨。

2 方案的提出

新三矿矿井井田范围：北以F29号断层与泉头井田分界；南至F25号断层与梧桐桩井田相邻；西至煤层露头及技术边界与三矿井田相隔；东至F8号断层与九龙矿相望；井田南北平均长 4.25km,东西平均宽3.25km，井田面积13.83km2。现主采2号煤层，煤种为肥煤，2号煤层煤厚3.0米左右，全区可采，沉积较稳定。地质条件复杂，断层较多，掘进速度受到很大限制，生产地区衔接紧张；另外，我国煤矿中,回采工作面两端的区段巷道,总长度要达到几百万米。长期以来一直沿用保留煤柱的方法维护。用煤柱维护区段巷道的煤炭损失量一般要占全矿煤损总量的40％左右。区段巷道的开掘、准备和维修费用要占全矿开发、准备和维修费用总和的50％左右。因此,研究区段间不留煤柱,实现无煤柱护巷,对

提高矿井煤炭回采率,降低巷道掘进率，怎样才能解决工作面衔接紧张和回收这部分煤炭资源呢？这也是我们一直在深思的问题，也是我们一直在努力研究的方向。2010年11月以来，我们进行了混凝土柔膜支护的前期可行性论证、具体方案的制定，注浆系统的建设、注浆管路、注浆膏体的反复试验，于2011年3月1日正式在162502工作面进行了混凝土柔膜沿空留巷，时至2011年5月19日累计注膜40个，沿空留巷83m。无论是前期论证，到井下沿空留巷都取得了宝贵经验与教训，目前，我矿在集团公司领导的大力支持下，正在积极进行沿空留巷试验，为解决工作面衔接紧张和解放煤柱呆滞煤量探索出一条创新之路。

3 新三矿混凝土柔膜沿空留巷设计方案

3.1 沿空留巷工作面条件

3.1.1 煤层情况

本工作面煤层位于西固义背斜两翼，煤层走向NE27º---NW73º，倾向NE，倾角5-12º，平均为8º，煤层厚度3.9～4.9m，平均4.2m，煤层较稳定。

3.1.2煤层顶底板情况

3.1.3 地质构造

本工作面位于F12断层下盘，地层为一背斜地层，构造较为复杂。工作面内，共有10条断层：

3.1 沿空留巷平面图

3

4．支护设计

4.1原巷道支护参数

162502溜子道摸大煤顶板掘进，采用锚网带支护，巷道规格为宽×高：3.6×2.5m，遇构造带顶板不平无法采用锚网带支护时采用U钢支护，巷道规格为4.0×2.75m。支护材料规格为：

(1)锚杆：顶锚杆采用Φ20×2000mm、帮锚杆采用Φ18×1800mm的左旋螺纹钢等强锚杆。

(2)锚固剂：顶锚杆安装两支锚固剂：CK2335。帮锚杆安装一支锚固剂：CK2835。锚索安装四支锚固剂：一支CK2335，四支K2335。

(3)w钢带：采用W-260-3-3600型，用厚3mm的钢板滚压而成，宽度260mm，长度3600mm，其上有预留孔。

(4)顶锚杆间排距：设计间排距为800×800mm，锚杆呈矩形布置。

(5)顶锚索间排距：锚索间排距：采用“五花”布置，即隔一排打两根再隔一排打一根，间距1600mm，排距1000mm。锚索采用Φ15.24mm的钢绞线锚索，长度为5000mm。

(6)帮锚杆：设计间排距为650×800mm，呈矩形布置，每排4根，第一根帮锚杆距顶板250mm，第二根距第一根650mm布置，第三根距第二根650mm布置，第四根距底板300mm。

(7)锚固力：顶锚杆的设计锚固力64KN，预紧扭矩不小于100N.m；帮锚杆的设计锚固力50KN，预紧扭矩不小于80N.m；顶锚索张拉力为260KN。

(8)锚杆角度：角锚杆与巷道轮廓线呈75°角布置，其余锚杆垂直于巷

道轮廓线布置。

4.2沿空留巷支护体载荷计算

采用 “分离岩块法”计算支护体载荷。巷旁支护带处于未采动煤体的高压力区和冒落矸石之间，是一个降压区，岩块一边的采空区提供一个主要自由面，因岩块呈层状，可能在一定高度H 上产生离层，导致岩块沿煤体以θ角断裂，进入完全自由状态，成为支护体的载荷。

图3-2分离岩块法计算支护体载荷的力学模型 （1）载荷计算如下式所示：

x

b b x b h x b x b htg q B B

c B c B 5.0)()(28+++⨯

+++=

γθ

式中:q —支护体载荷；

B b —支护体内侧到煤壁的距离，本次支护中支护体左侧边缘与巷道右

帮在一条铅垂线上，该距离为4m ；

x —支护体的宽度，1.2m ；

C b —支护体外侧悬顶距，该距离取0.5m ；

s γ—岩块重度，取直接顶岩石的重度27kN/m3；

h —采高，本次支护为2.4m ；

θ—剪切角，根据经验选取为26°；

H —冒落高度，根据经验选取4h ，为10m 。

计算可得支护厚度为1.2m 时支护体的载荷为

q=8×2.4×tg26°+2×（4+1.2+0.5）/1.2×2.4×（4+1.2+0.5）×27/4+0.5×1.2==1.389MPa

即单位长度、支护厚度1200mm 的支护体载荷为1N =1389kN 。 考虑采动影响系数3，则支护体荷载为4167kN 。

考虑底板普氏系数为0.6，则抗压强度为6MPa ，大于4167kN/m2。。 混凝土厚度1200mm ，标号C20。 （2）支护体承载能力计算

将单位长度、厚度1200mm 的支护体视为轴心受压柱模型，可计算出支护体的正截面承载能力。

模型柱高2.4m ，长1.2m ，构件的长细比为2.4/1=2.4，通过查阅轴心受压构件的计算方法，得构件的稳定系数ϕ取1.0。

模型柱的承载能力计算如下式所示：

20.9c N f A

ϕ=⨯

式中：2

N —支护体的承载能力；

ϕ—构件的稳定系数，取1.0；

c f —混凝土的轴心极限抗压设计强度，C20时为15.5N/mm2，考虑

压缩后强度降低25%，即为11.6N/mm2；

A —截面面积，为1000×1200mm2。