深部高應力礦井柔模混凝土沿空留巷技術研究

趙中玲,王向陽

(晉能控股煤業集團陽泉有限公司,山西 陽泉 045000)

工作面回采時,保留沿空留巷可以改善礦井安全生產條件,用“一進兩回”偏“Y”型通風方式代替“U”型通風,解決了“U”型通風工作面瓦斯積聚超限的難題。采用沿空留巷還能夠回收護巷煤柱,提高資源回收率27%以上,具有顯著的經濟效益。同時,利用沿空留巷實現無煤柱開采,沒有了煤柱區的應力集中影響,消除了煤與瓦斯突出危險威脅,更容易維護被保護層巷道[1-2]。

煤層埋深越大,沿空巷道圍巖變形越劇烈,應力水平高,塑性區范圍也隨之擴大[3]。留巷圍巖體經過兩次采動應力的影響,變得相當破碎,相應的巷旁支護、巷內支護、澆筑空間維護等加強支護極為關鍵,對沿空留巷的成功與否起決定性作用[4-5]。

采用柔?；炷裂乜樟粝锛夹g,使工作面巷道的煤巖體受到卸壓作用影響,處于應力降低區內。柔?；炷裂乜樟粝锪糇飨噜徆ぷ髅骓槻巯锏?減小了巷道維護量及掘進量,并大大提高資源回收率[6-7]。本文主要介紹柔?；炷裂乜樟粝锏氖褂们闆r,并根據實際測試結果對其支護效果進行評價,對深部煤炭資源開采有借鑒和參考價值。

1 柔?；炷裂乜樟粝锿L系統調整

柔模混凝土沿空留巷技術應用于某煤礦的15108工作面,該礦屬于煤與瓦斯突出礦井,主采沁水煤田8號、9號、15號煤層,現采15號煤層。

15#煤層位于石炭系上統太原組(C3t)地層中,屬簡單結構煤層。煤層厚度為2.92～5.10 m,平均厚度約4 m,煤層傾角在0°～13°,埋深范圍為743～876 m,為深部開采。實測最大水平主應力為26.68 MPa,最小水平主應力為14.36 MPa,垂直應力為18.79 MPa,屬于高應力區。

15108 綜采工作面沿空留巷試驗期間,需將原來工作面的通風系統由原單“U”型“一進一回”調整為偏“Y”型“一進兩回”。通過打開回風順槽與抽采巷五橫貫閉墻,使沿空留巷內回風流經五橫貫至15108 抽采巷,匯入15 號煤回風大巷,形成偏“Y”型“一進兩回”的工作面通風系統,如圖1所示。即進風順槽進風,回風順槽及沿空留巷回風,解決上隅角瓦斯超限的難題,稀釋回風巷瓦斯含量,保證工作面安全、高產、高效。

圖1 沿空留巷試驗期間通風系統圖

2 沿空留巷順槽支護及工作面超前支護

沿空留巷是在15108工作面回風順槽的回采段進行重新支護而形成的巷道。其穩定性受原始支護以及回采工作面前方的超前支護方式的影響[8-10]。

15108工作面回風順槽沿煤層頂底板掘進,矩形斷面,巷道規格為:寬4 200 mm,高4 000 mm,斷面積S=16.8 m2。采用高強度、高剛度、高可靠性的現代錨桿支護理念,保證了支護效果,大幅度減小巷道的圍巖變形與破壞,為沿空留巷創造了良好的巷道圍巖應力環境。

2.1 原始支護

該順槽頂板支護采用“錨索-菱形網”聯合支護。錨索間距900 mm,排距800 mm。錨索采用Φ21.8 mm×5 200 mm的1860級鋼絞線。

兩幫支護采用“錨索-錨桿-菱形網”聯合支護。兩幫支護排距均為800 mm,煤柱幫間距為1 000 mm;回采幫間距為800 mm。錨索采用Φ17.8×4 200 mm的1860級鋼絞線;錨索托盤采用高強度可調心托盤配調心球墊(300 mm×300 mm×12 mm);錨索錨固劑為MSZ-23-120型;錨桿采用Φ18 mm×2 500 mm圓鋼麻花錨桿。

2.2 超前加固支護

在超前回采工作面50 m以外、超前壓力顯現之前,對回風順槽進行加強支護。在頂板補打3根錨索,鋪設雙層菱形金屬網。錨索規格:Φ21.8 mm×9 200 mm的1860級鋼絞線,初始張拉力不小于300 kN。頂板鋪設雙層菱形金屬網,金屬網規格6 300 mm×1 000 mm。15108回風順槽加強支護斷面如圖2所示。

圖2 15108工作面回風順槽超前加固支護

3 柔?；炷裂乜樟粝飮鷰r控制技術

在回采工作面的回風順槽一側,澆筑混凝土墻,采用三維紡織結構柔性模板構筑沿空留巷[11]。沿空留巷寬度2 m,巷高4 m,留巷斷面S=8 m2,巷旁柔模混凝土支護寬度1.5 m。

三維紡織結構柔性模板由袋外加筋纖維和袋內拉筋組成,是混凝土材料的預成型體,設有自閉注漿口,具有質量小、強度高、施工方便等特性。

選擇高流動性、自密實、早強、高強、微膨脹的煤礦用高性能混凝土,混凝土強度等級不低于CF40。

對拉錨栓栓體采用Φ22 mm左旋無縱筋螺紋鋼,鋼號為500號,兩端螺紋規格M24,螺紋長度不小于125 mm,栓體長度1 700 mm。每排布置5根錨栓,間排距750 mm×700 mm,垂直墻面安設。柔模墻體澆筑成型兩天后施加300 N·m預緊扭矩。對拉錨栓下襯防剪切加強鋼筋鋼帶。鋼帶由Φ16 mm圓鋼焊接而成,扣距80 mm。三維紡織結構柔性模板的結構及澆筑效果如圖3所示。

1-主體模板;2-接頂模板;3-中部翼緣;4-豎向翼緣;5-灌注口;6-錨栓孔;7-排水孔(瓦斯抽放孔);8-植筋口;9-連接繩;10-翼緣套筒(放架立筋);11-邊翼緣

4 柔模混凝土沿空留巷支護效果

4.1 沿空留巷圍巖收斂變形監測

為觀測柔模混凝土墻體的支護效果,設置了3個觀測點。其中,1#測點位于五橫貫以北1.5 m(2#柔模),2#測點位于五橫貫以北82.5 m(30#柔模),3#測點位于五橫貫以北172 m(60#柔模)。

圍巖收斂變形監測,主要包括頂板下沉量、底臌量、幫臌量和墻移近量等。超前回采工作面50 m進行安設,采用十字監測法監測圍巖收斂變形,監測內容包括超前工作面巷道位移和沿空巷道位移兩部分,頂底板移近量采用頂板動態儀進行量測,兩幫移近量采用收斂計量測。沿空留巷期間巷道圍巖收斂變形規律如圖4所示。圖4中橫坐標“距煤壁距離”為測點距回采工作面煤壁距離,超前工作面為負數,滯后工作面為正數,隨回采工作面推進,橫坐標逐漸增大。

(a)1#測點圍巖收斂變形規律

如圖4(a)所示,1#測點頂板下沉量411 mm,頂板下沉量在滯后工作面60～80 m內變化較大,之后較平穩；底臌量1 025 mm,底臌量在滯后工作面20～100 m范圍內時變化較大；墻移量255 mm,幫臌量183 mm，墻移量和幫臌量較小,變化不明顯。

如圖4(b)所示,2#測點頂板下沉量325 mm,頂板下沉量滯后工作面100 m及155 m時,有顯著增加；底臌量1 486 mm,底臌量滯后工作面43 m及100 m時增大較為明顯,滯后工作面沿空留巷內壓力較大,巷道變形較為明顯；墻移量變化不明顯,幫臌量616 mm,在滯后工作面113 m及152 m時呈臺階式上升。

如圖4(c)所示,3#測點頂板下沉量120 mm,頂板下沉量較??；底臌量525 mm,底臌量在滯后工作面45 m、80 m、140 m時,變化較大,臺階式上升,墻移量和幫臌量較小。

最大頂板下沉量為1#測點,頂板下沉量為411 mm；最大底臌量為2#測點,底臌量為1 486 mm;最大幫臌量為2#測點,幫臌量為616 mm。

底臌、幫臌是巷道變形的主要因素,該礦15#煤層直接頂為K2石灰巖,該巖層內部節理發育,在受礦壓影響后易發生破碎。15108工作面回風順槽補強支護前,部分地段頂板就有開裂、下沉現象，雖然進行了補強支護,但在受到滯后壓力影響后,仍發生了比較明顯的變化。在施工沿空留巷前,巷道部分地段幫部煤體已破碎并形成網包,在綜采工作面滯后壓力影響下,變化尤為明顯。但從圖4 的曲線可以看出,采用柔性混凝土連續墻支護后,除底臌比較明顯外,頂板下沉量、墻移量、幫臌量均比較小,說明在高應力條件下,先柔后剛的支護方式能極大程度地控制巷道的變形。

4.2 沿空留巷墻體錨栓應力監測

在柔?；炷翂w的對拉錨栓上設置2個應力監測點。其中,1#測點位于五橫貫以北4.5 m(3#柔模),2#測點位于五橫貫以北44.5 m(15#柔模)。墻體澆筑完成后在柔模混凝土墻體中部安設錨栓測力計,安裝孔徑和量程與錨栓技術參數匹配,用以監測回采和留巷過程中錨栓工作阻力的變化規律,沿空留巷墻體錨栓應力監測曲線如圖5所示。

(a)1#測點墻體應力檢測

如圖5(a)所示,1#測點滯后工作面50～80 m時,墻體錨栓壓力迅速上升達至180 kN,之后迅速下降。滯后工作面85～140 m,壓力線性上升至210 kN,趨于穩定。

如圖5(b)所示,2#測點滯后工作面22～105 m時,墻體錨栓壓力緩慢上升至40 kN,趨于穩定。

通過2個測點數據顯示,留巷段柔模墻體壓力變化比較緩慢,且未發現周期性壓力變化。從現場來看,沿空留巷墻體基本未發生破壞性變化,柔模墻體的強度與支護強度達到預期效果。說明在高應力條件下,柔?；炷翂υ谀坛跗谝约坝不^程中與頂板壓力達到適度的協調,從而緩沖了周期性壓力對混凝土墻體的破壞,提高混凝土墻體的自愈能力。而在凝固后期,墻體強度增強,側向壓力逐漸增大。與普通混凝土墻體相比,自愈能力提高10%,峰值強度提高17%～23%,殘余強度提高57%～71%[12-13]。

5 結論

1)采用錨、網、索進行基本支護,單體臨時加強支護,柔模混凝土構筑巷旁支護,可以實現最大水平主應力26.68 MPa、垂直應力18.79 MPa的高應力環境下的沿空留巷,為其他相似環境礦井提供借鑒。

2)深部高應力巷道受回采及留巷影響明顯,圍巖變形較劇烈,主要表現為幫臌及底臌等。柔?；炷裂乜樟粝锵锱灾ёo與普通混凝土相比,自愈能力提高10%,峰值強度提高17%～23%,殘余強度提高57%～71%。

3)柔模混凝土巷旁支護為先柔后剛巷旁支護,具有較大初撐力及適當可縮量的特性,并繼承了混凝土后期支護的剛性。實現了切頂卸載后巷道變形量小,巷道支架受力小,維修費用較低。