大采高工作面沿空留柱墙综合支护技术研究.pdf

收稿日期:2022 11 15作者简介:李 新(1978-),男,山西朔州人,工程师,从事煤矿安全开采技术工作。doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2023.09.009大采高工作面沿空留柱墙综合支护技术研究李 新(山西长治王庄煤业有限责任公司,山西 长治 047100)摘 要:针对王庄煤矿 15 号煤层留设大尺寸护巷煤柱存在的资源浪费及采掘接替紧张问题,研究了巷旁扩帮补强支护及充填柱墙支护方法,提出了以预浇混凝土为主的柱墙基底加固方法,形成了“巷旁扩帮补强支护+巷旁充填柱墙支护+巷旁充填体基底加固”一体化综合支护技术体系,在保证沿空巷道的稳定的基础上,实现了煤柱资源的安全高效回采。关键词:综采工作面;扩帮支护;充填柱墙;基底加固中图分类号:TD353 文献标识码:A 文章编号:1005 2798(2023)09 0033 04 近年来,随着采矿技术的不断发展,为了高效回收煤柱资源,沿空留巷技术在我国地下煤矿生产中得到了广泛的应用1-3。沿空留巷的稳定性主要取决于巷旁支护结构,目前我国主要采取充填体护巷技术4-6,随着采深与采厚的增加,受强矿压作用的影响,导致普通充填体结构承载能力下降而发生破坏,护巷效果较差7,为此研究低成本且可靠的沿空留巷支护技术是非常必要的。本文针对王庄煤业15 号煤层煤柱尺寸留设大、煤炭资源浪费严重、采掘接替紧张等问题,系统研究了 15112 工作面沿空留柱墙综合支护技术,以实现工作面安全高效开采。1 工程概况王庄煤矿 15112 工作面主采 15 号煤层,煤层平均厚 3.75 m,平均倾角 3,可采长度 1 026 m,采用大采高回采工艺,工作面平均采高为 4.2 m,生产能力 2.4106 t/a,工作面普遍留设 20 m 左右的护巷煤柱。15112 工作面运输巷道沿煤层顶底板掘进,工作面布置情况如图 1 所示,工作面顶底板情况如表 1 所示。图 1 15112 工作面布置图表 1 15112 工作面顶底板情况顶底板名称岩石名称厚度/m抗压强度/MPa岩性特征基本顶石灰岩6.158.557.3536.867.454.5深 灰 色,厚 层状,均 匀层理,未见充填物。直接顶泥岩1.883.42.810.414.512.5黑色,薄层状,均匀层理,见少量植物化石。直接底泥岩0.951.751.3510.414.512.5黑色,厚层状,均匀层理,见少量植物化石。基本底细粒砂岩0.851.551.2035.852.043.05灰色,薄层状,波状层理,成分以石英为主。研究在 15112 工作面运输巷道非回采帮侧浇注混凝土墩柱,作为 15110 工作面运输巷道沿空掘巷的柱墙。在进行混凝土墩柱浇筑前,首先进行非回采帮扩帮,即在 15112 工作面运输巷道距离巷口方向约150 m 处,扩掘一个硐室(宽5.5 m,深5 m),间隔 300 m 后再扩掘调车硐室,以此类推;硐室所在区域先暂不进行墩柱浇筑,待完成所有巷旁墩柱施工,再进行补打,以此提供施工空间,相关施工材料均放置在硐室中。待 15112 工作面回采过后,且采空区岩层活动趋于稳定时,紧贴柱墙掘进 15110 工作面回采巷道,实现回采工作面无煤柱连续布置,如图 2所示。为保证工作面沿空留柱墙的安全稳定,还需要进一步研究巷旁扩帮补强支护、巷旁充填柱墙支护及巷旁充填体基底加固方法,以实现工作面安全高效开采。2 巷旁扩帮补强支护方法15112 工作面运输巷道掘进断面宽 5.5 m,掘进实实用用技技术术 第第 3 32 2 卷卷 第第 9 9 期期 2 20 02 23 3 年年 9 9 月月断面高 4.2 m,考虑到需要打设柱墙。因此,在掘进时要综合考虑断面尺寸,设计巷旁柱墙直径为 1 m,考虑 200 mm 的安全间距,确定扩帮断面 1.2 m,巷道总宽变为 6.7 m,高度 4.2 m,需要对扩帮巷道实施加强支护。图 2 沿空留柱墙布置方式图2.1 支护参数确定1)锚杆长度确定。锚杆长度计算公式如下:L=N(1.1+B/10)(1)式中:L 为锚杆长度,m;N 为围岩稳定影响系数,取1.2;B 为巷道宽度,m.由于扩帮巷道宽度为 6.7 m,将相关参数带入公式(1),计算得到锚杆长度应不小于 2.24 m,结合现场 15 号煤类似巷道施工情况,同时考虑到巷道断面较大,锚杆长度取 2.4 m.2)锚杆间排距确定。锚杆间排距按照相等布置进行确定,计算公式如下:D1=P1=GcKb1 (2)式中:D1、P1为锚杆间、排距,m;Gc为锚杆设计锚固力,取 90 kN;K 为安全系数,取 4(巷道为大断面一次成巷且使用时间较长,取较高安全系数);为覆岩重力密度,取 26 kN/m3;b1为冒落拱高度,取0.59 m.将相关参数带入公式(2),计算得锚杆间排距为 1.21 m,结合 15 号煤切眼支护施工和本巷道实际情况,确定锚杆间排距为 1.2 m1.2 m.3)锚索长度确定。锚索长度计算公式如下:L1=La+Lb+Lc+Ld (3)式中:L1为锚索总长度,m;La为进入稳定岩层长度,取2.35 m;Lb为悬吊不稳定岩层厚度,取2.8 m;Lc为托盘及锚具厚度,取 0.26 m;Ld为外露长度,取0.3 m.其中:LaKfa d14fc (4)式中:K 为 安 全 系 数,取 4;d1为 锚 索 直 径,取18.9 mm;fa为锚索抗拉强度,取1.86 kN/mm2;fc为锚索与锚固剂的粘结强度,取 15 N/mm2.将相关参数带入公式(3)与(4),计算的锚索长度应不小于 5.71 m.根据顶板条件结合巷道宽度等因素综合考虑,应保证足够的锚索长度以防局部出现较大下沉,确定锚索长度为 6.3 m.2.2 巷旁扩帮补强支护方案1)顶板支护。对于扩帮巷道顶板,锚杆采用D22 mm2 400 mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆,锚杆垂直巷道顶板布置。采用帮网为 4 100 mm1 300 mm矿用阻燃塑料网,锚杆间排距为 1.2 m1.2 m,每排布置 6 根锚杆(在原有基础上增加 1 根锚杆),锚杆预紧扭矩不低于 300 Nm.顶锚索采用 D18.9 mm 的 17 股预应力钢绞线,长度 6.3 m,承载能力不低于 409 kN.锚索每排布置 3 根,间排距为 2.2 m1.2 m,锚索安装在两排锚杆间顶板中部,即在原有的基础上靠近非回采帮增加 1 根锚索。锚索初始张拉至 250 kN,损失后不低于 200 kN.2)非 回 采 帮 支 护。非 回 采 帮 锚 杆 采 用D22 mm2 400 mm 玻璃纤维增强塑料杆体,采取树脂加长锚固方式,帮网规格为 4 100 mm1 300 mm,网孔 50 mm50 mm,用 14 号铅丝隔孔连接、双丝双扣,搭接 100 mm.每排布置 4 根锚杆,间排距为1.2 m1.2 m,拱脚位置锚杆距顶板 300 mm,锚杆预紧扭矩不小于 100 Nm,扩帮巷道补强支护形式如图 3 所示。图 3 扩帮巷道补强支护图(单位:mm)2.3 巷旁扩帮隐患防范措施1)瓦斯涌出防范措施。扩帮过程中加强通风管理,确保扩帮段风量充足,减少采空区漏风,并配备专职瓦检员进行检查,每班不少于两次;同时,加强对瓦斯监测的管理,对安全监测设备按规定进行测试、校正、维修,保证设备运行正常,数据准确,43 第 32 卷发现故障,及时处理;当发现瓦斯超限,瓦斯传感器发生声光报警时,人员应立即撤离到安全地点,并及时汇报;加强采空区漏风监测,发现留巷密闭漏风量增加时,及时进行漏风点监测,并加强瓦斯监测频次。2)遗煤自燃防范措施。扩帮过程中对破碎区域和接顶不实区域,及时进行喷浆补漏,喷浆距离不得大于 100 m.喷浆密闭完成后,应由班组长利用随身瓦斯、CO 检测仪进行检测,评价封堵效果;同时加强回采工作面一氧化碳的检测、监测工作,一旦发现发火征兆,立即采取注氮降氧及汽雾阻化措施进行处理。3 巷旁充填柱墙支护方法3.1 充填柱墙变形特征分析研究采用混凝土墩柱作为充填柱墙,该柱墙主要由约束套管、柔模袋、混凝土材料组成,将湿料泵注于约束套管内,在套管的约束下形成的三向受力的复合材料结构体。为研究不同应变条件下柱墙变形特征,采用 PFC 软件进行模拟分析。针对套管类柱墙,选用平行黏结模型开展数值模拟试验,建立D1 000 mm 4 000 mm 数 值 模 型,试 样 密 度1 400 kg/m3,颗粒最小半径 0.2 mm,粒径比 1.5,颗粒尺寸均匀分布。模拟采用位移加载方式,上下加载板以 0.05 m/s 的速率进行轴向加载,直至试样发生破坏。数值模拟结果如图 4 所示。图 4 不同应变时柱墙变形特征 柱墙应变 0.06 以下时,柱墙发生压缩,局部有轻微凸起,但整体形状较好,表明此时柱墙虽承受一定程度变形,但仍然保持较高的强度。柱墙应变=0.08 时,柱墙顶部应力集中区位移明显,当应变继续增大到 0.1 时,柱墙变形剧烈增大,表明柱墙承载超过其支撑极限,局部进入塑性屈服状态,进一步发展,将导致柱墙进入残余变形阶段。因此,柱墙具备一定的塑性变形能力,在变形初期,基本不影响承载,外观无明显变化。柱墙承受的极限应变不超过0.08,即柱墙高度 4 m 时,允许的最大塑性变形量为 320 mm.超过柱墙承载能力后,首先在顶部发生塑性破坏,进而向下扩展。综合上述分析,为保证混凝土柱墙的稳定性,研究提出对柱墙实施局部加强方法,即在柱墙应力集中区采取局部加强措施,防止因局部应力集中过载导致的破坏。在柱墙顶部和底部分别增加钢筋结构进行具备加强,钢筋规格 6.0 mm,环形布置,纵筋规格 6.0 mm,网孔间距 150 mm100 mm,模拟结果如图 5 所示。图 5 有无箍筋时柱墙承载变形特征 图 5(a)为无箍筋破坏特征,表现为顶部应力集中区的破坏;图 5(b)为采用箍筋局部加强后的柱墙受力变形特征,在相同应力条件下,柱墙顶部应力集中区未出现破坏,整体结构完好,说明采取的局部加强措施,有效提高了柱墙承载能力,模拟中出现的倾斜现象与模型设置有关,实际应用时柱墙套管模具与巷道顶板紧密固定,破坏前不会出现倾倒现象。3.2 充填柱墙支护参数确定根据现场掘进勘测结果,夹矸层厚度增加,变为0.81.8 m,局部巷道高度 4.7 m 以上,为了保证柱墙的承载能力和稳定性,柱墙高度不宜超过 4.5 m.巷道高度 4.2 m 时,底座超出巷道底板 200 mm,柱墙高度 4.0 m.结合王庄煤矿的地质与开采条件,确定 15112 工 作 面 沿 空 掘 巷 强 力 柱 墙 直 径 为1 000 mm,充填材料为混凝土,强度等级 C35.按柱墙支撑能力 15 000 kN 计算,则柱墙净间距应满足:L2 dP4k-d (5)式中:L2为柱墙净间距,m;d 为柱墙直径,m;P 为混凝土抗压强度,Pa;为巷旁支护延米载荷,N;k 为安全系数,取 1.5.15112 工作面柱墙直径为 1.0 m,C35 混凝土实测强度 45 MPa,巷旁支护延米载荷 7 790 kN,带入公式(5)得,L1 m,即直径 1 000 mm 的柱墙,最大中心距不超过 1.7 m,最终确定柱墙间距 1.5 m,柱墙布置形式如图 6 所示。53第 9 期 李 新:大采高工作面沿空留柱墙综合支护技术研究 4 巷旁柱墙基底加固方法15112 工作面运输巷道高度为 4.2 m,直接底为厚度 1.5 m 左右的泥岩,遇水易膨胀弱化,在矿山压力的作用下易产生底鼓,影响巷旁柱墙支护的稳定性,且巷旁支护必须浇筑在实底上,否则在顶板压力作用下巷旁充填体下沉,易导致底鼓和顶板下沉。因此,研究采用“预浇混凝土底板加固+混凝土柱”的方式进行巷旁支护。图 6 柱墙布置结构图(单位:mm)15112 运输巷道底板起底宽度为 1.2 m,高度为1.0 m,长度为1 026 m.由于底板泥岩厚度变异性较大,在泥岩厚度小于 1 m 的底板,起底至砂岩段即可,若厚度超过1 m,起底厚度均按1 m 考虑。采用膨胀剂破碎岩石施工方法,药孔间排距 300 mm300 mm,直径 42 mm.起底后采用混凝土浇筑,浇筑宽度为 1.2 m,高度为 1.2 m,长度为 1 026 m;浇筑时 1 m 位于底板内,0.2 m 位于底板上,混凝土强度C35.由于夹矸层厚度增加,局部巷道高度 4.8 m 以上,为了保证柱墙的承载能力和稳定性,柱墙高度不宜超过 4.5 m.为提高浇筑底座的力学性能,采用钢筋笼子对底座进行加强,形成钢混凝土结构。设计箍筋直径0.8 m,高度 1.0 m,排距 1.5 m,采用 6 号钢筋网编制而成。为了方便在起底浇筑过程中的物料运输,箍筋均安设在底座内,距离底座顶部 200 mm,巷旁柱墙基底加固如图 7 所示。5 结 语1)通过理论计算分析,对 15112 工作面扩帮巷道支护参数进行了优化,给出了扩帮巷道补强支护方法,保证了扩帮巷道的稳定。2)采用数值模拟方法分析了充填柱墙变形特征,提出了在柱墙顶部和底部分别增加钢筋结构的局部加强措施,确定合理充填柱墙间距为1.5 m.图 7 巷旁柱墙基底加固结构(单位:m)3)针对15112 工作面直接底泥岩软弱可能导致的柱墙失稳问题,提出了“预浇混凝土底板加固+混凝土柱”的巷旁柱墙基底加固方法,有效保证了充填柱墙的稳定。参考文献:1 王 恩,陈冬冬,谢生荣,等.双通道沿空留巷围岩偏应力分布及控制技术研究J.采矿与安全工程学报,2022,39(3):557-566.2 石 强.切顶爆破卸压护巷技术在沿空留巷中的应用研究J.煤,2022,31(10):40-42.3 王志强,李航,李敬凯,等.柔模墙体沿空留巷合理宽度设计及应用J.煤炭工程,2022,54(9):1-5.4 张永杰.郭庄煤业公司3308 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