墩柱沿空留巷

1、高水材料墩柱沿空留巷技術研究摘要： 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順槽的瓦斯?jié)舛?，減小回風順槽的通風阻力，提出了采用高水材料構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)場實踐相結合的方法，對墩柱沿空留巷力學模型、墩柱承載能力、墩柱抗側推能力、巷內(nèi)圍巖控制、充填系統(tǒng)、施工工藝等關鍵技術進行了系統(tǒng)的研究。工業(yè)試驗結果表明：高水材料墩柱沿空留巷技術取得了良好的經(jīng)濟、技術和社會效益，具有廣闊的推廣應用前景。關鍵詞：雙U型通風；高水材料；墩柱；沿空留巷 沿空留巷具有突出的技術和安全優(yōu)勢，我國從薄煤層到厚煤層、從緩斜煤層到急傾斜煤層，均有沿空留巷的成功經(jīng)驗。沿空留巷的關鍵是

2、沿空一側巷旁支護體的材料和性能的選擇,要求增阻速度快,并具有合理的支護阻力能切落一定高度的頂板,具有較大的變形量適應沿空留巷劇烈變形,同時希望巷旁支護成本低廉,這些特性推動著巷旁支護技術的發(fā)展。高水材料巷旁充填沿空留巷技術由于其在采煤生產(chǎn)中具有施工工藝簡單、易于操作、支護強度高、巷道收斂變形小等優(yōu)點，而愈來愈受到采礦界的高度重視, 并逐步得到推廣應用。本文基于對高河能源有限公司E1302工作面回風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踐為背景，重點研究墩柱沿空留巷圍巖控制技術，取得了良好的工程試驗效果。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順槽的瓦斯?jié)舛?，在增加工作面配風量的同時，配備一條專用瓦斯排放巷，形成兩進兩回的“雙U”型通風，“雙U”型巷圖1-1 “雙U”型巷道布置方式平面位置關系道布置方式平面位置關系如圖1-1所示。為避免工作面上隅角及回風順槽瓦斯超標，在工作面采過后將工作面后方至聯(lián)絡巷之間的一段回風順槽保留下來，分流回風順槽中瓦斯含量，當工作面推進到下一個聯(lián)絡巷時，密閉原先采空區(qū)后方的聯(lián)絡巷、打開下一個聯(lián)絡巷，兩個聯(lián)絡巷之間所保留的巷道即完成任務。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水平東翼進風大巷、輔運大巷及膠帶大巷。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順槽留巷時，采用木垛進行護巷，導致坑木消耗量大，同時，在采空區(qū)后方回風順槽頂板旋轉下沉作用下，支護強度較低的木垛易發(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，在保證通風的情況下，研究采用凝結快、強度高、穩(wěn)定性好的高水材料進行留巷，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工作面回風順槽支護方案如圖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，局部夾砂質泥巖，含碳屑。直接頂砂質泥巖3.854.40灰黑色-暗灰色，薄-中厚層狀，夾細砂條帶，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工作面回風順槽支護布置圖2 高水材料墩柱沿空留巷技術2.1 高水材料簡介高水材料是一種能在高水灰比條件(W/C=1.3:13:1)下快速凝結的特種水泥，與一般的水泥類材料相比，高水材料凝結時間短，早期強度高并可調，通過改變水灰比和添加劑成分就能獲得不同強度的凝結體，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，在載荷達到峰值強度后，高水材料并不立即完全破壞喪失承載能力，而是隨著應變的進一步加大，承載能力呈緩慢下降變化，承載能力隨應變增加緩慢下降的速度遠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，強度衰減比較緩慢，可以維持較高的殘余強度。高水材料的這種水化硬化反應過程可描述如下：強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 墩柱支護技術墩柱結構設計過程中采用鋼筋網(wǎng)內(nèi)放置充填袋，充填袋充填高水材料方式構筑而成，墩柱外套鐵絲網(wǎng)結構及充填袋如圖所示。 圖2-1 墩柱外套結構圖圖2-2 充填袋由于墩柱將承受頂?shù)装逡平鼈鬟f的載荷，因此墩柱結構上必須具有一定的支護阻力和可縮性。高水材料形成的充填體結構本身就具有一定的可縮量，且鋼筋網(wǎng)在結構上并沒有形成一個封閉的空間結構，當頂板給予墩柱一定壓力時，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)，充填結構依然具有一定的可縮量。設高水材料滿足摩爾-庫侖破壞準則，隨著頂板壓力的增加，管內(nèi)充填料產(chǎn)生橫向變形，材料與鋼筋結構的相互作用力也相應增加，即材料圍壓增大，所帶來的效應是材料的強度增加，當壓力大到一定程度，鋼筋結構發(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)確定墩柱支護參數(shù)的選擇應使本區(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工作面后方兩個聯(lián)絡巷之間60m內(nèi)回風順槽具有一定的有效通風斷面，保證工作面通風順暢。（1） 墩柱強度確定根據(jù)該工作面上覆巖層結構特點及井下施工條

9、件，綜合考慮E1302工作面回風順槽試驗巷道的巷旁墩柱支護體的抗壓強度要求和經(jīng)濟效益，通過調節(jié)水灰比來改變巷旁支護體強度，滿足工程強度要求，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，墩柱直徑過小會造成墩柱承載能力減小，墩柱直徑過大造成資源浪費，使支護成本增高，因此墩柱應具有一個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，墩柱無法與頂?shù)装逍纬山y(tǒng)一的承載結構，使墩柱承載能力降低，不利于巷道頂?shù)装宓木S護；如果墩柱間距過小，不僅給墩柱施工帶來一定的影響，而且過于密集的墩柱使高水材料與鋼筋網(wǎng)的用量增加，造成巷道支護成本增加，因此，墩柱除應具有合理的直徑外，還應具有合理的間距。數(shù)值計算過程中，分別取墩柱中心距1450mm、1650mm、1850mm架設墩柱，計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。計算完

11、成以后，巷道圍巖、墩柱變形量與墩柱間距間的關系如圖2-5所示。由此看出，墩柱中心距應控制在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向變形，使用打設戧柱的方法來減少側向推力對墩柱的影響，經(jīng)計算得到至少應采用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)場采用3根水平戧柱防止墩柱側向變形：靠底板水平打設1根，向上1.8m打設1根，再向上1.2m打設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，需要分別加水攪拌輸送，在充填點混合。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、運輸過程中凝結、堵塞管路和充填泵等設備，需分別攪拌和泵送甲料漿、乙料漿。因而，應采用雙液充填工藝，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)測及監(jiān)測結果分析3.1 礦壓監(jiān)測內(nèi)容及測站布置為了更好地對回風順槽墩柱沿空留巷和木垛沿空留巷的圍巖變形

13、規(guī)律進行對比分析，根據(jù)E1302工作面回風順槽現(xiàn)場實際情況設置了6個測站，在墩柱沿空留巷側和木垛沿空留巷側分別設置3個測站，對巷道表面位移進行了觀測。 局限于礦壓觀測工具，此次礦壓觀測內(nèi)容主要是觀測回風順槽的頂?shù)装逦灰屏考岸罩冃瘟俊＞唧w測站布置平面示意圖如圖3-所示。圖3-1 具體測站布置平面示意圖3.2 礦壓監(jiān)測結果分析巷道頂?shù)装逦灰剖窍锏蓝罩ёo體變形規(guī)律最直觀的反映，而頂?shù)装逦灰屏縿t是圍巖應力變化的宏觀體現(xiàn)。根據(jù)對測站觀測數(shù)據(jù)處理，巷道頂?shù)装逑鄬σ平俊⒍罩冃瘟颗c距工作面距離的關系，巷道頂?shù)装逑鄬σ平俾?、墩柱變形速率與距工作面距離的關系分別如下圖所示。（a）相對移近量與距工作面距離

14、的關系（b）相對移近速率與距工作面距離的關系圖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)，木垛側測站1和墩柱側測站6巷道頂板移近量主要受工作面的采動影響，因此礦壓觀測數(shù)據(jù)僅分析木垛側測站1和墩柱側測站6在距工作面距離相同情況下的變形規(guī)律。由圖可知，在相同的地質條件和與工作面等距相等的情況下，墩柱的頂?shù)装逑鄬ξ灰屏匡@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、巷道控制效果及墩柱變形破壞情況來看，采用墩柱留巷能有效地控制巷道圍巖變形，且E1302工作面后方回風順槽留巷滿足使用要求。3.3 墩柱沿空留巷支護效果圖片如圖為E1302工作面后方回風順槽墩柱留巷效果的現(xiàn)場照片

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，采用墩柱留巷達到了預期的目的，取得了滿意的效果。(a)墩柱對頂板支護效果 (b)留巷效果圖3-3 墩柱留巷效果照片參考文獻：1 華心祝.我國沿空留巷支護技術發(fā)展現(xiàn)狀及改進建議J.煤炭科學技術,2006,34（12）:78-80.2 權景偉，柏建彪，種道雪.沿空留巷錨桿支護技術研究與應用J.煤炭科學技術，2006,34（12）：60-61.3 柏建彪，周華強，侯朝炯.沿空留巷巷旁支護技術的發(fā)展J.中國礦業(yè)大學學報，2004,33（2），184-185.4 高清雯.高水材料在煤層注水封孔技術中的應用研究J.中國礦業(yè)，2009,18，（8），103-105.5 楊曉紅，馬步才，樊少武. 沿空留巷 Y 型通風瓦斯治理效果分析J.煤炭科學技術，2011,39（7），46-48.6 李化敏.沿空留巷頂板巖層控制設計J.巖