大采高工作面柔模沿空留墙掘巷技术

刘文学，王晓利，刘会会，曹晓凡，何斌，刘军峰，常庆，李昂

摘要：柔模混凝土沿空留巷技術已应用多年，在中厚煤层和薄煤层开采下均取得了较好的支护效果，但在厚煤层大采高工作面，因巷道高、巷旁支护压力大、混凝土早期强度低易受压损坏难以有效支撑顶板。大采高工作面矿压显现剧烈，巷旁维护难度大，故此提出一种新型的预浇墙柔模混凝土沿空留墙掘巷新技术，即在上工作面回采前，刷煤扩帮后提前预浇柔模混凝土墙体，提高煤帮整体支撑力的同时，解决柔模混凝土墙短期无法有效承载顶板来压的难题；待回采一定距离后，再沿墙滞后掘进下工作面回采巷道，且掘进方向与上工作面回采方向一致，缓解接续紧张，最终实现无煤柱开采。以王庄煤业3503工作面回采留设预浇墙为工程背景，建立了沿空留墙掘巷围岩结构力学模型，理论计算得出墙体力学支护参数，并通过现场应用验证了该技术的可实施性。结果表明：理论计算分析确定了墙体高宽比为5 m×1.5 m，混凝土强度C30即可满足留墙支护要求；沿墙掘进巷道总体变形量小，顶底板和两帮最大移近量仅为260 mm和125 mm，墙体最大受压18 MPa，小于墙体自身承载力；下工作面临近巷道掘进115 m后即趋于稳定。该技术应用全阶段效果良好，满足巷道使用要求，有效解决了大采高工作面沿空留巷重大技术难题，也可为相似工况无煤柱开采提供技术借鉴。

关键词：沿空留墙掘巷；柔模混凝土；力学模型；大采高工作面；矿压监测

中图分类号：TD 353文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2024）01-0094-10

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2024.0110开放科学（资源服务）标识码（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

一般大采高煤层开采需要在综采工作面之间留设区段煤柱来保护工作面回采的安全性[1-3]，这也造成了一定的煤炭资源浪费，如何安全高效地将大采高工作面区段煤柱回收，或者不再留设区段煤柱而依然能安全回采，成为一个需要解决的开采问题[4-5]。无煤柱开采的提出和应用大大提高了煤炭资源的回收率，也为该问题提供了解决方案[6-16]。无煤柱开采具体分为沿空留巷和沿空掘巷2种方法。

关于无煤柱开采，已有许多专家学者开展了大量研究，并取得了丰硕的研究成果。高玉兵等介绍了不同煤厚条件下切顶卸压无煤柱自成巷技术应用研究，其中包括薄煤层工作面、中厚煤层工作面和厚煤层工作面，研究发现：不同煤厚条件下，采空区矸石垮落状态和顶板岩层运动规律均不相同，因而需要采用不同的设计参数[17]；邓雪杰等采用理论分析与数值模拟的方法研究不同埋深、工作面充实率、巷旁充填体宽度和强度条件下沿空留巷围岩应力演化与移动破坏特征，并提出了适用于唐口煤矿的沿空留巷方案，获得了良好的工程实践效果[18]；赵萌烨等研究了无煤柱切顶沿空留巷，提出巷内支撑阻力的计算方法，为无煤柱切顶绿色高效开采提供了新的理论依据[19]；曹晓凡等为解决瓦斯积聚等问题，首次开展特厚煤层底分层柔模沿空留巷技术研究，并提出了采用双柔模墙留巷，最终实现了下区段工作面1分层回采后，留巷巷道保持完整并顺利解决瓦斯超限的目标[20]；何满潮等系统性地介绍了无煤柱自成巷开采理论与110/N00工法，并对110/N00工法大量工程实践进行了介绍[21-23]。

以上专家学者的研究极大地促进了无煤柱开采技术的发展，但是现阶段大采高无煤柱开采沿空留巷或沿空掘巷仍然面临着巷旁支护压力大、支护体难以有效支撑、留巷成本高以及浪费煤炭资源等问题，在此基础上提出采用一种新型的混凝土预浇墙柔模沿空留墙掘巷新技术。该技术研究以王庄煤业3503工作面运输巷为背景，以期在该矿井15号煤层开采中推广应用。

1技术原理及围岩力学结构模型1.1技术原理

工作面回采之前，在巷道下工作面侧提前进行刷煤扩帮，其超前距离不低于50 m，紧接着边支护扩帮区煤壁侧和顶板边超前预浇筑柔模混凝土连续墙体，待工作面回采推过滞后墙体300 m距离后（此时采空区活动基本稳定），沿墙体掘进下工作面巷道，从而实现无煤柱开采。由于该墙体要经受3次采动影响，如出现墙体破坏严重，为了减少采动后的墙体压力，保证墙体完整性，一般还应采用提前预裂爆破切顶卸压，缩短工作面周期来压步距并切断侧向悬臂梁，降低采动压力，减轻沿空巷道变形与破坏情况，确保沿空巷道能够满足工作面生产要求。柔模沿空留墙掘巷施工工艺如图1所示。

1.2围岩结构力学模型

由沿空留墙掘巷技术原理可知，柔模混凝土密闭连续墙是紧贴下工作面煤壁浇筑的，在上工作面开采后，墙体会受到第1次采动影响，之后待采空区稳定后，紧贴连续的柔模密闭墙掘进下一个工作面的回风巷，此时墙体会受到第2次采动影响，最终形成可用于工作面回采服务的完整巷道。因此围岩结构力学模型的建立，应以下工作面掘进巷道稳定后的时期为基础。

假设基本顶以实体煤弹塑性交界处为旋转轴，向采空区倾斜；直接顶、基本顶以及与更上位岩層之间的剪应力忽略不计；矸石充满采空区，对直接顶和基本顶岩层起到了支撑作用；基本顶上方的软弱岩层重量均匀地施加在基本顶之上；顶板压力均匀施加在巷旁支护体上；忽略巷内支护的影响（柔模混凝土巷旁支护远大于巷内支护）[24]。在此基础上可以建立力学模型，如图2所示。其中q为覆岩作用力，kN；p0为柔模墙体阻力，kN；p1为帮部煤体的支护力，MPa；p2为垮落矸石对直接顶的支护力，kN/m2；p3为垮落矸石对基本顶的支护力，kN/m2；x0为巷帮实体煤极限平衡区宽度，m；a为掘巷宽度，m；b为巷旁支护体宽度，m。

从图2可以看出，掘巷前墙体和煤帮受到上覆岩层的载荷，墙体和煤帮的支护阻力以及采空区矸石的支撑力和载荷形成力学平衡状态。掘进后形成新的巷道会对力学平衡产生扰动影响，据此可以建立掘巷后如下竖直方向力学平衡方程[25]

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

式中l为垮落矸石对直接顶的作用长度，m；l1为垮落矸石对基本顶的作用长度，m；γ1为基本顶的容重，kN/m3；γ2为直接顶的容重，kN/m3；m1为基本顶的厚度，m;m2为直接顶的厚度，m；L1为岩块B的长度，m；L2为直接顶的悬顶长度，m；L3为均布载荷作用的长度，m。

因为p1等于巷帮松动区煤体的残余抗压强度σc，考虑到应力集中系数K，此时，巷旁支护体的支护阻力p0为

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

式中x0的表达式为[26]

x0=ηm2tan φlnKγ′H+ctan φctan φ+σcη（3）

式中η为侧压系数；m为煤层厚度，m；γ′为上覆岩层平均容重，kN/m3；φ为煤层与顶底板交界面的内摩擦角，（°）；c为煤层与顶底板交界面的黏聚力，MPa；H为开采煤层的埋深，m。

根据弹性地基理论可知，采空区垮落矸石对直接顶和基本顶的支护阻力为

p2=γ2m22（4）

p3=γ1m12（5）

1.3柔模墙体承载力验算

柔模混凝土的承载力由约束增强体柔性模板和核心自密实混凝土2部分组成。其混凝土墙体的承载力计算公式为

N=0.9（fc+4σr）A′c（6）

式中σr的表达式为

σr=πd2·σb4a1·a2（7）

式中N为柔模墙体的承载力，kN；φ为构件的稳定系数；fc为混凝土轴心强度设计值，MPa；σr为锚栓套箍作用产生的有效约束力，MPa；A′c为截面面积，m2；d为锚栓直径，mm；σb为锚栓抗拉强度设计值，MPa；a1，a2，分别为锚栓的间排距，mm。

2工程概况

2.1工作面概况

王庄煤业被批准开采3号和15号煤层。3503工作面属于35采区，主采3号煤，推进长度为1 265 m，倾向长度为307.75 m，北邻3502采空区，东边为小窑破坏区（物探结果为富水区），南边为未开采的3505工作面（未掘巷），西边为35采区胶轮巷。其中沿空留墙掘巷巷道为3503工作面运输巷，具体工作面布置如图3所示。

2.2煤层特征及顶板岩性

3503综采工作面煤层多为块状。煤层厚度为4.2～5.5 m，平均厚5 m，倾角为2°～4°。煤层含0～3层夹矸，厚度为0.27～0.3 m。煤层顶部有一层03 m炭质泥岩伪顶，该顶结构疏松，整体性较差，在028 m处有离层；伪顶之上为1.4 m的灰黑色泥岩，整体性较好且局部有小构造裂隙；泥岩之上为46 m细粒砂岩，该砂岩为灰白色，局部相变为砂质泥岩，致密坚硬，整体性较好，煤层顶板情况如图4所示。

3柔模沿空留墻掘巷方案设计

3.1巷道基本支护

依据现场调查可得到公式（1）～（7）的相关参数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，经计算可得柔模墙体支护阻力为p0=20 638.9 kN，混凝土轴心抗压强度设计值应不小于fc=14.25 MPa，查阅规范可知，C30混凝土轴心抗压设计值fc=14.3 MPa=14 300 kN/m2，因此确定采用C30强度，1.5 m宽度的柔模混凝土墙体开展工业应用研究。

3503工作面运输巷为沿底板布置的矩形断面，掘进尺寸为宽5.5 m，高5.0 m，掘进断面积为27.5 m2。3503工作面运输巷基本支护方式为锚杆+经纬网+钢筋梯子梁+锚索，基本支护横断面如图5所示。

3.2超前扩帮设计

3.2.1扩帮位置及断面

1）扩帮位置：从切眼位置开始，沿3505工作面煤壁侧扩帮900 m进行沿空留墙掘巷试验，根据900m沿空留墙掘巷效果确定后续留墙施工。

2）扩帮断面：3503工作面运输巷沿3505工作面煤壁侧扩帮宽度为2 200 mm，扩帮高度为5 000 mm。

3.2.2围岩压力计算

采用普氏理论求解扩帮后围岩压力，王庄煤矿3503工作面运输顺槽顶板围岩级别属于Ⅲ2级，参考王庄煤矿巷道实际揭露的地层条件，查阅Ⅲ2级围岩物理力学指标，确定Ⅲ2级围岩重度为24 kN/m3，内摩擦角φ为45°；确定两帮属于Ⅴ级围岩，内摩擦角φ为26°。计算公式如下

p=2a·γ·h0（8）

h0=a+H·tan45-φ煤2f顶（9）

式中a为巷道跨度的一半，取3.85 m；γ为顶板围岩的重度；f为普氏系数，取3；h0为普氏拱高度，m；H为巷道高度，取5 m；p为围岩压力，kN/m。通过计算可得h0=2.3 m，p=425 kN/m。

3.2.3扩帮区支护

扩帮区顶板和帮部支护如图6所示，具体顶板和帮部支护如下。

1）顶板支护。使用20 mm×2 200 mm高强度锚杆，14 mm圆钢钢筋梁加网。间排距为750 mm×1 000 mm，排距1 000 mm，每排均匀打设3根，中部2根与顶板角度为90°，外侧锚杆向外倾斜10°布置距煤帮350 mm。使用18.90 mm×6 000 mm锚索，在扩帮区交错式布置两排锚索：一排锚索距离煤帮500 mm，排距2 000 mm；另一排锚索距离煤帮1 500 mm，排距2 000 mm。

2）帮部支护。使用18 mm×2 000 mm锚杆，每排均匀打设4根，间排距为1 100 mm×1 000 mm，巷道帮上面的1根距顶板500 mm，呈上斜10°进行安设，下面的3根距巷道底板1 200 mm，呈水平方向进行安设。

3.2.4支护强度验算

扩巷后，每延米顶板范围内共计布置11根锚杆，每根锚杆的设计锚固力为80 kN，小计880 kN/m；每延米顶板范围内布置2.5根锚索，每根锚索设计锚固力300 kN/m，锚索支护强度为750 kN/m，大于围岩压力425 kN/m，不计锚杆支护强度，仅锚索支护顶板的安全系数为1.7，因此扩巷后的支护强度满足要求。

3.3柔模墙参数设计

为了方便柔模支挂，在3505工作面煤壁侧预留500 mm变形空间；通过理论计算分析确定混凝土设计强度为C30；纺织结构柔性模板为自主研发，高5 000 mm，宽1 500 mm，长3 000 mm；墙体两侧采用14 mm圆钢焊接钢筋梁将每排锚栓组合为整体，钢筋梁宽80 mm，长4 400 mm；钢筋梁限位孔间距为800 mm，与锚栓布置方式配套；锚栓18 mm×1 650 mm高强锚杆；并在两端设有长度不小于100 mm丝扣；托板采用120 mm×120 mm×8 mm拱形高强度托盘；留墙3 d后为锚栓施加预紧力，扭矩不小于150 N·m；每排安装6根锚栓，间排距为800 mm×750 mm。沿空留墙掘巷后支护如图7所示。

4工业应用

4.1柔性模板设计

柔性模板是一种高强度纤维材料，简称柔模[27-30]。使用时可根据施工要求，将柔性模板缝制成适合巷道断面大小和施工条件的封闭结构体，其上有预留孔，连接有自闭灌注口、横向翼缘、拉筋、锚栓孔等。柔模内部拉筋用于控制柔模墙体两长边侧纤维布的间距（即厚度），横向翼缘可将柔性模板吊挂在顶板上，除此之外，还可以根据现场条件需要预先设置措施孔，用于瓦斯治理、采空区排水以及气体检测等。

根据理论计算分析，王庄煤业沿空留墙掘巷柔模混凝土墙体厚度为1.5 m，即柔模宽度设计为1.5 m。如图8所示。

4.2柔模混凝土设计

柔模混凝土是由柔模+混凝土组成的复合混凝土材料，柔模具有透水不透浆（水泥浆）的特性，自密实混凝土的大水灰比输送后，可实现小水灰比硬化，混凝土强度增长快，泵注完成后，由于对拉锚栓的束缚，柔模混凝土墙体即有0.8 MPa的初撑力，其1，2，7 d最大强度可以达到9，13，30 MPa。

4.2.1材料及配比

混凝土材料由水泥、砂子、石子及自研专用外加剂在地面按照一定比例混合加水搅拌而成。从本地取材料后进行现场适配并委托有关单位进行强度检测，最终确定了柔模混凝土C30的设计配合比见表1。

4.2.2力学试验

1）抗压强度试验采用（100 mm×100 mm×100 mm）试件，每组3个，共60个。混凝土标号为C30，分别设置标准组和柔模组。

标准组：标准组为普通试块，分别对其龄期1，3，7，14，28 d抗压强度进行测试。

柔模组：柔模组为柔模包裹的试块，抗压强度测试龄期与标准组相同。测试对比结果如图9所示。

从图9可以看出，柔模组混凝土试块强度同龄期普遍高于标准组混凝土。其中1～7 d强度增长迅速，柔模组混凝土7～14 d强度即可完全达到设计值。这是因为柔性模板的透水不透浆性能，使得混凝土中多余水分会被挤压流出模袋，从而形成了大水灰比装模自密实，小水灰比硬化的高密度、高强度混凝土，所以柔模组混凝土强度高于普通混凝土。

4.3矿压监测及应用效果

在实施沿空留墙掘巷时，必须准确掌握掘巷巷道变形规律，掘巷巷道顶板压力规律，如有异常，及时采取措施，有效保证人员安全、掘巷正常使用。

王庄煤业沿空留墙掘巷监测主要包括围岩收敛变形监测和柔模墙体压力监测。

4.3.1矿压监测

1）围岩收敛变形监测。王庄煤业围岩收敛变形监测采用十字监测法监测，顶底板采用顶板动态仪进行量测，两帮变形采用收敛计量测。

2）柔模墙体压力监测。在预浇筑柔模墙体时，墙体底部与底板接触面预先安装KTRTJ30监测仪，实时监测柔模墙体的压力变化，每组测站安装一组监测仪器。

依据柔模沿空留墙掘巷方案设计，开展王庄煤矿3503工作面运输巷开展沿空留墙掘巷工业试验，待3505工作面掘巷时（巷道顶板及煤壁侧支护方式与3503相同），同步开展巷道围岩位移监测及柔模墙体压力监测。监测结果如图10所示。

从图10（a）可以看出，随着3505工作面回风巷沿墙掘进，滞后掘进面为0～72 m，巷道顶底板变形持续增大，但总体幅度较小；当滞后掘进面超过72 m时，巷道顶底板移近迅速增大，最终在115 m后逐渐趋于稳定值，此时顶底板最大移近为260 mm。从图10（b）可以看出，随着3505工作面回风巷沿墙掘进，两帮移近量变化规律与顶底板移进规律相似，但是两帮移近量总体小于顶底板移近量，两帮最大移近量为125 mm，巷道两帮移近在滞后掘进工作面110 m后基本稳定。从图10（c）可以看出，沿空留墙掘巷的墙体压力变形总体可以分为3个阶段，第一阶段：在滞后工作面0～35 m范围内墙体压力缓慢增长，从0增至4 MPa；第二阶段：在滞后工作面35～100 m范圍内墙体压力急剧增长，从4 MPa增至18 MPa；第三阶段：滞后工作面100 m以后墙体压力基本稳定在18 MPa左右。

4.3.2应用效果

3503工作面运输巷柔模混凝土沿空留墙掘巷共经历3个阶段采动影响：第一阶段为3503工作面回采阶段的超前和滞后动压；第二阶段为3505工作面沿墙掘进阶段的超前和滞后动压；第三阶段为3505工作面回采阶段超前动压。3503工作面运输巷柔模沿空留墙掘巷应用效果如图11所示。

图11（a）掘巷前超前留墙效果属于采动影响第一阶段；巷道围岩位移及柔模墙体压力监测属于采动影响第二阶段；图11（b）掘巷后超前留墙效果属于采动影响第三阶段。现场留墙及监测效果总体表明，王庄煤矿3503工作面运输巷柔性模板沿空留墙掘巷技术应用全阶段效果良好，解决了矿井如何回收5 m大采高工作面20 m区段煤柱、提高煤炭资源回收率和巷道掘进速度的重大技术难题，可以在该矿井15号煤层开采中推广应用。

5结论

1）基于技术原理建立柔模沿空留墙掘巷力学模型，并通过理论计算确定王庄煤业3503工作面运输巷沿空留墙掘巷墙体宽度为1.5 m，高度为5 m，混凝土强度为C30。

2）开展柔模混凝土沿空留墙掘巷支护设计，确定3503回采工作面巷道超前扩帮支护参数以及柔模墙体支护参数。

3）通过巷道围岩位移监测发现，顶底板移近量最大为260 mm，两帮移近量最大为125 mm，巷道留墙全阶段效果良好，该技术的成功应用，为后续类似矿井煤层开采沿空留墙掘巷技术推广及应用提供了技术借鉴及经验参考。

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（责任编辑：高佳）