大采高工作面沿空留柱墻綜合支護(hù)技術(shù)研究

李 新

(山西長(zhǎng)治王莊煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 長(zhǎng)治 047100)

近年來,隨著采礦技術(shù)的不斷發(fā)展,為了高效回收煤柱資源,沿空留巷技術(shù)在我國地下煤礦生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。沿空留巷的穩(wěn)定性主要取決于巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu),目前我國主要采取充填體護(hù)巷技術(shù)[4-6],隨著采深與采厚的增加,受強(qiáng)礦壓作用的影響,導(dǎo)致普通充填體結(jié)構(gòu)承載能力下降而發(fā)生破壞,護(hù)巷效果較差[7],為此研究低成本且可靠的沿空留巷支護(hù)技術(shù)是非常必要的。本文針對(duì)王莊煤業(yè)15號(hào)煤層煤柱尺寸留設(shè)大、煤炭資源浪費(fèi)嚴(yán)重、采掘接替緊張等問題,系統(tǒng)研究了15112工作面沿空留柱墻綜合支護(hù)技術(shù),以實(shí)現(xiàn)工作面安全高效開采。

1 工程概況

王莊煤礦15112工作面主采15號(hào)煤層,煤層平均厚3.75 m,平均傾角3°,可采長(zhǎng)度1 026 m,采用大采高回采工藝,工作面平均采高為4.2 m,生產(chǎn)能力 2.4×106t/a,工作面普遍留設(shè)20 m左右的護(hù)巷煤柱。15112工作面運(yùn)輸巷道沿煤層頂?shù)装寰蜻M(jìn),工作面布置情況如圖1所示,工作面頂?shù)装迩闆r如表1所示。

圖1 15112工作面布置圖

研究在15112工作面運(yùn)輸巷道非回采幫側(cè)澆注混凝土墩柱,作為15110工作面運(yùn)輸巷道沿空掘巷的柱墻。在進(jìn)行混凝土墩柱澆筑前,首先進(jìn)行非回采幫擴(kuò)幫,即在15112工作面運(yùn)輸巷道距離巷口方向約150 m處,擴(kuò)掘一個(gè)硐室(寬5.5 m,深5 m),間隔300 m后再擴(kuò)掘調(diào)車硐室,以此類推;硐室所在區(qū)域先暫不進(jìn)行墩柱澆筑,待完成所有巷旁墩柱施工,再進(jìn)行補(bǔ)打,以此提供施工空間,相關(guān)施工材料均放置在硐室中。待15112 工作面回采過后,且采空區(qū)巖層活動(dòng)趨于穩(wěn)定時(shí),緊貼柱墻掘進(jìn)15110工作面回采巷道,實(shí)現(xiàn)回采工作面無煤柱連續(xù)布置,如圖2所示。為保證工作面沿空留柱墻的安全穩(wěn)定,還需要進(jìn)一步研究巷旁擴(kuò)幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、巷旁充填柱墻支護(hù)及巷旁充填體基底加固方法,以實(shí)現(xiàn)工作面安全高效開采。

圖2 沿空留柱墻布置方式圖

2 巷旁擴(kuò)幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方法

15112工作面運(yùn)輸巷道掘進(jìn)斷面寬5.5 m,掘進(jìn)斷面高4.2 m,考慮到需要打設(shè)柱墻。因此,在掘進(jìn)時(shí)要綜合考慮斷面尺寸,設(shè)計(jì)巷旁柱墻直徑為1 m,考慮200 mm的安全間距,確定擴(kuò)幫斷面1.2 m,巷道總寬變?yōu)?.7 m,高度4.2 m,需要對(duì)擴(kuò)幫巷道實(shí)施加強(qiáng)支護(hù)。

2.1 支護(hù)參數(shù)確定

1) 錨桿長(zhǎng)度確定。錨桿長(zhǎng)度計(jì)算公式如下:

L=N(1.1+B/10)

(1)

式中:L為錨桿長(zhǎng)度,m;N為圍巖穩(wěn)定影響系數(shù),取1.2;B為巷道寬度,m.

由于擴(kuò)幫巷道寬度為6.7 m,將相關(guān)參數(shù)帶入公式(1),計(jì)算得到錨桿長(zhǎng)度應(yīng)不小于 2.24 m,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)15號(hào)煤類似巷道施工情況,同時(shí)考慮到巷道斷面較大,錨桿長(zhǎng)度取2.4 m.

2) 錨桿間排距確定。錨桿間排距按照相等布置進(jìn)行確定,計(jì)算公式如下:

(2)

式中:D1、P1為錨桿間、排距,m;Gc為錨桿設(shè)計(jì)錨固力,取90 kN;K為安全系數(shù),取4(巷道為大斷面一次成巷且使用時(shí)間較長(zhǎng),取較高安全系數(shù));γ為覆巖重力密度,取26 kN/m3;b1為冒落拱高度,取0.59 m.

將相關(guān)參數(shù)帶入公式(2),計(jì)算得錨桿間排距為1.21 m,結(jié)合15號(hào)煤切眼支護(hù)施工和本巷道實(shí)際情況,確定錨桿間排距為1.2 m×1.2 m.

3) 錨索長(zhǎng)度確定。錨索長(zhǎng)度計(jì)算公式如下:

L1=La+Lb+Lc+Ld

(3)

式中:L1為錨索總長(zhǎng)度,m;La為進(jìn)入穩(wěn)定巖層長(zhǎng)度,取2.35 m;Lb為懸吊不穩(wěn)定巖層厚度,取2.8 m;Lc為托盤及錨具厚度,取0.26 m;Ld為外露長(zhǎng)度,取0.3 m.

其中:

(4)

式中:K為安全系數(shù),取4;d1為錨索直徑,取18.9 mm;fa為錨索抗拉強(qiáng)度,取1.86 kN/mm2;fc為錨索與錨固劑的粘結(jié)強(qiáng)度,取15 N/mm2.

將相關(guān)參數(shù)帶入公式(3)與(4),計(jì)算的錨索長(zhǎng)度應(yīng)不小于5.71 m.根據(jù)頂板條件結(jié)合巷道寬度等因素綜合考慮,應(yīng)保證足夠的錨索長(zhǎng)度以防局部出現(xiàn)較大下沉,確定錨索長(zhǎng)度為6.3 m.

2.2 巷旁擴(kuò)幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案

1) 頂板支護(hù)。對(duì)于擴(kuò)幫巷道頂板,錨桿采用D22 mm×2 400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,錨桿垂直巷道頂板布置。采用幫網(wǎng)為4 100 mm×1 300 mm礦用阻燃塑料網(wǎng),錨桿間排距為1.2 m×1.2 m,每排布置6根錨桿(在原有基礎(chǔ)上增加1根錨桿),錨桿預(yù)緊扭矩不低于300 N·m.

頂錨索采用D18.9 mm的1×7股預(yù)應(yīng)力鋼絞線,長(zhǎng)度6.3 m,承載能力不低于409 kN.錨索每排布置3根,間排距為2.2 m×1.2 m,錨索安裝在兩排錨桿間頂板中部,即在原有的基礎(chǔ)上靠近非回采幫增加1根錨索。錨索初始張拉至250 kN,損失后不低于200 kN.

2) 非回采幫支護(hù)。非回采幫錨桿采用D22 mm×2 400 mm 玻璃纖維增強(qiáng)塑料桿體,采取樹脂加長(zhǎng)錨固方式,幫網(wǎng)規(guī)格為4 100 mm×1 300 mm,網(wǎng)孔50 mm×50 mm,用14號(hào)鉛絲隔孔連接、雙絲雙扣,搭接100 mm.每排布置4根錨桿,間排距為1.2 m×1.2 m,拱腳位置錨桿距頂板300 mm,錨桿預(yù)緊扭矩不小于100 N·m,擴(kuò)幫巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)形式如圖3所示。

圖3 擴(kuò)幫巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)圖(單位:mm)

2.3 巷旁擴(kuò)幫隱患防范措施

1) 瓦斯涌出防范措施。擴(kuò)幫過程中加強(qiáng)通風(fēng)管理,確保擴(kuò)幫段風(fēng)量充足,減少采空區(qū)漏風(fēng),并配備專職瓦檢員進(jìn)行檢查,每班不少于兩次;同時(shí),加強(qiáng)對(duì)瓦斯監(jiān)測(cè)的管理,對(duì)安全監(jiān)測(cè)設(shè)備按規(guī)定進(jìn)行測(cè)試、校正、維修,保證設(shè)備運(yùn)行正常,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,發(fā)現(xiàn)故障,及時(shí)處理;當(dāng)發(fā)現(xiàn)瓦斯超限,瓦斯傳感器發(fā)生聲光報(bào)警時(shí),人員應(yīng)立即撤離到安全地點(diǎn),并及時(shí)匯報(bào);加強(qiáng)采空區(qū)漏風(fēng)監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)留巷密閉漏風(fēng)量增加時(shí),及時(shí)進(jìn)行漏風(fēng)點(diǎn)監(jiān)測(cè),并加強(qiáng)瓦斯監(jiān)測(cè)頻次。

2) 遺煤自燃防范措施。擴(kuò)幫過程中對(duì)破碎區(qū)域和接頂不實(shí)區(qū)域,及時(shí)進(jìn)行噴漿補(bǔ)漏,噴漿距離不得大于100 m.噴漿密閉完成后,應(yīng)由班組長(zhǎng)利用隨身瓦斯、CO 檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè),評(píng)價(jià)封堵效果;同時(shí)加強(qiáng)回采工作面一氧化碳的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)工作,一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)火征兆,立即采取注氮降氧及汽霧阻化措施進(jìn)行處理。

3 巷旁充填柱墻支護(hù)方法

3.1 充填柱墻變形特征分析

研究采用混凝土墩柱作為充填柱墻,該柱墻主要由約束套管、柔模袋、混凝土材料組成,將濕料泵注于約束套管內(nèi),在套管的約束下形成的三向受力的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體。為研究不同應(yīng)變條件下柱墻變形特征,采用PFC軟件進(jìn)行模擬分析。針對(duì)套管類柱墻,選用平行黏結(jié)模型開展數(shù)值模擬試驗(yàn),建立D1 000 mm×4 000 mm 數(shù)值模型,試樣密度1 400 kg/m3,顆粒最小半徑 0.2 mm,粒徑比1.5,顆粒尺寸均勻分布。模擬采用位移加載方式,上下加載板以0.05 m/s的速率進(jìn)行軸向加載,直至試樣發(fā)生破壞。

數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。

柱墻應(yīng)變?chǔ)拧?.06以下時(shí),柱墻發(fā)生壓縮,局部有輕微凸起,但整體形狀較好,表明此時(shí)柱墻雖承受一定程度變形, 但仍然保持較高的強(qiáng)度。柱墻應(yīng)變?chǔ)?0.08 時(shí),柱墻頂部應(yīng)力集中區(qū)位移明顯,當(dāng)應(yīng)變繼續(xù)增大到0.1時(shí),柱墻變形劇烈增大,表明柱墻承載超過其支撐極限,局部進(jìn)入塑性屈服狀態(tài),進(jìn)一步發(fā)展,將導(dǎo)致柱墻進(jìn)入殘余變形階段。因此,柱墻具備一定的塑性變形能力,在變形初期,基本不影響承載,外觀無明顯變化。柱墻承受的極限應(yīng)變不超過0.08,即柱墻高度4 m時(shí),允許的最大塑性變形量為 320 mm.超過柱墻承載能力后,首先在頂部發(fā)生塑性破壞,進(jìn)而向下擴(kuò)展。

綜合上述分析,為保證混凝土柱墻的穩(wěn)定性,研究提出對(duì)柱墻實(shí)施局部加強(qiáng)方法,即在柱墻應(yīng)力集中區(qū)采取局部加強(qiáng)措施,防止因局部應(yīng)力集中過載導(dǎo)致的破壞。在柱墻頂部和底部分別增加鋼筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行具備加強(qiáng),鋼筋規(guī)格6.0 mm,環(huán)形布置,縱筋規(guī)格6.0 mm,網(wǎng)孔間距150 mm×100 mm,模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 有無箍筋時(shí)柱墻承載變形特征

圖5(a)為無箍筋破壞特征,表現(xiàn)為頂部應(yīng)力集中區(qū)的破壞;圖5(b)為采用箍筋局部加強(qiáng)后的柱墻受力變形特征,在相同應(yīng)力條件下,柱墻頂部應(yīng)力集中區(qū)未出現(xiàn)破壞,整體結(jié)構(gòu)完好,說明采取的局部加強(qiáng)措施,有效提高了柱墻承載能力,模擬中出現(xiàn)的傾斜現(xiàn)象與模型設(shè)置有關(guān),實(shí)際應(yīng)用時(shí)柱墻套管模具與巷道頂板緊密固定,破壞前不會(huì)出現(xiàn)傾倒現(xiàn)象。

3.2 充填柱墻支護(hù)參數(shù)確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)勘測(cè)結(jié)果,夾矸層厚度增加,變?yōu)?.8～1.8 m,局部巷道高度4.7 m 以上,為了保證柱墻的承載能力和穩(wěn)定性,柱墻高度不宜超過4.5 m.巷道高度 4.2 m時(shí),底座超出巷道底板200 mm,柱墻高度4.0 m.結(jié)合王莊煤礦的地質(zhì)與開采條件,確定 15112 工作面沿空掘巷強(qiáng)力柱墻直徑為1 000 mm,充填材料為混凝土,強(qiáng)度等級(jí)C35.

按柱墻支撐能力15 000 kN計(jì)算,則柱墻凈間距應(yīng)滿足:

(5)

式中:L2為柱墻凈間距,m;d為柱墻直徑,m;P為混凝土抗壓強(qiáng)度,Pa;[δ]為巷旁支護(hù)延米載荷,N;k為安全系數(shù),取1.5.

15112工作面柱墻直徑為1.0 m,C35混凝土實(shí)測(cè)強(qiáng)度 45 MPa,巷旁支護(hù)延米載荷7 790 kN,帶入公式(5)得,L≤1 m,即直徑1 000 mm的柱墻,最大中心距不超過1.7 m,最終確定柱墻間距 1.5 m,柱墻布置形式如圖6所示。

圖6 柱墻布置結(jié)構(gòu)圖(單位:mm)

4 巷旁柱墻基底加固方法

15112 工作面運(yùn)輸巷道高度為4.2 m,直接底為厚度1.5 m左右的泥巖,遇水易膨脹弱化,在礦山壓力的作用下易產(chǎn)生底鼓,影響巷旁柱墻支護(hù)的穩(wěn)定性,且巷旁支護(hù)必須澆筑在實(shí)底上,否則在頂板壓力作用下巷旁充填體下沉,易導(dǎo)致底鼓和頂板下沉。因此,研究采用“預(yù)澆混凝土底板加固+混凝土柱”的方式進(jìn)行巷旁支護(hù)。

15112運(yùn)輸巷道底板起底寬度為 1.2 m,高度為1.0 m,長(zhǎng)度為1 026 m.由于底板泥巖厚度變異性較大,在泥巖厚度小于1 m 的底板,起底至砂巖段即可,若厚度超過1 m, 起底厚度均按1 m考慮。采用膨脹劑破碎巖石施工方法,藥孔間排距300 mm×300 mm,直徑42 mm.起底后采用混凝土澆筑,澆筑寬度為1.2 m,高度為1.2 m,長(zhǎng)度為1 026 m;澆筑時(shí)1 m位于底板內(nèi),0.2 m位于底板上,混凝土強(qiáng)度C35.由于夾矸層厚度增加,局部巷道高度4.8 m以上,為了保證柱墻的承載能力和穩(wěn)定性,柱墻高度不宜超過4.5 m.

為提高澆筑底座的力學(xué)性能,采用鋼筋籠子對(duì)底座進(jìn)行加強(qiáng),形成鋼混凝土結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)箍筋直徑0.8 m,高度1.0 m,排距1.5 m,采用6號(hào)鋼筋網(wǎng)編制而成。為了方便在起底澆筑過程中的物料運(yùn)輸,箍筋均安設(shè)在底座內(nèi),距離底座頂部200 mm,巷旁柱墻基底加固如圖7所示。

圖7 巷旁柱墻基底加固結(jié)構(gòu)(單位:m)

5 結(jié) 語

1) 通過理論計(jì)算分析,對(duì)15112工作面擴(kuò)幫

巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,給出了擴(kuò)幫巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方法,保證了擴(kuò)幫巷道的穩(wěn)定。

2) 采用數(shù)值模擬方法分析了充填柱墻變形特征,提出了在柱墻頂部和底部分別增加鋼筋結(jié)構(gòu)的局部加強(qiáng)措施,確定合理充填柱墻間距為1.5 m.

3) 針對(duì)15112工作面直接底泥巖軟弱可能導(dǎo)致的柱墻失穩(wěn)問題,提出了“預(yù)澆混凝土底板加固+混凝土柱”的巷旁柱墻基底加固方法,有效保證了充填柱墻的穩(wěn)定。