沿空留巷整體澆注護(hù)巷帶圍巖控制技術(shù)

趙紅超,陳 勇

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221008;2.煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221008）

沿空留巷整體澆注護(hù)巷帶圍巖控制技術(shù)

趙紅超1,2,陳 勇1,2

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221008;2.煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221008）

介紹了我國(guó)沿空留巷整體澆注護(hù)巷帶發(fā)展歷程及其圍巖控制技術(shù)理論基礎(chǔ),分析了整體澆注護(hù)巷帶在綠色開(kāi)采體系中的地位,指出存在的主要問(wèn)題是機(jī)械化水平較低、充填系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜、成形效果與漏風(fēng)的控制不是十分理想,對(duì)護(hù)巷帶周?chē)簬r應(yīng)力分布規(guī)律研究不夠深入。在此基礎(chǔ)上,提出應(yīng)重視并加強(qiáng)護(hù)巷帶不連續(xù)面結(jié)構(gòu)分析,采用非等強(qiáng)支護(hù)技術(shù)發(fā)展沿空留巷整體澆注護(hù)巷帶技術(shù)的建議。

沿空留巷;護(hù)巷帶;不連續(xù)面;非等強(qiáng)支護(hù)

沿空留巷可以少掘進(jìn)一條巷道,解決了回采工作面接替緊張的難題,延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限,降低了巷道掘進(jìn)率,縮短工作面的準(zhǔn)備時(shí)間,減少了掘進(jìn)施工隊(duì)伍,是無(wú)煤柱開(kāi)采的主要技術(shù)發(fā)展方向。由于取消了區(qū)段煤柱,提高了煤炭采出率,對(duì)改善近距離煤層的巷道維護(hù)十分有利?？梢詫?shí)現(xiàn)前進(jìn)式和往復(fù)式的開(kāi)采,減少煤層自然發(fā)火。此外,通過(guò)在開(kāi)采解放層時(shí)進(jìn)行沿空留巷可以為及時(shí)、高效預(yù)抽主采煤層瓦斯提供了施工通道和場(chǎng)所,為下部煤層開(kāi)采提供了條件,為煤與瓦斯突出煤層開(kāi)采提供技術(shù)途徑。

沿空留巷技術(shù)自 20世紀(jì) 50年代用矸石墻支護(hù)在 1.5m以下薄煤層試驗(yàn)成功之后,通過(guò)相關(guān)院?？蒲性核艾F(xiàn)場(chǎng)的大量實(shí)踐與總結(jié),在條件較好的薄及中厚煤層綜采工作面實(shí)現(xiàn)沿空留巷的技術(shù)已趨于成熟[1]。伴隨著機(jī)械化采煤大斷面巷道出現(xiàn)的工作面推進(jìn)速度加快、礦山壓力增加、巷道頂板下沉劇烈等現(xiàn)象,對(duì)沿空留巷巷旁支護(hù)技術(shù)提出了更高的要求。為此,整體澆注護(hù)巷帶實(shí)現(xiàn)機(jī)械化巷旁充填已經(jīng)成為沿空留巷的主要技術(shù)方向。

1 我國(guó)沿空留巷整體澆注技術(shù)發(fā)展歷程

根據(jù)護(hù)巷帶澆注的形式以及采用的材料與支護(hù)方式,我國(guó)沿空留巷整體澆注技術(shù)大致劃分為以下7個(gè)階段[2]:

第 1階段:應(yīng)用型鋼加木垛及叢柱構(gòu)筑護(hù)巷帶開(kāi)灤唐家莊礦于上世紀(jì) 80年代初,在中厚煤層綜采分層開(kāi)采工作面中,采用木垛及密集支柱作為護(hù)巷帶。雖然木垛可以實(shí)現(xiàn)與頂板的大面積接觸且具有較好的穩(wěn)定性,但是由于可縮性大,初撐力小,在巷道頂寬度大的條件下不能及時(shí)起到巷旁支護(hù)作用,而且密閉效果不是很理想。

第 2階段:壘砌矸石墻構(gòu)筑護(hù)巷帶 通過(guò)采用矸石帶護(hù)巷實(shí)現(xiàn)支護(hù)材料就地取材,保證了一定的穩(wěn)定性,由于矸石帶支護(hù)阻力過(guò)小,不能很好地控制頂板下沉,無(wú)法達(dá)到預(yù)期的密閉效果。

第 3階段:應(yīng)用水泥、矸石、飛灰、鋸沫等預(yù)制塊構(gòu)筑護(hù)巷帶 陽(yáng)泉二礦和平煤一礦分別用水泥、爐渣、鋸沫和矸石等預(yù)制混凝土砌塊壘成寬度700～1000mm不等的條帶進(jìn)行無(wú)煤柱開(kāi)采。預(yù)制砌塊的性能較矸石帶有顯著改善,巷道斷面收縮率也大為降低,但是仍受預(yù)制塊運(yùn)輸量大,生產(chǎn)成本高,以及砌墻的可縮性與頂板下沉量不匹配等諸多因素制約。

第 4階段:巷旁風(fēng)力充填構(gòu)筑護(hù)巷帶 應(yīng)用風(fēng)力充填護(hù)巷,其材料為水泥、矸石、速凝劑。1985年開(kāi)灤礦務(wù)局唐山礦引進(jìn)德國(guó)的風(fēng)力充填設(shè)備開(kāi)展巷旁充填,結(jié)果表明充填體強(qiáng)度較高、巷道斷面收縮率降低。但是由于充填系統(tǒng)復(fù)雜,導(dǎo)致工業(yè)性試驗(yàn)的結(jié)果無(wú)法大面積地投入生產(chǎn)實(shí)際。

第 5階段:高水速凝泵送充填帶構(gòu)筑護(hù)巷帶1990年 3月在平煤一礦進(jìn)行高水速凝材料泵送充填成套技術(shù)的工業(yè)性試驗(yàn),取得預(yù)期效果,以其早期強(qiáng)度大,及時(shí)接頂限制離層等優(yōu)點(diǎn)完全替代了傳統(tǒng)的木垛、密集支柱、矸石帶、混凝土砌塊和風(fēng)力充填技術(shù)。

第 6階段:現(xiàn)澆混凝土隔墻構(gòu)筑護(hù)巷帶 混凝土墻體承載力高,能夠形成足夠的切頂強(qiáng)度,安全可靠,現(xiàn)在已被廣泛接受。大型自移式沿空留巷充填支架、桶柱方式巷幫支護(hù)法、膏體混凝土、柔模支護(hù)技術(shù)等不斷豐富與完善現(xiàn)澆混凝土隔墻法。混凝土墻的缺點(diǎn)在于其比較高的工程費(fèi)用和施工的復(fù)雜性,以及強(qiáng)度上升的速度不能適應(yīng)高產(chǎn)高效礦井工作面,此外,一些施工方法不能保證墻體及時(shí)緊密貼頂,影響施工質(zhì)量。

第 7階段:封閉注漿砌筑護(hù)巷帶 封閉注漿以西安科技大學(xué)發(fā)明的封閉模鑄砌體混凝土技術(shù)和中國(guó)礦業(yè)大學(xué)改進(jìn)的預(yù)先在充填袋內(nèi)植入對(duì)拉鋼筋高水速凝材料充填技術(shù)為主要代表。基本上克服了以往隔離墻結(jié)構(gòu)的諸多缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了施工快速,效果顯著、接頂密封能力強(qiáng)等要求。

2 沿空留巷整體澆注技術(shù)理論基礎(chǔ)

漆泰岳教授通過(guò)對(duì)不同圍巖條件下,基本頂斷裂引起的整體澆注護(hù)巷帶的支護(hù)強(qiáng)度和變形能力進(jìn)行深入研究,認(rèn)為在基本頂巖層斷裂過(guò)程中,整體澆注護(hù)巷帶具有切斷部分下位基本頂?shù)哪芰?提出了使沿空留巷巷道保持穩(wěn)定的整體澆注護(hù)巷帶支護(hù)強(qiáng)度與變形的理論計(jì)算方法,進(jìn)而對(duì)沿空留巷整體澆注護(hù)巷帶的適應(yīng)性進(jìn)行了研究[3]。指出整體澆注護(hù)巷帶只能在特定的圍巖條件下保證留巷效果的實(shí)現(xiàn)。

孫恒虎教授在分析沿空留巷頂板破斷垮落特征的基礎(chǔ)上,結(jié)合高水速凝材料巷旁充填沿空留巷技術(shù)的實(shí)例,根據(jù)煤層頂板特征和彈塑性力學(xué)的有關(guān)理論,將長(zhǎng)壁工作面沿空留巷的煤層頂板簡(jiǎn)化成了層間結(jié)合力忽略不計(jì)的四邊支承和三邊支承兩種矩形 “疊加層板”,認(rèn)為沿空留巷支護(hù)載荷只與短支承邊界的載荷有關(guān)[4]。用這種方法設(shè)計(jì)沿空留巷護(hù)巷帶參數(shù)所獲得的技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效益顯著,對(duì)沿空留巷的實(shí)踐有很大的指導(dǎo)意義。

張俊云教授結(jié)合由于護(hù)巷帶支護(hù)阻力過(guò)低導(dǎo)致留巷失敗的工程實(shí)例,在斯柯欽斯基礦業(yè)研究所分析和相似模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上指出研究沿空留巷“支護(hù)—圍巖”相互作用關(guān)系時(shí),不能孤立的把護(hù)巷帶作為頂板巖層的一個(gè)固支點(diǎn),應(yīng)更深入地研究巷旁煤體與沿空留巷頂板以及支護(hù)的相互關(guān)系,重視巷旁煤體對(duì)沿空留巷頂板穩(wěn)定的作用[5]。認(rèn)為巷旁煤體承受頂板的壓力,要保持頂板下位巖層的完整,同巷旁支護(hù)的壓縮量協(xié)調(diào),也得保持巷旁煤體的完整。

孫春東高工就邯礦集團(tuán)采用新型高水速凝材料作為沿空留巷巷旁充填材料,利用遠(yuǎn)距離水力泵送充填工藝構(gòu)筑護(hù)巷帶過(guò)程中使用的梯形充填袋、對(duì)拉錨栓、大型自移式充填支架和充填體位置的確定等關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)沿空留巷巷旁護(hù)巷帶緊隨工作面及時(shí)快速構(gòu)筑展開(kāi)討論[6]。指出護(hù)巷帶切頂效果明顯 隨著充填體的形成與固化,其支護(hù)阻力急劇增加,有效地阻止了頂板下沉,使得充填體采空區(qū)側(cè)的下沉頂板沿充填體邊緣切斷。

唐建新教授根據(jù)關(guān)鍵層理論及緩斜煤層沿空留巷頂板活動(dòng)規(guī)律,認(rèn)為基本頂以板的形式在工作面下端頭取得平衡狀態(tài),工作面下端頭直接頂?shù)牧W(xué)狀態(tài)與基本頂不同,直接頂幾乎以散體的狀態(tài)存在,其載荷全部作用于支護(hù)體上[7]。指出采用普通混凝土構(gòu)筑護(hù)巷帶進(jìn)行沿空留巷的關(guān)鍵在于控制直接頂運(yùn)動(dòng)變形并保證其穩(wěn)定性,讓直接頂和基本頂保持同步運(yùn)動(dòng),避免混凝土過(guò)早受壓,為混凝土提供初凝時(shí)間,從而達(dá)到沿空留巷支護(hù)強(qiáng)度。

張國(guó)華副教授結(jié)合雞西杏花煤礦沿空留巷的成功經(jīng)驗(yàn),在闡述采空區(qū)邊界處頂板活動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上 ,提出了 “匹配協(xié)調(diào)、力求均布、弱化擾動(dòng)”的預(yù)防原則,詳細(xì)論述了錨桿支護(hù)條件下超前主動(dòng)支護(hù)沿空留巷頂板破碎的原因,認(rèn)為沿空留巷頂板是否能夠保持在原支護(hù)條件下均勻下沉受制于護(hù)巷帶與煤體在力學(xué)性質(zhì)上的匹配程度,二者相差越小,越有利于頂板的穩(wěn)定;相反,相差越大,則會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致頂板不均勻地發(fā)生彎曲,層間發(fā)生錯(cuò)動(dòng),最終導(dǎo)致破壞程度加劇而破碎[8]。

筆者認(rèn)為,整體澆注護(hù)巷帶成敗的關(guān)鍵在于能否將其納入整個(gè)礦井巷道布局的統(tǒng)籌之中,應(yīng)該從初始設(shè)計(jì)的時(shí)候保證預(yù)留巷道有足夠的支護(hù)強(qiáng)度,而不是在后期圍巖發(fā)生變化之后二次補(bǔ)強(qiáng),一次支護(hù)時(shí)采用非等強(qiáng)支護(hù),保證留巷側(cè)圍巖適當(dāng)變形以釋放部分壓力,在此基礎(chǔ)上通過(guò)后期護(hù)巷帶上部巖層的自承能力有效地控制不連續(xù)面的進(jìn)一步發(fā)展。

3 沿空留巷整體澆注技術(shù)存在問(wèn)題

（1）軟巖動(dòng)壓?jiǎn)栴} 伴隨著煤炭賦存向深部發(fā)展,動(dòng)壓顯現(xiàn)和軟巖流變特性日益突出。目前對(duì)于深井軟巖巷道應(yīng)力分布及動(dòng)壓顯現(xiàn)規(guī)律依然處于探索階段,在保證原有巷道圍巖變形穩(wěn)定的條件下,減少頂板的完整性和頂?shù)装逡平鼘?duì)于下一區(qū)段的留巷效果必然會(huì)產(chǎn)生影響。沿空掘巷在受到本工作面回采影響期間由于采動(dòng)支撐壓力的作用,巷道圍巖變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于掘進(jìn)影響期間。在整個(gè)使用期內(nèi)要受到上下 2個(gè)工作面 2次采動(dòng)引起的支撐壓力疊加的護(hù)巷帶所承受的基本頂初次來(lái)壓和 2次來(lái)壓的沖擊也就更加明顯。所以護(hù)巷帶初次設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)就需要滿(mǎn)足基本頂初次來(lái)壓所產(chǎn)生的壓力并能夠保證足夠的切頂能力。

（2）澆注系統(tǒng)問(wèn)題 隨著綜合機(jī)械化采煤工作面的大范圍出現(xiàn),對(duì)沿空留巷整體澆注護(hù)巷帶提出了更高的要求?；夭上锏罃嗝娴脑黾雍凸ぷ髅嫱七M(jìn)速度的提升,直接對(duì)護(hù)巷帶成型的速度和強(qiáng)度產(chǎn)生沖擊。能否及時(shí)有效地構(gòu)筑密閉的護(hù)巷帶具有重大的意義。目前的架構(gòu)鋼模板以及遠(yuǎn)距離泵送高水材料等方式緩解了一定的壓力,但是由于系統(tǒng)可靠性以及大功率采煤機(jī)械的發(fā)展,這種方式已經(jīng)顯示出了對(duì)生產(chǎn)和工作面接替的影響。

（3）理論研究問(wèn)題 沿空留巷不同于其他巷道,護(hù)巷帶作為大變形圍巖在整個(gè)巷道構(gòu)筑及使用過(guò)程中需要經(jīng)歷 2次采動(dòng)影響,這就要求護(hù)巷帶具有良好的變形能力和一定的初撐力。由于沒(méi)有完全掌握采場(chǎng)推進(jìn)過(guò)程中上覆巖層運(yùn)動(dòng)和支承壓力發(fā)展變化的規(guī)律[9],對(duì)護(hù)巷帶承受壓力變化規(guī)律沒(méi)有明確把握,致使目前使用的高水速凝材料和膏體材料雖然滿(mǎn)足工程要求,但是其成本一直居高不下,且由于留巷帶來(lái)的底鼓現(xiàn)象一直無(wú)法得到有效地控制。能否用其他礦上廢棄物代替高水速凝材料實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)采需要對(duì)護(hù)巷帶所承受的支承壓力分布規(guī)律和護(hù)巷帶變形與支承壓力之間的規(guī)律進(jìn)一步試驗(yàn)與科學(xué)論證。

4 沿空留巷整體澆注技術(shù)改進(jìn)

（1）加強(qiáng)軟巖動(dòng)壓巷道支護(hù)技術(shù)的研究,在確保留巷保證完整頂板和一定的動(dòng)壓顯現(xiàn)條件下展開(kāi)留巷試驗(yàn),確定在軟巖條件下護(hù)巷帶的流變特性,建立特定圍巖條件下護(hù)巷帶受力模型,在確保留巷前的初次支護(hù)控制圍巖條件下實(shí)現(xiàn)二次支護(hù),確保護(hù)巷帶受力合理。

（2）簡(jiǎn)化充填系統(tǒng),變遠(yuǎn)距離水力高水速凝材料充填為近距離充填,充分降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度,保證良好的充填效果。改變現(xiàn)有的固定模板堆砌護(hù)巷帶為袋式軟性護(hù)巷帶。能夠保證充分接頂,以降低采空區(qū)漏風(fēng),造成瓦斯溢出的安全隱患。同時(shí)加強(qiáng)機(jī)械化充填成套技術(shù)的研發(fā),爭(zhēng)取在大范圍實(shí)現(xiàn)無(wú)人工巷旁充填沿空留巷[10]。確保充填系統(tǒng)的可靠性,使其充分適應(yīng)綜合機(jī)械化采煤條件下工作面推進(jìn)速度和由此引起的頂板壓力顯著增加。

（3）確定合理強(qiáng)度和尺寸,加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)有護(hù)巷帶受力模型的驗(yàn)證與創(chuàng)新,研究護(hù)巷帶和頂板圍巖變形之間的關(guān)系,尋找科學(xué)合理的初撐力和護(hù)巷帶的寬度以減少經(jīng)濟(jì)損失。避免或減少由于巷道寬度增加引起的護(hù)巷帶側(cè)向變形增大。在此基礎(chǔ)上加強(qiáng)矸石、粉煤灰等相似材料的力學(xué)特性研究,使其成為新一代經(jīng)濟(jì)合理的護(hù)巷帶替代材料,充分實(shí)現(xiàn)礦井生產(chǎn)的綠色開(kāi)采。

（4）采用非等強(qiáng)支護(hù)技術(shù),對(duì)護(hù)巷帶上部頂板通過(guò)注漿加固和預(yù)應(yīng)力錨桿錨索方式控制不連續(xù)面的擴(kuò)展以降低圍巖變形,避免采用傳統(tǒng)的整個(gè)巷道斷面等強(qiáng)支護(hù)造成應(yīng)力集中和材料浪費(fèi)。局部斷面可以通過(guò)使用讓壓錨桿等措施來(lái)釋放部分變形而不是以往一味地提高護(hù)巷帶的強(qiáng)度,以此有效控制護(hù)巷帶上部軟弱巖層及破碎頂板的結(jié)構(gòu)變形和松散變形,避免和降低由于留巷出現(xiàn)的底鼓現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

沿空留巷作為煤礦綠色開(kāi)采體系的重要組成部分,已經(jīng)成為回采巷道維護(hù)的主要技術(shù)趨勢(shì)。而整體澆注護(hù)巷帶在整個(gè)留巷過(guò)程中起著不可估量的意義,所以必須加強(qiáng)機(jī)械化成套技術(shù)的匹配和相關(guān)理論的補(bǔ)充完善,以適應(yīng)更大范圍的軟巖動(dòng)壓巷道,確保留巷技術(shù)的工程效果。

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Technology of Surround ing Rock Control by Whole-pour ing in Roadway Retained along Gob

ZHAO Hong-chao1,2,CHEN Yong1,2
（1.Mining Engineering School,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221008,China;
2.State KeyLaboratory of Coal Resource&SafeMining,Xuzhou 221008,China）

Introducing developmentprocedure ofwhole-pouring roadwayprotective strip and theoretical base of surrounding rock control and analyzing status ofwhole-pouring roadway protective strip in green mining system,main problemswere pointed out including lower mechanization level,complex stowing system and non ideal for ming effect and air leakage control,and insufficient researching stress distribution of coal and rock body surrounding protective strip.On the basis of this,the suggestion was put for ward thatpaying attention to analyzing uncontinuous interface of surrounding rock and that applying un-equal strength supporting to developingwhole-pouring protective strip for roadway retained along gob.

retaining roadway along gob;protective roadway strip;uncontinuous interface;un-equal strength supporting

TD353

A

1006-6225（2011）03-0095-03

2011-03-09

趙紅超 （1988-）,男,陜西寶雞人,在讀碩士研究生,主要從事巷道支護(hù)及圍巖控制技術(shù)研究。

[責(zé)任編輯:施紅霞 ]