綜采面回撤巷道混凝土支柱支護設計

任祥林

(山西汾西礦業(yè)集團南關煤業(yè)，山西 晉中 031300)

礦井此前主要采用垛式支架作為預掘回撤通道的外部支護方式，在該礦5103工作面即將進入末采階段時，綜合考慮混凝土支柱的優(yōu)點，決定在該工作面主回撤通道進行混凝土支柱支護的試驗研究[1-2]。本文以5103工作面主回撤通道作為工程背景，對混凝土支柱快速施工工藝以進行了初步的研究。

1 工作面概況

5103工作面煤層厚度在2.4 m～3.8 m，平均厚度3.1 m，埋深約180 m。該煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層呈條帶狀結(jié)構(gòu)，瀝青光澤，節(jié)理不發(fā)育。直接頂為粉砂巖、中粗砂巖，中等穩(wěn)定，零星分布有泥巖，厚度0.84 m～14.28 m。老頂為粉、細砂巖，中厚層狀，比較穩(wěn)定，厚度40 m 以上。直接底為砂質(zhì)泥巖、泥巖，遇水強度降低，厚度0.65 m～7.50 m。該煤層頂板比較堅硬，預計為老頂來壓強烈的Ⅲ級頂板，在工作面中部有一平緩凹陷，該處煤層變薄，對開采有一定影響。

5103工作面主回撤通道設計掘進斷面為矩形，寬度5.0 m，高3.2 m，掘進斷面16 m2。巷道支護采用錨網(wǎng)梯梁結(jié)合支護系統(tǒng)，錨索補強。頂板全部支護，工作面?zhèn)葞筒恢ёo，煤柱側(cè)幫不支護，煤柱側(cè)幫支護。

2 混凝土支柱支護設計

2.1 支護強度

根據(jù)《礦山壓力與巖層控制》中對頂板壓力的估算方法，按照4倍～8倍的采高對頂板壓力進行估算，計算公式如式(1)[3]。

P=(4～8)ahr

(1)

式中：P為工作面支護估算強度，MPa；a為安全系數(shù)，取2；h為工作面采高，取3.2 m；r為頂板巖石重力密度，取27 kN/m3。

上述公式中，在周期來壓不明顯時應采用低倍數(shù)，而周期來壓較劇烈時應采用高倍數(shù)加以估算。5103工作面煤層頂板比較堅硬，預計為老頂來壓強烈的Ⅲ級頂板，因此按照8倍采高進行估算，混凝土支柱的支護強度P=1.38 MPa。

5102工作面預掘回撤通道外部支護方式為，ZD9000/17/35垛式液壓支架68臺，3.5 m單體支柱1 040根，其支護強度為：

P=(9 000×68+200×1 040)/(245×5)=0.67 MPa

通過以上理論計算以及和以往回撤經(jīng)驗的對比，為保證試驗成功，設計混凝土支柱的支護強度為2 MPa，即每平方米所需的承載能力為200 t。

2.2 混凝土支柱參數(shù)的選取

現(xiàn)場擬采用直徑為800 mm的混凝土支柱進行支護，其材料為C25商品混凝土，根據(jù)試驗結(jié)果，支柱峰值載荷時的應力水平約為25 MPa，單根混凝土支柱能提供的最大支護能力約為1 200 t，能夠滿足頂板的載荷，所以共需混凝土支柱的數(shù)量計算見式(2)。

m=PS/T=2×106×245×5)/(12×106)=208個

(2)

式中：m為混凝土支柱的數(shù)量，個；P為工作面支護強度，MPa；S為巷道頂板面積，m2；T為單根混凝土支柱的支護能力，12×106N。

在初次試驗中，為保證成功，實際安裝的支柱數(shù)量應大于理論計算的結(jié)果。

2.3 混凝土支柱穩(wěn)定性校核

從混凝土支柱參數(shù)的初步設計可以看出，混凝土支柱的高徑比達到了4∶1左右，為了避免支柱在工作過程中因失穩(wěn)引起失效，現(xiàn)對其穩(wěn)定性進行校核[4]。混凝土支柱的柔度λ計算見式(3)，材料應力為比例極限時的柔度極限值見式(4)。

(3)

式中：μ為長度因素，按照兩端固定計算，取0.5；h為混凝土支柱的高度，取3.2 m；i為混凝土支柱的慣性半徑，0.25 d，0.2 m。

(4)

式中：λp為材料應力為比例極限時的柔度極限值；E為混凝土的彈性模量，26.67 GPa；σ為混凝土的比例極限，按照支柱的極限應力水平計算，取25 MPa。λ<λp，混凝土支柱的臨界應力大于材料的比例極限，切線模量理論認為，在這種情況下，用失穩(wěn)時的切線模量代替彈性模量，即可得到非彈性屈曲時的臨界應力，仍采用歐拉公式的形式計算臨界應力，見式(5)。

σcr=π2Ea(i/μh)2

(5)

式中：σcr為臨界應力，MPa；Ea為失穩(wěn)時的切線模量，GPa。

由奧尼西克建立的公式可得失穩(wěn)時的切線模量，見式(6)。

Ea=E0(1-σcr/1.1fm)

(6)

式中：fm為混凝土抗壓強度設計值，取25 MPa；E0為混凝土初始彈性模量，26.67 GPa。

因此，臨界應力可表示為式(7)。

σcr=E0(1-σcr/1.1fm)π2(i/μl)2

(7)

通過計算，混凝土支柱失穩(wěn)時的臨界應力約為27.3 MPa，能夠滿足穩(wěn)定性的要求。

2.4 混凝土支柱充填袋設計

混凝土支柱在預掘回撤通道中應用成功與否取決于兩個關鍵的因素：最大支護能力和殘余載荷能力，而這兩個因素在一定程度上都受制于充填袋的性能，因此，充填袋的選取是保證混凝土支柱性能的關鍵[5]。

本次試驗中選取的充填袋材料為機織長絲土工布，其橫向抗拉強度可達8 600 kg/m，縱向抗拉強度為6 000 kg/m，斷裂延伸率在25%左右，充填袋的接縫是依靠縫合來實現(xiàn)，充填袋的高度設計為3 m，采用50 mm寬的雙層布料(與袋體布料相同)縫制成圓環(huán)，并固定在袋體上作為橫向加強筋，以保持接縫強度；頂部對稱縫制4個吊環(huán)用以懸掛。

2.5 混凝土支柱布置方案

在回采過程中，隨著工作面的推進，剩余煤柱的寬度和強度不斷減小，巷道頂板開始向著失效的工作面煤柱邊緣向下偏轉(zhuǎn)。這種活動會在外側(cè)煤柱頂板區(qū)域引起拉伸應力和塑性變形，因此，在主回撤通道中混凝土支柱需要安裝在靠近工作面剩余煤柱附近，以取代失效的剩余煤柱，限制頂板的旋轉(zhuǎn)運動。

根據(jù)估算結(jié)果，結(jié)合井下錨桿、錨索的布置方式，擬在5103主回撤通道中共安裝2排混凝土支柱。其中，靠工作面?zhèn)鹊幕炷林еc煤壁的距離為500 mm，支柱的間距為1 800 mm，排距為2 000 mm，如圖1所示。

圖1 混凝土支柱布置

根據(jù)上述布置方案，預計在5103主回撤通道中共安裝混凝土支柱230根～240根。

3 現(xiàn)場實施

3.1 混凝土支柱的澆注

在對井上和井下施工過程中的問題進行總結(jié)改正后，一切準備就緒的情況下，混凝土支柱的澆注于2014年4月8號開始正式施工，4月23號施工完畢，施工工藝總結(jié)如下。

1) 提前1 d在需要懸掛充填袋的位置補打1 m長短錨桿，每根支柱需4根錨桿，間排距為1 m×1 m。隨后，施工過程中錨桿補打與支柱的澆注平行進行，直至補打完成。

2) 將混凝土泵及配套的管路等設備運至回撤通道合適的位置(一般位于03主回撤聯(lián)巷口稍靠里的位置)，并進行安裝和連接管路。在硬管的盡頭連接一截5 m長的軟管，通過導鏈拉拽軟管調(diào)整其位置，以達到每拆卸一次硬管澆注多根混凝土支柱的目的。

3) 充填袋的懸掛：對于頂板較為平整的位置，用馬蹄環(huán)穿過充填袋吊環(huán)，然后用螺母將其固定在錨桿的外露端，通過上下調(diào)節(jié)4個螺母的位置使袋口保持水平；對于頂板坡度較大的位置，螺母的上下移動仍不能使袋口平齊時，在頂板較高的位置采用大鏈代替馬蹄環(huán)來懸掛充填袋，如圖2所示。

圖2 充填袋采用馬蹄環(huán)懸掛

4) 調(diào)整充填袋底部與底板之間的距離。對于巷道高度較大的地方，采用混凝土在充填袋正下方打設底座；而巷道高度較小的地方則需要起底，然后用混凝土抹平。在底座的施工過程中采用水平尺進行測量，盡量使底座的上表面保持水平。最終充填袋底部距底板的距離為100 mm左右。

3.2 混凝土支柱的接頂施工

在所有混凝土支柱初步凝固后，拆除用以懸掛的大鏈和馬蹄環(huán)，準備接頂施工，接頂?shù)牟牧习ㄖ忻芏劝搴退酀{。施工過程中將中密度板切割成直徑750 mm左右的圓板，水泥漿采用PO42.5水泥，水灰比為0.6左右，水泥漿的泵送采用ZBY-30/12.0高壓水泥注漿泵。

將切割好的中密度板堆填在支柱頂部與頂板之間，預留出1層～2層板的厚度空間，用接頂充填袋從中密度板的頂部反套下來，下口用鐵絲扎緊在柱體上，然后，采用水泥注漿泵通過預留的注漿口進行注漿，直至充填袋撐起并與頂板完全接觸。

3.3 主回撤通道補強支護

混凝土支柱所有工序施工完成后，因混凝土支柱安裝位置偏于工作面一側(cè)，主回撤通道中部至煤柱方向以及聯(lián)巷口沒有頂板外部支護，為了保證末采期間頂板的安全，對這2個位置進行了后期補強護。

主回撤通道中部至煤柱方向頂板的補強支護如圖3所示，混凝土支柱施工完成后，在該區(qū)域頂板的中部位置(距外側(cè)煤柱約1 000 mm)補打一排錨索，錨索的規(guī)格為：單根鋼絞線，Φ22 mm，長度6 300 mm，間距1 000 mm。

4 結(jié)論

本文對5103工作面混凝土支柱支護預掘回撤通道技術進行了現(xiàn)場試驗，試驗中對混凝土支柱這種外部支護技術的所有過程進行了仔細的研究，重點探索了混凝土支柱的施工工藝。本次試驗取得成功，通過試驗可以得出以下結(jié)論：

圖3 頂板錨索補強支護布置圖

1) 混凝土支柱作為預掘回撤通道的外部支護能夠提供足夠的支護強度保證工作面末采期間回撤通道的安全，本次試驗中，盡管有個別混凝土支柱發(fā)生了脆性破壞，但整個支護系統(tǒng)還是安全地保證了工作面設備進入預掘回撤通道，順利完成了采煤設備的回撤；

2) 混凝土支柱強度的設計標準為在保證支護強度的前提下，盡量不會對采煤機的切割造成困難，根據(jù)現(xiàn)場應用效果，混凝土支柱的強度略高，在以后的應用中，不改變支護密度的前提下可以適當降低混凝土的強度，同時混凝土骨料的硬度也不宜太大；

3) 接頂?shù)奶幚韺炷林еёo的安全性至關重要，由于混凝土的剛度較大，接頂部分需提供足夠的變形以保證支柱不會因為頂板下沉而發(fā)生脆性破壞，同時，要保證不會因變形量過大而導致巷道閉合過度；

4) 從本次現(xiàn)場施工過程可以看出，合理的充填袋結(jié)構(gòu)能有效降低工序的復雜性，有待研究改進。