墩柱沿空留巷

1、高水材料墩柱沿空留巷技術(shù)研究摘要： 為了有效地控制了巷道圍巖變形、降低工作面上隅角和回風(fēng)順槽的瓦斯?jié)舛?，減小回風(fēng)順槽的通風(fēng)阻力，提出了采用高水材料構(gòu)筑墩柱沿空留巷這一種新型的留巷方法。采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合的方法，對(duì)墩柱沿空留巷力學(xué)模型、墩柱承載能力、墩柱抗側(cè)推能力、巷內(nèi)圍巖控制、充填系統(tǒng)、施工工藝等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明：高水材料墩柱沿空留巷技術(shù)取得了良好的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和社會(huì)效益，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：雙U型通風(fēng)；高水材料；墩柱；沿空留巷 沿空留巷具有突出的技術(shù)和安全優(yōu)勢(shì)，我國(guó)從薄煤層到厚煤層、從緩斜煤層到急傾斜煤層，均有沿空留巷的成功經(jīng)驗(yàn)。沿空留巷的關(guān)鍵是

2、沿空一側(cè)巷旁支護(hù)體的材料和性能的選擇,要求增阻速度快,并具有合理的支護(hù)阻力能切落一定高度的頂板,具有較大的變形量適應(yīng)沿空留巷劇烈變形,同時(shí)希望巷旁支護(hù)成本低廉,這些特性推動(dòng)著巷旁支護(hù)技術(shù)的發(fā)展。高水材料巷旁充填沿空留巷技術(shù)由于其在采煤生產(chǎn)中具有施工工藝簡(jiǎn)單、易于操作、支護(hù)強(qiáng)度高、巷道收斂變形小等優(yōu)點(diǎn)，而愈來(lái)愈受到采礦界的高度重視, 并逐步得到推廣應(yīng)用。本文基于對(duì)高河能源有限公司E1302工作面回風(fēng)順槽的變形破壞分析，以課題組采用高水材料巷旁充填沿空留巷工程實(shí)踐為背景，重點(diǎn)研究墩柱沿空留巷圍巖控制技術(shù)，取得了良好的工程試驗(yàn)效果。1 工程條件分析1.1 工程概況高河能源有限公司為高瓦斯礦井，為降低

3、工作面上隅角和回風(fēng)順槽的瓦斯?jié)舛龋谠黾庸ぷ髅媾滹L(fēng)量的同時(shí)，配備一條專用瓦斯排放巷，形成兩進(jìn)兩回的“雙U”型通風(fēng)，“雙U”型巷圖1-1 “雙U”型巷道布置方式平面位置關(guān)系道布置方式平面位置關(guān)系如圖1-1所示。為避免工作面上隅角及回風(fēng)順槽瓦斯超標(biāo)，在工作面采過后將工作面后方至聯(lián)絡(luò)巷之間的一段回風(fēng)順槽保留下來(lái)，分流回風(fēng)順槽中瓦斯含量，當(dāng)工作面推進(jìn)到下一個(gè)聯(lián)絡(luò)巷時(shí)，密閉原先采空區(qū)后方的聯(lián)絡(luò)巷、打開下一個(gè)聯(lián)絡(luò)巷，兩個(gè)聯(lián)絡(luò)巷之間所保留的巷道即完成任務(wù)。高河能源有限公司E1302回采工作面為東一盤區(qū)首采面，周邊均為未采區(qū)，北面接+450m水平東翼進(jìn)風(fēng)大巷、輔運(yùn)大巷及膠帶大巷。E1302工作面巷道布置如圖1

4、-2所示.圖1-2 E1302工作面巷道布置圖高河能源有限公司以往在工作面后方的回風(fēng)順槽留巷時(shí)，采用木垛進(jìn)行護(hù)巷，導(dǎo)致坑木消耗量大，同時(shí)，在采空區(qū)后方回風(fēng)順槽頂板旋轉(zhuǎn)下沉作用下，支護(hù)強(qiáng)度較低的木垛易發(fā)生失穩(wěn)破壞，堵塞留巷，影響上隅角瓦斯向瓦排巷順利排放。因此，在保證通風(fēng)的情況下，研究采用凝結(jié)快、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的高水材料進(jìn)行留巷，是十分必要的。1.2 工程巖體特性高河能源有限公司E1302工作面回采的3#煤層賦存于二疊系下統(tǒng)山西組（P1s），距9#煤層55.72 m79.70m，為陸相湖泊型沉積。煤層厚度較穩(wěn)定，局部出現(xiàn)煤層厚度增加、傾角變大現(xiàn)象，煤厚5.8m7.2m，平均厚度6.5m。該工作

5、面內(nèi)煤層傾角314，工作面平均角度8，工作面埋深400m左右。全煤間夾有一層炭質(zhì)泥巖夾矸，厚度0.37m1.00m。E1302工作面3#煤層頂?shù)装鍑鷰r特征如表1-1所示，E1302工作面回風(fēng)順槽支護(hù)方案如圖1-3所示。頂?shù)装迕Q巖石名稱厚度（m）巖 性 特 征老頂細(xì)砂巖、粉砂巖3.111.7灰色，薄-中厚層狀，以砂巖為主，局部夾砂質(zhì)泥巖，含碳屑。直接頂砂質(zhì)泥巖3.854.40灰黑色-暗灰色，薄-中厚層狀，夾細(xì)砂條帶，具板狀水平層理。偽頂泥巖0.10.4灰黑色，薄層狀，水平層理，局部含炭質(zhì)碎屑。直接底粉砂巖0.250.35深灰色，薄-中厚層狀，含植物化石，含砂巖包體。老底中砂巖、砂質(zhì)泥巖2.35

6、10.25灰黑色-灰綠色，薄-巨厚層狀，含植物化石，平行層理均勻。表11 3#煤層頂?shù)装鍑鷰r特征圖1-1 E1302工作面回風(fēng)順槽支護(hù)布置圖2 高水材料墩柱沿空留巷技術(shù)2.1 高水材料簡(jiǎn)介高水材料是一種能在高水灰比條件(W/C=1.3:13:1)下快速凝結(jié)的特種水泥，與一般的水泥類材料相比，高水材料凝結(jié)時(shí)間短，早期強(qiáng)度高并可調(diào)，通過改變水灰比和添加劑成分就能獲得不同強(qiáng)度的凝結(jié)體，可以滿足不同工程的需要，且高水材料具有突出的塑性特征，在載荷達(dá)到峰值強(qiáng)度后，高水材料并不立即完全破壞喪失承載能力，而是隨著應(yīng)變的進(jìn)一步加大，承載能力呈緩慢下降變化，承載能力隨應(yīng)變?cè)黾泳徛陆档乃俣冗h(yuǎn)小于一般的混凝土和巖

7、石材料，在壓力作用下可以允許較大的塑性變形，強(qiáng)度衰減比較緩慢，可以維持較高的殘余強(qiáng)度。高水材料的這種水化硬化反應(yīng)過程可描述如下：強(qiáng)度硬化體膠凝固化水化溶解乙料水化溶解甲料高水速凝材料2.2 墩柱支護(hù)技術(shù)墩柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中采用鋼筋網(wǎng)內(nèi)放置充填袋，充填袋充填高水材料方式構(gòu)筑而成，墩柱外套鐵絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)及充填袋如圖所示。 圖2-1 墩柱外套結(jié)構(gòu)圖圖2-2 充填袋由于墩柱將承受頂?shù)装逡平鼈鬟f的載荷，因此墩柱結(jié)構(gòu)上必須具有一定的支護(hù)阻力和可縮性。高水材料形成的充填體結(jié)構(gòu)本身就具有一定的可縮量，且鋼筋網(wǎng)在結(jié)構(gòu)上并沒有形成一個(gè)封閉的空間結(jié)構(gòu)，當(dāng)頂板給予墩柱一定壓力時(shí)，管內(nèi)高水材料充填體發(fā)生碎脹變形，破碎后的充填

8、體發(fā)生壓縮變形，在鋼筋網(wǎng)破斷前的承載范圍內(nèi)，充填結(jié)構(gòu)依然具有一定的可縮量。設(shè)高水材料滿足摩爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，隨著頂板壓力的增加，管內(nèi)充填料產(chǎn)生橫向變形，材料與鋼筋結(jié)構(gòu)的相互作用力也相應(yīng)增加，即材料圍壓增大，所帶來(lái)的效應(yīng)是材料的強(qiáng)度增加，當(dāng)壓力大到一定程度，鋼筋結(jié)構(gòu)發(fā)生沖切破壞（圖2-3），這就說明其可縮性也是有一定限度的。圖2-3 高水材料破壞原理2.3 墩柱參數(shù)確定墩柱支護(hù)參數(shù)的選擇應(yīng)使本區(qū)段工作面回采穩(wěn)定以后墩柱仍具有一定承載能力，且保證E1302工作面后方兩個(gè)聯(lián)絡(luò)巷之間60m內(nèi)回風(fēng)順槽具有一定的有效通風(fēng)斷面，保證工作面通風(fēng)順暢。（1） 墩柱強(qiáng)度確定根據(jù)該工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及井下施工條

9、件，綜合考慮E1302工作面回風(fēng)順槽試驗(yàn)巷道的巷旁墩柱支護(hù)體的抗壓強(qiáng)度要求和經(jīng)濟(jì)效益，通過調(diào)節(jié)水灰比來(lái)改變巷旁支護(hù)體強(qiáng)度，滿足工程強(qiáng)度要求，最終選用高水材料的水灰比為1.5：1。（2） 墩柱直徑確定墩柱直徑選取應(yīng)保證本區(qū)段工作面回采以后，E1302工作面回采穩(wěn)定以后墩柱仍具有一定承載能力為宜，墩柱直徑過小會(huì)造成墩柱承載能力減小，墩柱直徑過大造成資源浪費(fèi)，使支護(hù)成本增高，因此墩柱應(yīng)具有一個(gè)合理的直徑既能保證一定的承載能力又可以節(jié)約成本。根據(jù)理論分析，采用直徑為850mm、中心距為1650mm的墩柱能滿足使要求。采用數(shù)值模擬在保持墩柱中心距為1650mm不變的情況下，分別模擬墩柱直徑650mm、8

10、50mm、1050mm時(shí)巷道圍巖變形量及墩柱變形量如圖2-4所示?？紤]到生產(chǎn)成本，最終確定墩柱的合理直徑應(yīng)取850mm。圖2-4 巷道圍巖及墩柱變形量（3） 墩柱間距確定如果墩柱間距過大，墩柱無(wú)法與頂?shù)装逍纬山y(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)，使墩柱承載能力降低，不利于巷道頂?shù)装宓木S護(hù)；如果墩柱間距過小，不僅給墩柱施工帶來(lái)一定的影響，而且過于密集的墩柱使高水材料與鋼筋網(wǎng)的用量增加，造成巷道支護(hù)成本增加，因此，墩柱除應(yīng)具有合理的直徑外，還應(yīng)具有合理的間距。數(shù)值計(jì)算過程中，分別取墩柱中心距1450mm、1650mm、1850mm架設(shè)墩柱，計(jì)算不同墩柱間距下巷道圍巖及墩柱自身的變形量，從而選取較為合理的墩柱間距。計(jì)算完

11、成以后，巷道圍巖、墩柱變形量與墩柱間距間的關(guān)系如圖2-5所示。由此看出，墩柱中心距應(yīng)控制在1650mm一下為宜，考慮到施工方便，墩柱合理中心距確定為1650mm。圖2-5 巷道圍巖及墩柱變形量根據(jù)以上分析，得出墩柱充填體合理的尺寸及間距分別為850mm和1650mm，如圖2-6所示。圖2-6 充填體尺寸及間距示意圖為防止墩柱側(cè)向變形，使用打設(shè)戧柱的方法來(lái)減少側(cè)向推力對(duì)墩柱的影響，經(jīng)計(jì)算得到至少應(yīng)采用2根水平戧柱，考慮一定的富余系數(shù)及水平戧柱受力的不均勻性，現(xiàn)場(chǎng)采用3根水平戧柱防止墩柱側(cè)向變形：靠底板水平打設(shè)1根，向上1.8m打設(shè)1根，再向上1.2m打設(shè)1根。2.4 墩柱充填施工工藝高水材料出廠

12、后分為甲料、乙料、加甲料及加乙料四部分，制漿時(shí)加甲料與甲料混合形成甲料漿，加乙料與乙料混合形成乙料漿，需要分別加水?dāng)嚢栎斔?，在充填點(diǎn)混合。充填系統(tǒng)：攪拌桶分別攪拌甲料漿、乙料漿，雙液充填泵分別對(duì)兩種漿液加壓，雙趟高壓管路輸送漿液，在回采工作面后方留巷位置充填到充填袋內(nèi)混合、凝固。甲料漿、乙料漿按1:1的比例配合使用，為防止?jié){液在攪拌、運(yùn)輸過程中凝結(jié)、堵塞管路和充填泵等設(shè)備，需分別攪拌和泵送甲料漿、乙料漿。因而，應(yīng)采用雙液充填工藝，其流程見圖2-7所示。圖2-7 沿空留巷充填工藝流程圖3 礦壓監(jiān)測(cè)及監(jiān)測(cè)結(jié)果分析3.1 礦壓監(jiān)測(cè)內(nèi)容及測(cè)站布置為了更好地對(duì)回風(fēng)順槽墩柱沿空留巷和木垛沿空留巷的圍巖變形

13、規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)E1302工作面回風(fēng)順槽現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)置了6個(gè)測(cè)站，在墩柱沿空留巷側(cè)和木垛沿空留巷側(cè)分別設(shè)置3個(gè)測(cè)站，對(duì)巷道表面位移進(jìn)行了觀測(cè)。 局限于礦壓觀測(cè)工具，此次礦壓觀測(cè)內(nèi)容主要是觀測(cè)回風(fēng)順槽的頂?shù)装逦灰屏考岸罩冃瘟?。具體測(cè)站布置平面示意圖如圖3-所示。圖3-1 具體測(cè)站布置平面示意圖3.2 礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果分析巷道頂?shù)装逦灰剖窍锏蓝罩ёo(hù)體變形規(guī)律最直觀的反映，而頂?shù)装逦灰屏縿t是圍巖應(yīng)力變化的宏觀體現(xiàn)。根據(jù)對(duì)測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)處理，巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量、墩柱變形量與距工作面距離的關(guān)系，巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近速率、墩柱變形速率與距工作面距離的關(guān)系分別如下圖所示。（a）相對(duì)移近量與距工作面距離

14、的關(guān)系（b）相對(duì)移近速率與距工作面距離的關(guān)系圖3-2 工作面回采期間巷道及墩柱變形曲線由于在同一巷道內(nèi)，木垛側(cè)測(cè)站1和墩柱側(cè)測(cè)站6巷道頂板移近量主要受工作面的采動(dòng)影響，因此礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)僅分析木垛側(cè)測(cè)站1和墩柱側(cè)測(cè)站6在距工作面距離相同情況下的變形規(guī)律。由圖可知，在相同的地質(zhì)條件和與工作面等距相等的情況下，墩柱的頂?shù)装逑鄬?duì)位移量顯著小于木垛，且墩柱自身的變形量不大。因此，從目前的數(shù)據(jù)觀測(cè)、巷道控制效果及墩柱變形破壞情況來(lái)看，采用墩柱留巷能有效地控制巷道圍巖變形，且E1302工作面后方回風(fēng)順槽留巷滿足使用要求。3.3 墩柱沿空留巷支護(hù)效果圖片如圖為E1302工作面后方回風(fēng)順槽墩柱留巷效果的現(xiàn)場(chǎng)照片

15、。從圖中可以看出，墩柱整體澆注、接頂效果好，巷道收斂變形小，采用墩柱留巷達(dá)到了預(yù)期的目的，取得了滿意的效果。(a)墩柱對(duì)頂板支護(hù)效果 (b)留巷效果圖3-3 墩柱留巷效果照片參考文獻(xiàn)：1 華心祝.我國(guó)沿空留巷支護(hù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及改進(jìn)建議J.煤炭科學(xué)技術(shù),2006,34（12）:78-80.2 權(quán)景偉，柏建彪，種道雪.沿空留巷錨桿支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用J.煤炭科學(xué)技術(shù)，2006,34（12）：60-61.3 柏建彪，周華強(qiáng)，侯朝炯.沿空留巷巷旁支護(hù)技術(shù)的發(fā)展J.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004,33（2），184-185.4 高清雯.高水材料在煤層注水封孔技術(shù)中的應(yīng)用研究J.中國(guó)礦業(yè)，2009,18，（8），103-105.5 楊曉紅，馬步才，樊少武. 沿空留巷 Y 型通風(fēng)瓦斯治理效果分析J.煤炭科學(xué)技術(shù)，2011,39（7），46-48.6 李化敏.沿空留巷頂板巖層控制設(shè)計(jì)J.巖