柔性模板泵注混凝土在沿空留巷支护技术的应用.pdf

2 0 1 0 年第 4 期 煤矿支护 柔性 模板泵注混 凝土在沿空留巷支护技术的应用 周金 城 冀 中能源峰峰 集团有 限公 司，河北 邯郸 0 5 6 1 0 7 摘要 以纤维布制作 的柔性模板 ，采用远距离、小流量混凝土输送泵，二者有机 结合起来应用于沿空留巷，实现沿空留巷机械化作业，为煤炭快速、高效生产奠定 基础，探索出生产准备 的新途径。 关键词 柔性模板混凝土输送泵 沿空留巷 1 柔性模板泵注混凝土支护技术 1 1 总体 设计 方案 柔性模板泵注混凝土支护技术是一种新 型沿空留巷支护技术。随着采煤工作面的推 进 ，紧跟回采工作面，在工作面端头支护效 应消失前，在单体支柱的掩护和支撑下 ，在 巷旁支护的外侧用锚杆或点柱将柔性模板固 定 ，将可调节凝固时间、调节强度的自密实 混凝土泵入柔性模板，在 回采工作面后方采 空区与巷道之 间形成一道 密闭混凝土 连续 墙 ，弥补 回采造成的巷帮缺失 ，与原有巷内 支护及临时支护形成一个整体 ，共同承担采 动及其它压力 ，保护巷道稳定 ，隔绝瓦斯及 有害气体 ，防止采空区自然发火 ，使该巷用 于下一个工作面回采 。 1 2 支护特点 与纤维布柔性模板相 比，传统的刚性 模板存在以下问题：模板是开放型的，与顶 底板接触不严密，容易跑浆漏浆 ，不能实现 带压主动支护 ；模板充填难以接顶 ，影响支 护效果；采空区的内模板难以回收，经济成 本高；安装模板劳动强度大，效率低，支模 复杂，需要大量的人力物力。相对而言，柔 性模板是软接触，可以适应任何复杂多变的 巷道形状 ；模板密闭性强 ，实现了混凝土带 压操作 ，克服了刚模存在的不足 ；采空区模 板易于回收；模板重量轻 ，安装模板的劳动 强度大大降低。 原普通长距离混凝土输送泵在巷道起 伏不平和下山路段输送混凝土料时，容易堵 塞管路 ，可靠性差 。本项 目开发 出了远距 离、小 流 量 混 凝 土 泵 ，输 送 距 离 超 过 l O 0 0 m，在巷道起伏不平条件下和下山输送 混凝土料时不堵塞管路 ，输送的可靠性大大 提高 ，解决了材料运输 问题 ，实现了充填机 械化 。远距 离、小流量 混凝土泵 的开发成 功 ，解决了沿空留巷速度慢 ，限制工作面推 进速度，难 以实现安全 、快速、高效生产的 问题 。 采用柔性模板泵注混凝 土支护技术 ， 一 次施工断面积 大，形成 的混凝 土整体性 好、强度高 ，机械化程度高 ，施工速度快 ， 在经济效益上具有突出的优越性 。 2 试验工作面情况 依托工程位于冀中能源峰峰集团公司羊 渠河 矿 8 4 5 9野青煤 层 ( 4号煤 )工作 面 ， 煤层厚度为 0 9 5 1 3 0 m，平均厚度 为 1 1 3 m，倾角为 2 1 8 。 ，埋 深 8 0 0 m。工作 面走 向长 9 5 4 m，倾斜长 1 2 1 5 m。煤层老顶 为页岩，厚度 3 2 m；直接顶为石灰岩 ，厚 2 煤矿支护 2 0 1 0年第 4期 度1 3 m，质 地 坚 硬。地 压 为1 1 8 8 1 3 4 2 MP a ；煤层的硬度系数 f 值为 1 5 ，直 接顶为硬度 系数 f 值 为 8 ，直接底硬度系数 f 值为 5 6 。煤层 顶、底板 柱状如 图 1所 示 ，巷道断面如图 2所示。 一 状 鬈 J 一 一 一 2 1 f 一j 一 一 一 一 ： 一 l _ 二 ： 一 ： 二j I + j j j 图 1 煤层顶底板柱状 图 2 巷道断面 3 柔性模板混凝土支护设计 3 1混凝 土厚 度设 计 ( 1 )支护体载荷计算 混凝土支护体 载荷 采用英 国威 特克 的 “ 分离岩块法”计算，依据的是沿空巷道和 支护体上方一定范围内分离岩块的重量构成 了支护体载荷的理论。在该计算理论中，支 护体简化为构筑在顶板岩块质量的中心线位 置，并认为在支护体上，岩块在重力作用下 是静止的在其顶部及 两边 都没有力 的作 用 。该计算方法理论认为 ，巷旁支护带处于 未采动煤体的高压力区和 冒落矸石之间，是 一 个降压区，岩块一边 的采空区提供一个主 要 自由面因岩块呈层状 ，可能在一定高度 H上产生 离层 ，导致岩块沿煤 体 以 0角断 裂 ，进入完全 自由状态 ，成 为支护体 的载 荷 。8 4 5 9工作面的岩层平均倾角 a为 l 0 。 ， 简化计算模型时需考虑重力与支护结构之间 的夹角。分离岩块法支护体载荷力学计算模 型如图 3所示。对围岩失稳点取弯矩时，只 考虑 了冒落区岩石垂直于支护体方向的不利 分量 ，不考虑沿煤层分布方 向的有 利分量 ； 进行植筋设计时，则重新考虑沿煤层分布的 冒落岩石的重力分量。 图 3 支护体载荷力学模型 计算支护体载荷 q ： a一 8 h t g O + 2 ( b + x + b c ) 一 X h ( b B +x +b ( ： ) c o s O b B + 0 5 x 式 中：b n 一支 护 体 内 侧 到 煤 壁 的 距 离 ， 3 1 5 m ； 支护体的宽度 ，0 8 m； b c 一支护体外侧悬顶距 。1 3 m； 一 岩块容重，2 6 6 k N m3 ； h 一采高 ，1 1 3 m； 剪切角，根据经验取 2 6 。 ； H一冒落高 度，根据 经验选取 4倍 采高，为 4 5 2 m。 经计算 ，支护体载荷为 7 4 5 k P a ，即厚 度 8 0 0 mm单位长度支护体载荷 5 9 6 k N。 ( 2 )支护体承载能力验算 混凝土支护体可视为轴心受压柱模型 ， 可计算 出其厚度为 8 0 0 mm，混凝土强度等 2 0 1 0年第 4期 煤矿支护 3 级 C 。 ，支护体单位 长度的正截 面承载能力 为 5 1 8 4 k N，远 大于支 护体 的载荷 5 9 6 k N， 安全系数 8 7 ，因此支护结构安全 。 ( 3 )支护体整体稳定性验算 老空 冒落的矸石散落后 ，堆积在混凝土 墙式支护体的侧边，对混凝土连续整体式支 护体有一定的侧压力 ，经矸石侧压力 、倾覆 稳定性 、滑动稳定性 、支护体局部稳定性验 算，支护体均满足验算条件，满足 混凝 土的强度极限值 ，支护体结构整体稳定 。 3 2 柔 性模板 设计 3 2 1 柔性模板布结构 柔性模板受力结构 由柔性模板布、加筋 绳及拉筋三部分构成。混凝土充填在柔性模 板内，纵向加筋绳、横 向加筋绳及混凝土厚 度控制拉筋可以防止混凝土注人后对模板侧 向压力造成柔性模板变形 ，有效增加柔性模 板布的抗拉强度 ，达到平衡柔性模板压力 ， 控制厚度效果。 3 2 2 柔性模板布性能 柔性模板布性能参数见表 1 。 表 1 柔性模板布的性能参数 项目 性能参数 抗拉强度 T 2 0 0 0 N ( 5 0 ram) 1 W 1 9 0 0 T 3 1 3 延伸率 W 2 4 5 T 1 1 5 O 梯形撕裂强度 N W 1 2 2 0 顶破强度 N 5 4 5 0 刺破强度 N 1 5 0 垂直渗透 c m S - 1 4 2 1 0 3 3 2 3 柔性模板布强度设计 计算单位面积柔性模板布所承受的侧压 力 ；计算每个拉筋所需承受的拉力 ；计算柔 性模板布承受的拉力 。 ( 1 )计算单位面积柔性模板布所承受的 侧压力 F F= k7H 式中：F一单位面积侧压力，N； k 一侧压系数，取 1 ； r 混凝土的重度，2 4 0 0 0 N m。 ； H一混凝土支护高度 ，1 1 5 m。 。 经计算，单位面积柔性模板布所承受的 侧压力为 2 7 6 0 0 N。 ( 2 )计算单个拉筋所受的拉力 f 拉筋横 向间距是 1 9 5 mm，纵 向间距是 2 3 5 mm，则可得 出单 位面积 内拉 筋的个数 是 1 ( 0 1 9 5 0 2 3 5 )：2 1 8 ，即 2 2个， 由此可得单个拉筋承受的拉力 f 为 ： f 一旦 n 式 中：f 一单个拉筋承受的拉力 ，N； F 一单 位 面积纤维 布承受 的侧压力 ， N ； n 一单位面积拉筋个数，2 2个。 经 计 算 ，单 个 拉 筋 承 受 的 拉 力 为 1 2 5 5 k N。 ( 3 )计 算 5 0 mm柔性 模板布所 承受的 拉力 f 2 相邻呈矩形分布的四个拉筋之间的柔性 模板布 ，承受的侧压力与单个拉筋承受的拉 力相等，则纤维布宽度为 5 0 m m时实际承 受的拉力 f 2 为 ： f ， f 2 一 5 0 式中：f 2 一纤维布宽度为 5 0 m m 时实际承受 的拉力，N； f 1 一单个拉筋承受的拉力 ，N； b 一加筋绳横 向间距，1 9 5 ram； h 一加筋绳纵 向间距 ，2 3 5 mm。 计算可得 ，纤维布 宽度为 5 0 mm 时实 际承受的拉 力 f 2为 7 3 N 5 0 mm，远远小于 柔性模板材 料纤维宽度为 5 0 mm 时最大抗 拉强度 2 0 0 0 N 5 0 mm，满足受力要求。 通过计算 ，柔性模板布强度满足要求。 3 2 4 柔性模板尺寸设计 柔性模板为长方体形状，如图 4 、图 5 所示。为增加柔性模板的刚度和强度，在柔 性模板上预留丝杆孔。泵注混凝土之前 ，将 丝杆穿过模板，丝杆两端上托板及螺母。丝 杆 孔 的 间 距 为 l O 0 0 mm，丝 杆 直 径 取 4 煤矿支护 2 0 1 0年第 4 期 2 0 mm，即每一模长度方向有 2根丝杆 。 l 二： 二 ， H ) ， 一 、 j 一一 j L 一一一 一 、一 1 0 0 I i L l I 一 图 4 柔性模板正面 图 ， L 一一 一 图 5柔 性 模 板 侧 面 3 3泵 注 混 凝 土 配 比 柔性模板泵注混凝土支护技术的创新点 是利用了柔性模板的透水不透浆特性 ，因此 混凝土必须有很大的流动性 ，混凝土能够依 靠 自身的流动性 自动充满整个柔性模板 ，并 在 自重和泵的压力作用下密实 ，从而免除振 捣 ，实现一次成型。混凝土材料配比水泥 ： 沙 ： 石 子 比例为 l：2 5：2 5 ，水 灰 比取 0 6 O 9 ，坍落度 1 8 0 2 0 0 mm，混凝土的 强度为 C 。 。 4 数值模拟 为了探究沿空 留巷在不同支护条件下的 变形破坏情况 ，采用 F L AC 。 软件系统进行 了数值模拟分析，模拟结果 ： 无巷旁支护条件下 ：顶板塑性区发生 在煤壁处 ，将要进行混凝土墙支护处的垂直 位移 1 0 0 2 0 0 mm，巷内煤壁处顶板发生较 大范围的剪切破坏 ，大大增加了巷内支护的 难度，所以沿空留巷时必须进行巷旁支护。 巷旁 8 0 0 ram厚柔性模板混凝土支护： 在切顶时，混凝土墙最大主应力为 2 0 0 MP a ， 高于混凝土的承载能力 ，混凝土墙遭受严重 破坏 ，巷内顶板发生剪切塑性破坏 。 巷旁 8 0 0 mm 厚柔性模板混凝 土支护 +点柱临时支护：在切顶时，混凝土墙最大 主应力为 1 0 0 MP a ，顶板载荷小于混凝 土的 承载能力 。切顶后 ，混凝土墙所受应力大幅 度减少 ，最大应力减少 至 1 O 2 O MP a ，远 低于混凝土强度 ，混凝土墙 没有遭受破坏， 巷内顶板塑性区较小 ，支护设计满足要求。 为防止切顶前顶板压力对柔性模板混凝 土破坏，必须增加点柱临时支护 ，点柱间距 5 0 0 mm，每排 3根，单体柱 临时支 护滞后 采煤工作面 3 0 5 0 m。 I 图 6 沿空 留巷支护断面图 图 7 沿空留巷支护俯视图 5 试验结论 2 0 0 9年 ，按照以上设计 ，在 8 4 5 9工作 面应用柔性模板泵注混凝土技术进行沿空留 巷支护 9 0 0 m，支护断面如图 6 、图 7所示。 经过 8个月试验 ，最大 日留巷 长度 6 m，最 2 0 1 0 年第 4期 煤矿支护 5 大月留巷长度 1 4 0 m，从最初沿空 留巷开始 1 4个月后巷道二次使用 ，巷道顶板变形量 0 5 0 mm，两帮变形量 1 0 0 6 0 0 mm，底板 变形量 1 0 0 7 0 0 mm，巷道支护没有损坏 ， 卧底清理后可 以继续使用 ，达到 了试 验 目 的，随后在煤厚 2 2 m 的采煤工作 面进行了 推广应用 ，获得 了成功。 柔性模板泵注混凝土沿空留巷技术实现 了工作面之间无煤柱开采，提高了煤炭回收 率；减少了巷道掘进工程量 ，降低巷道掘进 率，提高经济效益 ；采煤工作面实现了安全 高效快 速生产；采用 HB K GS 3 O 2 1 1 1 0煤 矿用混凝土泵 ，输料距离达 l O 0 0 m，实现了 井下远距离混凝土泵送 ，技术先进，适应性 强，解决了混凝土泵在起伏不平和向下泵送 材料易堵管的技术难题 ，降低 了工人劳动强 度 。柔性模板泵注混凝土沿空留巷沿空 留巷 技术具有广泛的发展和应用前景。 参考文献 1 钱呜高，刘听成矿山压力及其控制 E M 徐州 中国矿业大学出版社 2 3 4 5 2 0 0 4 陈睿，刘真 自密实混凝土应用研究 J 武汉理工大学学报2 0 0 1 年 l 2 期 钱重仓柔性模板泵注混凝土配置及 性能研究 ，西 安科技大学 ，2 0 0 9硕 士论文 柏建彪，周华强 ，侯朝炯等沿空留 巷巷旁支护技术的发展 ，中国矿业大 学学报，2 0 0 4 ( 4 ) 苏清政，郝海巷旁充填体可缩性对 沿空留巷顶板运动的适应性分析 J 焦作工学院学报，2 0 0 2 年 0 5 期 作者简介 周金城 男 ，1 9 6 7年出生，毕 业于河北矿业学院。现在冀中能源峰峰集团 公司生产部从事支护工作 ，高级工程师。电 话 ：1 3 9 3 0 0 9 8 5 8 8 ；Ema i l ：z h o u 3 6 3 1 6 1 2 6 c o m 。 ( 收稿 日期 ：2 O 1 O O 3 2 9 ；责任编辑 ：陈桂娥 ) ( 上接第 2 4页) 下使用 时，用液压 支柱将其撑 开，支撑 围 岩 ，用夹板、螺丝把钢板接缝处固定 ，圆筒 形支架和围岩之间的缝隙用煤渣充填严实 ， 圆筒形支架之间用拉杆相互连接 ，地板用煤 渣垫平 即可铺轨道和皮带等 ，螺丝孔用做固 定电缆勾。这样形成全断面、连续 、无缝隙 的支护体。 2 3 技术特点 圆筒形 支架 适用于矿 井任何巷道 的支 护，尤其适用于煤质松软、过陷落柱、顶板 难控制等地质构造复杂地段 ，在这些地段它 的优势非常明显 ，它可以及时有效地控制顶 板及围岩防止其冒落，施工人员始终在支架 内操作 ，安全 系数最高 ，不仅 节省支护 材 料 、而且节约工时 ，支护成本低。 与传统支护方式的比较 ，圆筒形支架支 护的优点是 ： 安全性能高，对巷道实现了全断面连 续支护； 受力效果好，所受压力可 以传导给支 架整体使整个支架始终处于受力平衡状态 ， 从而达到卸压的目的； 受矿 山压力影 响小 ，不 会塌方 、冒 顶，巷道不会变形 ； 操作简便快捷 ，支护速度快 ，工程量 小 ，进度快 ； 免除了矿压观察，节约了人力、物力 ； 不需要后期维护 ，大大节省了维护所 用的人力 、时间、费用 ； 巷道成型效果好。 圆筒形支架支护也有其缺点： 支护材料贵 ，初期投人大。 支架体积大 ，不好运输。 注 本项技术已获国家专利，专利号： Z L 2 O 0 9 2 O 0 O 2 1 2 1 4 ( 下转第 4 8页)