放頂煤軟巖巷道柔模混凝土沿空留巷技術(shù)研究

趙小男

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 左云草垛溝煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037000)

沿空留巷是合理開(kāi)發(fā)煤炭資源，提高煤炭采出率，減少巷道掘進(jìn)量，緩解采掘接續(xù)緊張狀況，有利于礦井安全生產(chǎn)和提高礦井經(jīng)濟(jì)效益的一項(xiàng)先進(jìn)的地下開(kāi)采技術(shù)[1-3]. 目前，針對(duì)沿空留巷工藝的研究主要集中在中深礦井的薄煤層工作面，對(duì)于埋深小于300 m 的淺埋深3.5 m以上厚煤層研究較少[4-7]. 以霍爾辛赫礦厚煤層放軟巖底板頂煤工作面為研究對(duì)象，以數(shù)值模擬、理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法研究柔模支護(hù)及底鼓控制技術(shù)。

1 工程背景

霍爾辛赫礦3605工作面煤層平均厚度5.9 m，埋深為465～525 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬穩(wěn)定型煤層，傾角為5°～18°，平均8°. 偽頂、直接頂、基本頂依次為泥巖、細(xì)砂巖、細(xì)粒砂巖，厚度依次為0.2 m、12.51 m、8.95 m.

2 爆破切頂卸壓

1) 切頂高度計(jì)算。

為使綜放工作面頂板垮落矸石充滿采空區(qū)，切頂高度MZ可根據(jù)如下公式計(jì)算：

C=(1-η)TKm

式中：

MZ—切頂高度，m；

KA—冒落巖層的碎脹系數(shù)，取1.25；

H—割煤高度，m，取3.1；

T—頂煤厚度，m，取2.8；

SA—基本頂下位巖梁觸矸處的沉降值，在一般采場(chǎng)SA=0.2H；

C—?dú)埫汉穸?，m；

η—放出率，取0.85；

Km—頂煤垮落后的碎脹系數(shù)，取1.2；

經(jīng)計(jì)算得：MZ=19.104 m.

2) 切頂高度數(shù)值模擬。

模擬切頂高度為20 m時(shí)的圍巖應(yīng)力情況，得到3605工作面順槽巷道圍巖應(yīng)力的情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)切頂高度20 m時(shí)切頂效果較好，見(jiàn)圖1中應(yīng)力集中形態(tài)，應(yīng)力集中在煤柱內(nèi)，有利于沿空留巷。

圖1 切頂20 m時(shí)應(yīng)力集中云圖

通過(guò)理論計(jì)算和FLAC3D數(shù)值模擬兩種方法最終確定切頂高度為20 m.

3 巷道支護(hù)

1) 巷旁支護(hù)方式。

根據(jù)分離巖塊法計(jì)算沿空留巷壓力：

式中：

q—支護(hù)體載荷，MPa；

bB—支護(hù)體內(nèi)側(cè)到煤壁的距離，m，本次支護(hù)中支護(hù)體左側(cè)邊緣與巷道右?guī)驮谝粭l鉛垂線上，計(jì)算可得該距離為4；

x—支護(hù)的寬度，m，取1.5；

bc—支護(hù)體外側(cè)懸頂距，m，取0.2；

γs—頂板巖塊容重，kN/m3，取27；

h—有效采高，m，取5.9；

θ—剪切角，(°)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取26；

α—煤層傾角，(°)，為8.

計(jì)算可得，巷旁支護(hù)承受的壓力為：q=12.1 MPa，即單位長(zhǎng)度巷旁支護(hù)承受的最大壓力為：N=18 216 kN/m.

柔模混凝土墻體的承載力計(jì)算公式為：

N2=φ(fcc+4σr)A′c

錨栓的約束應(yīng)力計(jì)算公式為：

式中：

N2—柔?；炷翂w的承載能力，kN/m；

φ—素混凝土構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，l0/b=1.5H/b=1.5×5.5÷1.5=5.5，查閱規(guī)范可知，素混凝土構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)取0.96；

σr—錨栓套箍作用的有效約束應(yīng)力，MPa；

fcc—素混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa，C30混凝土?xí)r，取14.6；

A′c—混凝土受壓區(qū)的面積；

d—錨栓直徑，mm，取22；

σb—鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa，500號(hào)鋼筋取435；

a1a2—錨栓的間排距，mm×mm，取800×750.

計(jì)算可得錨栓的約束應(yīng)力為：

N2=22 608 kN/m

柔?；炷翂w的承載能力為22 608 kN/m，大于作用在墻體上的最大載荷18 216 kN/m，理論計(jì)算安全系數(shù)為1.24，因此可視支護(hù)結(jié)構(gòu)為安全。

2) 巷內(nèi)支護(hù)方式。

巷道內(nèi)頂板支護(hù)方式為：左旋無(wú)縱肋螺紋鋼筋d22 mm×2 400 mm，錨桿間排距為1 050 mm×1 100 mm；錨索d22 mm×7 300 mm，間排距為1 700 mm×1 100 mm，“三0三”布置。巷幫支護(hù)：左旋無(wú)縱肋螺紋鋼筋d22 mm×2 400 mm，錨桿間排距為1 000 mm×1 100 mm. 錨索d22 mm×5 300 mm，間排距為1 700 mm×2 200 mm. 永久加固支護(hù)：錨索：d22 mm×5 300 mm，間排距為1 500 mm×2 200 mm. 臨時(shí)支護(hù)：超前工作面50 m范圍內(nèi)沿順槽走向采用一梁四柱進(jìn)行臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，滯后工作面150 m范圍內(nèi)沿順槽走向采用一梁三柱進(jìn)行臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，排距1 100 mm.

3) 高壓噴射注漿加固底板。

采用同軸雙通道二重注漿管復(fù)合噴射高壓水泥漿(通常水泥和水比例為1∶1、壓力20～40 MPa)和壓縮空氣(風(fēng)量3.2 m3/min、風(fēng)壓0.6～0.8 MPa)兩種介質(zhì)，以漿液作為噴射流，但在其外圍裹著一圈空氣流成為復(fù)合噴射流，加固霍爾辛赫煤礦3605工作面松軟煤底。每延米復(fù)合基地的承載力特征值為9 788 kPa.

4 施工工藝

霍爾辛赫煤礦沿空留巷巷旁澆筑工藝流程為：地面制備干混料→運(yùn)輸至井下濕料制備站→裝巖機(jī)將干混料裝卸至上料機(jī)→通過(guò)上料機(jī)將干混料運(yùn)輸至攪拌機(jī)→加水、攪拌均勻→通過(guò)混凝土泵和管路將混凝土輸送至柔性模板內(nèi)。

巷旁支護(hù)原材料：42.5普通硅酸鹽水泥；二區(qū)中砂，干砂，泥或石粉含量小于1%，含水率小于1%；5～20 mm連續(xù)級(jí)配碎石，碎石壓碎值指標(biāo)≤16%；干凈、無(wú)污染的礦井水。

巷旁支護(hù)用C30混凝土的配合比見(jiàn)表1.

表1 C30混凝土中各組分的摻量表

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)及分析

為監(jiān)測(cè)沿空留巷巷道圍巖變形布置監(jiān)測(cè)站，從工作面留巷開(kāi)始，回采70 m時(shí)布置第一組測(cè)站，回采至150 m時(shí)布置第二組測(cè)站，回采至采空區(qū)見(jiàn)方245 m時(shí)布置第三組測(cè)站，回采至530 m時(shí)布置第四組測(cè)站，復(fù)雜條件地段布置第五組測(cè)站。測(cè)站布置見(jiàn)圖2.

圖2 3605工作面沿空留巷測(cè)站布置圖

工作面推進(jìn)前、推進(jìn)后測(cè)站二的沿空留巷圍巖變形量、變形速率隨工作面推進(jìn)結(jié)果見(jiàn)圖3，圖4.

圖3 超前工作面圍巖變形與工作面距離關(guān)系曲線圖

圖4 工作面后方圍巖變形與工作面距離關(guān)系曲線圖

工作面前方巷道圍巖變形，主要是受超前支承壓力影響。由圖3可知，工作面前方28 m處的巷道圍巖開(kāi)始有較為明顯的變形，此時(shí)，頂?shù)装逡平俣燃s為2.1 mm/d，兩幫移近速度約為1.6 mm/d；超前28 m時(shí)，圍巖變形量、速度明顯增加；超前15 m至工作面回采到監(jiān)測(cè)點(diǎn)階段，變形量增加較為明顯，而變形速度較為穩(wěn)定，沒(méi)有大幅增加，頂?shù)装逡平亢蛢蓭妥冃瘟糠謩e為56.2 mm、39.6 mm，平均變化速度為14.5 mm/d、9.9 mm/d；支承壓力峰值附近，變形速度有明顯加快。

由圖4可知，工作面后方0～70 m為圍巖變形劇烈區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，出現(xiàn)兩次高峰值，一次低峰值。第一次峰值在工作面后方20 m附近，因回采時(shí)發(fā)生周期來(lái)壓，采空區(qū)側(cè)直接頂破斷，基本頂開(kāi)始旋轉(zhuǎn)下沉，產(chǎn)生擾動(dòng)，頂?shù)装逡平孔畲笏俾蕿?8 mm/d，兩幫移近量最大速率23 mm/d. 工作面采用切頂卸壓，擾動(dòng)穩(wěn)定后壓力迅速減小，采空區(qū)頂板形成新的穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)。工作面后方45～55 m，因第二次周期來(lái)壓打破新的穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)加上基本頂發(fā)生二次破斷形成新的應(yīng)力峰值，頂?shù)装逡平孔畲笏俾蕿?1 mm/d，兩幫移近量最大速率24 mm/d. 在工作面70 m、80 m之后基本頂上覆巖層活動(dòng)基本趨于穩(wěn)定，“大結(jié)構(gòu)”基本不再承受來(lái)自上覆巖層的動(dòng)載影響，變形速度不再呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)。

6 結(jié) 論

1) 通過(guò)分離巖塊法計(jì)算沿空留巷圍巖壓力，確定單位長(zhǎng)度巷旁支護(hù)承受的最大壓力為18 216 kN/m，根據(jù)柔?；炷翉?fù)合材料設(shè)計(jì)理論計(jì)算得到柔?；炷翂w的承載能力為22 608 kN/m，理論計(jì)算安全系數(shù)為1.24.

2) 采用切頂卸壓和高壓噴射注漿加固底板聯(lián)合方法解決巷道底鼓。

3) 工作面后方20 m左右，采空區(qū)側(cè)直接頂破斷，基本頂開(kāi)始旋轉(zhuǎn)下沉，產(chǎn)生擾動(dòng)，頂?shù)装逡平孔畲笏俾蕿?8 mm/d，兩幫移近量最大速率23 mm/d. 工作面后方45～55 m，頂?shù)装逡平孔畲笏俾蕿?1 mm/d，兩幫移近量最大速率24 mm/d，基本頂發(fā)生二次破斷形成新的應(yīng)力峰值。