煤巷內預設混凝土墻成巷合理寬度研究

李 寧, 孫欽亮

(山東恒馳礦業裝備科技有限公司, 山東 泰安 271202)

1 前言

高瓦斯礦井在工作面掘進和回采過程中,會從工作面、巷道和相鄰采空區涌出瓦斯,導致工作面瓦斯超標,影響安全生產[1-2]。為了保證工作面煤層開采的安全生產,提出了井下留設煤柱,這就造成了地下煤炭資源的浪費。因此,需要對高瓦斯礦井的無煤柱開采技術進行研究優化。

近年來,一些學者針對地下無煤柱開采進行了一系列研究。馬立強[3]提出了巷內充填無煤柱開采技術,將巷旁充填改造為巷內充填,使充填體受原巷內支護保護,保證了巷道的穩定,并成功應用于厚煤層綜放工作面,實現了厚煤層無煤柱開采。何滿潮[4]基于切頂短臂梁理論,分析了無煤柱切頂自成巷技術原理,提出切頂卸壓無煤柱自成巷技術及工藝,有效隔斷采空區與近距離煤層開采的連接,改善了巷道圍巖應力環境,實現巷道穩定,為無煤柱開采提供新理論與技術。西安科技大學研究團隊[5]開發出柔模混凝土墻式充填支護技術,并研發出專用施工裝備,在全國多個礦業集團得到廣泛應用。為解決該問題,一些專家提出雙巷布置系統,即在回風巷旁布置瓦斯抽排巷,通過混凝土隔離墻置換煤柱技術既能提高煤炭資源回收率,避免井下煤柱的應力集中,又可以解決煤柱瓦斯涌出問題,具有較高的經濟效益和安全性能[6-9]。上述研究為無煤柱開采技術的應用與發展提供了依據。

依據前人研究,對亞美煤礦的無煤柱開采技術方案進行實際應用和改進。亞美煤礦屬于高瓦斯礦井,目前正在回采的工作面采用一次采全高全部垮落綜合機械化采煤法,掘進工作面采用雙巷布置形式,巷間煤柱尺寸為43.5 m,煤柱尺寸較大造成了極大的煤炭資源浪費。因此,計劃在下一工作面實施煤巷內預設隔離墻成巷技術。合理的混凝土墻寬度決定了巷道長期作業的穩定性以及后續維護工作的難易程度[10-12]。本文按照亞美煤礦的實際情況,構建了煤巖的數值模型,通過數值模擬的手段揭示了煤巷內預設不同寬度混凝土墻成巷的圍巖應力和塑性區分布。采用柔模泵注混凝土墻技術對亞美煤礦的隔離墻進行構建,并對混凝土墻的配比進行優化研究。最終,根據模擬結果提出合理的支護方案進行了現場應用。本研究的技術方案不僅解決了亞美煤礦的煤柱回收問題,減少了地下煤炭資源的浪費;而且巷道在開拓期間能夠進行瓦斯通風,極大的縮短了礦井高瓦斯地處理時間。該技術對無煤柱開采技術的完善和發展具有重要意義。

2 數值模擬

2.1 模擬方案

依據工程實際情況,確定模型的基本參數為煤層埋深347 m,煤層平均厚度4.0 m,煤層平均傾角5°。本文數值模擬的煤巖層模型計算范圍為煤層穩定底板到煤層上方共計45 m的頂板巖層。模型尺寸長寬高為120 m×60 m×45 m,具體如圖1所示,根據煤層埋深在模型上邊界施加垂直應力8 MPa,由于煤層埋深較淺,巷道周圍無較大的水平構造,因此本次模擬計算側壓系數取0.5,模型底部施加的最大水平主應力為4.062 5 MPa。混凝土墻體寬度分別為1.0 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m、1.8 m、2.0 m。煤巖體的物理力學參數見表1。

表1 煤巖體物理力學參數

圖1 數值模型示意圖

2.2 模擬結果分析

為研究采動影響對混凝土墻支護結構的影響特征,則對采動條件下巷道圍巖的應力分布狀態和塑性區分布進行分析。通過模擬結果的對比,得到混凝土墻的最優寬度。圖2所示為采動影響下不同寬度垂直應力云圖。

圖2 采動影響下不同寬度混凝土墻垂直應力云圖

由圖2的數值模擬結果可知,不同寬度混凝土墻在采動影響下的垂直應力依次經歷了陡增期,穩定期和延伸期。充填體附近的圍巖應力狀態由剛開始的應力梯度逐漸向應力均化轉變。

隨著混凝土墻寬度的不斷增長,充填體的垂直應力展現出先減小后增大的趨勢,并且充填體寬度的增加會推動其應力向周圍巖體的擴散。說明充填體寬度的增強會促進其與周圍巖體結構的相互融合。

在采動過程中,巷內左端圍巖的應力梯度的變化強烈。其在充填體附近形成明顯的異化響應區。該區結構會在短期內發生迅速的能量聚集并受到周圍巖體的約束,其會在采動擾動的作用下發生一定的能量釋放和失穩。隨著充填體寬度的增強,附近區域的應力狀態也會隨之發生改變。在寬度較小時,附近區域圍巖的應力梯度集中,圍巖結構的應力集中較強,但隨著寬度的進一步增大,附近區域圍巖的應力發生減弱。充填體寬度達到1.6 m時,附近區域的集中應力最大。說明充填體寬度會對周圍結構的整體承力性造成影響,寬度的變化會使得周圍結構的承力異化。

為了得到充填體承力結構的寬度最優解,則對上述模擬結果進一步處理。將所輸出的數據繪制得到不同尺寸的混凝土墻尺寸的垂直應力分布曲線,具體如圖3所示。

圖3 不同尺寸混凝土墻垂直應力變化曲線

分析圖3可以看出,工作面回采后墻體內的最大垂直應力均發生在墻體右側。隨著混凝土墻體高度的增大,其垂直應力基本呈現出先增強后減弱的趨勢。當混凝土墻體高度為2 m時,各寬度混凝土墻所對應的垂直應力均出現減弱的趨勢。但在不同寬度的混凝土墻中,高度變化所造成的應力減弱效應不同。當墻體的寬度為1.0～1.4 m時,墻體的垂直應力隨寬度的增加而逐漸減弱,墻體的垂直應力變化幅度明顯。當墻體的寬度為1.4 m和1.6 m時,兩種墻體的垂直應力基本一致,曲線的整體趨勢較為平穩。當留設墻體的寬度為1.8～2.0 m時,墻體的垂直應力隨寬度的增加而逐漸增大。依據上述分析可知,寬度為1.4～1.8 m的墻體垂直應力曲線較為平穩,該范圍內墻體不同高度所對應的垂直應力均較小。

以1.4～1.8 m墻體寬度為研究重點,結合圖2、圖3對該范圍內充填體與圍巖的垂直應力云圖進行綜合分析。由于煤層厚度為4 m,則此處取與該厚度相近的混凝土高度進行分析。在三種寬度墻體種,1.4 m寬的墻體垂直應力較大,垂直應力達到了34 MPa。而寬度為1.6 m和1.8 m的墻體垂直應力相差較小,基本維持在25～30 MPa。對比圖2垂直應力云圖可知,墻體寬度為1.4和1.6 m所對應的墻體周圍應力較為均衡,兩種墻體應力集中程度較低。而當墻體寬度為1.8 m時,墻體周圍應力的差異性較大,應力集中程度明顯。綜合上述分析,墻體寬度為1.6 m時所對應的承力較小,且結構的應力集中程度較低,結構的整體穩定性較強。而當墻體寬度為1.4和1.8 m時,混凝土墻所對應的應力效應較強,結構易發生損傷破壞。則基于充填體的應力特征,得到充填體的最優寬度為1.6 m。

隨后,為了進一步分析充填體寬度對圍巖結構應力響應的影響特征,對圍巖的塑性區分布進行研究,塑性區分布如圖4所示。由圖4可以看出,墻體塑性區面積隨著墻體寬度的增加而增加,但范圍變化不大。周圍巖體的塑性區變化主要發生在巷道的頂板,遠端頂板的塑性區較弱,隨著墻體寬度的增長,巷道頂板的塑性區與左端巖體的塑性區不斷進行交替變化。墻體受力破壞基本區域基本發生在巷道頂底板附近,以剪切破壞為主,同時伴有部分區域的張拉破壞。通過對墻體塑性破壞進行分析,墻體寬度在1.0～1.4 m時,墻體內部破壞形式較為復雜,既發生了剪切破壞,又發生了張拉破壞,墻體寬度為1.6 m時只發了剪切破壞,當墻體寬度為 1.8～2.0 m時,塑性區破壞范圍增加,同時出現了不同的破壞形式。

圖4 釆動影響下不同混凝土墻寬度塑性區分布圖

通過上述模擬結果的分析對比,得出采動影響下混凝土墻承力的最優寬度。當混凝土墻體寬度為1.6 m時,隔離墻體應力集中程度最小,具有較好的承載能力,并且在采動影響下不易發生塑性破壞而失穩,巷道周圍巖體的承力特性也較為穩定。因此判斷出合理的隔離墻體寬度為1.6 m。

3 柔模泵注混凝土墻技術及材料配比

柔模泵注混凝土主要是采用泵送方式將礦用高性能混凝土注入柔性模板內,利用柔性模板透水不透漿的特性和泵壓使混凝土接頂,主動支撐頂板。這就要求混凝土必須具有很大的流動性,同時又不能對削弱其設計強度,這使得柔模泵注混凝土與普通的混凝土設計有所不同。該技術要求在保證流動性的同時也要加大水泥的用量,還要求混凝土輸送階段不產生離析、不沁水,混凝土硬化后要求有良好的穩定性,要達到工程要求的力學和變形性能[13]。因此,澆筑隔離墻混凝土要滿足密實、快硬、早強、高強等要求。主要材料為水泥、砂、粉煤灰和石子,與其他混凝土相比,柔模澆筑混凝土材料需要滿足以下要求。

(1)含砂率較大,通常為混凝土總量的45%～50%。

(2)骨料的粒徑應符合輸送管徑和柔模厚度,通常最大粒徑在20 mm以下。

(3)混凝土水灰比取0.5～0.6為宜。

(4)混凝土坍落度宜為180～200 mm。

結合上述要求,對1 m3混凝土配比進行試驗設計。依據多次試驗結果,柔模混凝土的配比見表2。經試驗測定,該混凝土坍落度大于180 mm,擴展度大于450 mm,滿足要求。

柔模泵注混凝土結構是以三維紡織纖維柔性材料縫制,內部的承力結構為模內充填體,采用礦用高性能混凝土作為模內充填體。隨后,采用雙拉錨栓對軸向力產生的橫向變形進行約束。整體為封閉的三維紡織結構,內部設有橫斜拉筋,外形與墻體相同。為了灌注方便,其上還需設有灌注口和固定裝置。通過上述支撐結構的構建,柔模泵注混凝土結構在實際應用中能夠具有結構簡單、輕質高強、施工方便等特性,并且該結構可應用于礦山隔離墻砌筑工藝中。因此,針對本文所采取的無煤柱開采技術,對混凝土墻的規格進行設計。本次設計柔性模板尺寸為:長3.0 m,寬1.6 m,高4.0 m。每個柔性模板接頂模板上設置3個植筋孔,孔間距1 000 mm。設置5排錨栓孔,每排布置4個錨栓孔,錨栓孔間排距為750 mm×750 mm。柔性模板結構示意如圖5 所示。

1—主體模板; 2—接頂模板; 3—橫向翼緣; 4—豎向翼緣; 5—灌注口; 6—錨栓孔; 7—預留孔; 8—植筋孔; 9—橫向拉筋; 10—斜拉筋; 11—套筒; 12—加筋環圖5 三維柔性模板示意圖

4 工程應用

在布置下區段工作面回風巷時,巷道按寬斷面掘進,并進行永久支護,滯后掘進工作面一定距離澆筑混凝土隔離墻并沿煤幫擴巷,將巷道隔離成回風巷和瓦斯巷,同時每隔一個周期來壓留設聯絡巷,并及時用擋風裝置將聯絡巷密封。巷道掘進過程中,新鮮風流由回風巷進入,再由瓦斯巷排出;當工作面回采時,將采空區聯絡巷打開,風流由進風巷流入,污風由回風巷排出,并在瓦斯巷設立獨立配風系統,將采空區和鄰近煤層的瓦斯由瓦斯巷排出,工作面回采完成后,將混凝土隔離墻做巷旁支護,并保留瓦斯巷為下一工作面服務,既解決瓦斯排放問題又實現了無煤柱開采。

通過與原有煤柱護巷對比可知,寬巷掘進方案取消了區段護巷煤柱,可多采出煤炭資源3.02萬t。雖然兩種方案的實際效益相差不大,但寬巷掘進方案購買的設備可以多次使用,既能保證正常的礦井采掘接續,降低礦井生產的不均衡性,也有利于防治瓦斯通風;而原有方案容易造成礦井采掘接續緊張,不利于治理高瓦斯礦井。從整體上看,寬巷掘進具有更好的綜合效益。

具體工藝過程如下:

第一步:按設計先掘膠帶運輸巷,巷寬7 600 mm,巷高4 000 mm,并進行永久支護。

第二步:頂板條件較差時,距巷道右幫3.5 m位置打設兩排“單體液壓支柱+鉸接頂梁”做臨時加強支護,滯后工作不超過20 m。滯后掘進設備50 m以上澆筑鋼筋混凝土條形基礎,基礎寬度2 000 mm,基礎埋置深度600 mm。

第三步:鋼筋混凝土條形基礎能夠充分承載后,在其上澆筑柔模混凝土隔離墻,寬度1 600 mm,與左煤幫間隙2 000 m。每隔80～100 m連續墻預留 1.6 m 寬的橫貫,澆筑隔離墻后運輸巷寬度變為 4 000 mm。 在混凝土隔離墻充分承載后,撤除“單體液壓支柱+鉸接頂梁”。

第四步:在混凝土隔離墻澆筑完成后擴巷,擴巷寬度2 000 mm,高度4 000 mm,形成下一個工作面的輔助運輸巷,并進行永久支護。工業流程如圖6 所示。

圖6 煤巷內預設混凝土墻工業流程圖

當巷道跨度(寬度)大于或等于5.5 m,側壓力系數≤1;或者跨度大于或等于5 m,側壓力系數>1時,巷道定義為大跨度巷道。因此大跨度巷道的寬度臨界值是5.5 m,當巷道寬度超過臨界值,頂板就會出現撓曲變形增大,出現離層,圍巖強度顯著降低,巷道變形破壞加重,導致巷道支護困難。這就致使此處采用一次成巷的錨索網聯合支護形式無法有效控制圍巖 變形,則需要對巷道支護參數進行一定的優化。根據對數值模擬結果進行分析,對巷道支護參數進行分析。初步確定巷道支護采用“隔離墻+錨桿+錨索+鋼筋梁+錨網”的多位一體聯合支護形式,巷道支護設計如圖7所示。該支護方式的應用,能夠有效維持巷道圍巖的穩定變形。

圖7 巷道支護設計圖

5 結論

針對高瓦斯礦井瓦斯排放問題和雙巷布置系統煤柱尺寸較大造成的資源浪費,本文以亞美煤礦為工程背景,通過數值模擬分析了設置不同寬度的隔離墻成巷對圍巖應力和塑性區的影響,主要得到一些結論。

(1)工作面回采后墻體內的最大垂直應力均發生在墻體右側,且隨混凝土墻體寬度的增大,墻體內的垂直應力峰值呈現出先增大后減少的趨勢。

(2)當留設煤柱小于1.6 m時,墻體內部的垂直應力較大,當墻體寬度為1.8～2.0 m時,墻體內的垂直應力逐漸減少,但變化幅度較少。

(3)墻體塑性區面積隨著墻體寬度的增加而增加,但范圍變化不大,墻體受力破壞基本區域基本發生在巷道頂底板附近,以剪切破壞為主,同時伴有部分區域的張拉破壞。

(4)當混凝土墻體寬度為1.6 m時,隔離墻體應力集中程度最小,具有較好的承載能力,且在采動影響下不易發生塑性破壞而失穩,因此合理的隔離墻體寬度為1.6 m。

(5)由于混凝土墻需要滿足密實、快硬、早強、高強等要求,采用柔模泵注構筑混凝土墻體,確定了材料的配比,并在此基礎上進行了現場應用。