充填采場巷道端頭模袋式快速成型密閉擋墻結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用

田錦州，顏丙雙，孫凱華

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.國家能源充填采煤技術(shù)重點實驗室，北京 100013)

充填采場巷道端頭模袋式快速成型密閉擋墻結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用

田錦州1, 2，顏丙雙1, 2，孫凱華1, 2

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.國家能源充填采煤技術(shù)重點實驗室，北京 100013)

為解決連采充填工作面充填與采煤接續(xù)較快，充填采場巷道端頭密閉擋墻的快速修建等問題，提升連采工作面產(chǎn)能，提出了模袋式快速成型密閉擋墻的設(shè)計理念，進行了模袋式快速成型密閉擋墻結(jié)構(gòu)的分析、研究與設(shè)計?，F(xiàn)場試驗表明，模袋式密閉擋墻提高了施工效率，降低了生產(chǎn)成本。

充填開采；采場巷道；模袋；密閉擋墻

充填采煤是解放“三下”壓煤的重要途徑之一，近年來東部各礦區(qū)在“三下”壓煤區(qū)域進行了較多充填法試驗開采的有益嘗試。試驗結(jié)果表明，連采工作面充填法開采出煤效率高，系統(tǒng)運行簡單，設(shè)備投資規(guī)模較小，靈活性高，地表減沉控制效果較好，適用于各種不規(guī)則壓煤區(qū)域的開采，得到了較多地推廣應(yīng)用[1]。

連采充填工作面主要有采煤與充填2個環(huán)節(jié)。連采機生產(chǎn)能力大，運煤梭車效率高，錨桿鉆車支護速度快，采煤環(huán)節(jié)不是限制連采工作面產(chǎn)能提升的主要問題，主要的制約因素是充填能力的提升，而正常充填工作耗時并不長，限制充填效率提升的主要環(huán)節(jié)是充填準備工作耗時太長，即采場巷道采出后，其兩端頭密閉擋墻修建速度太慢，制約了充填效率的提高。如何快速高效地修建采場巷道密閉擋墻成為解決工作面產(chǎn)能提升的一大難題[2-3]。

1 模袋式快速成型密閉擋墻設(shè)計理念的提出

模袋式快速成型密閉擋墻設(shè)計理念的提出，主要源于模袋混凝土圍堰護坡技術(shù)[4-8]。該種密閉擋墻的設(shè)計思路是：利用高強度防火纖維布縫制成模袋，將模袋吊掛至采場巷道端頭頂板上，對前后兩立面進行側(cè)支撐處理，然后向模袋內(nèi)灌注高水充填料漿，同時混入速凝早強劑，令其速凝成墻。

2 模袋式快速成型密閉擋墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 模袋整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到模袋墻的可靠性與穩(wěn)定性，模袋設(shè)計為長方體形狀，由六面高強度防火纖維布、吊掛耳朵、模袋內(nèi)縱向拉筋等幾部分組成，詳見圖1。

1—吊掛耳朵；2—模袋充填口；3—采場巷道充填孔；4—采場巷道排氣孔；5—模袋強筋孔

吊掛耳朵用于將模袋吊掛至頂板上；模袋充填口則利用該口向模袋內(nèi)注漿；采場巷道充填孔是模袋內(nèi)通長孔，充填管路穿入該孔至采場巷道內(nèi)進行充填；采場巷道排氣孔是模袋內(nèi)通長孔，排氣管路穿入該孔用于充填過程中采場巷道的排氣；模袋強筋孔是模袋內(nèi)通長孔，用于穿強筋以限制充填漿液時模袋前后立面的側(cè)向變形。

2.2模袋受力分析

模袋充填時，充填漿液在凝固之前對模袋有側(cè)壓力，該側(cè)壓力通過模袋布傳遞給軟拉筋與加強筋，拉筋將兩側(cè)立面模袋布連接在一起，從而平衡壓力控制厚度。

充填漿液混合均勻，屬于均質(zhì)材料，將其視為各向同性材料進行拉力計算。漿液產(chǎn)生的垂直拉力通過模袋布傳遞至吊掛耳朵結(jié)構(gòu)上，模袋受到漿液的垂直拉力與橫向壓力相等，其受力結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中，F(xiàn)為頂板的吊掛力；W為模袋內(nèi)漿液的自重力；T為模袋吊掛處對漿液側(cè)壓力的反作用力；P為掏槽對模袋側(cè)壓力的反作用力。

圖2 模袋受力示意

2.3 模袋布選型設(shè)計

加工模袋時，模袋布上織有縱向加筋繩和橫向加強帶，并在其節(jié)點上綁扎模袋厚度控制拉筋，提高模袋布的抗拉強度，防止模袋充填漿液時變形過大。

模袋布的性能參數(shù)有：單位面積質(zhì)量、斷裂強度、斷裂伸長率等，應(yīng)根據(jù)采場巷道開口斷面尺寸、頂?shù)装寮皟蓭兔罕谛螒B(tài)等條件選用，主要性能參數(shù)詳見表1。

2.4 模袋拉筋拉力計算

2.4.1 軟拉筋拉力計算

模袋在縱向方向提供了2種受力體：一是模袋內(nèi)部的軟拉筋；二是模袋附加的強筋結(jié)構(gòu)。在進行拉筋受力計算時，將軟筋與強筋受力平分考慮。

表1 模袋布的性能參數(shù)

當(dāng)模袋充滿且充填漿液全部為液相時，模袋底部壓強最大，同時該處的軟拉筋受力也最大，根據(jù)模袋的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計單根軟筋的控制面積為0.2m×0.2m，則其受力為：

Frj=P·S

式中，F(xiàn)rj為軟拉筋受力，kN；P為底部壓強，Pa；S為控制面積，m2；K為側(cè)壓系數(shù)，取1.0；ρ為漿液密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；H為漿液高度；n為高度折減系數(shù)，取0.6。計算過程中，初步按照模袋尺寸為寬度×高度×厚度=9m×3m×1.5m考慮。計算得Frjmax為525.5N。

按局部的應(yīng)力集中系數(shù)k=2計算，則每條軟拉筋所能承受的拉力Frj≥1051N。因此，模袋內(nèi)軟拉筋選用時，單條軟拉筋抗拉強度必須在1051N以上。

2.4.2 強筋拉力計算

強筋孔是指在模袋上留設(shè)的用于穿入條絲的水平孔洞，強筋的主要作用是提供水平拉力，限制模袋側(cè)向變形，其拉力計算與軟筋相同。強筋孔的列距與巷道斷面大小、充填漿液側(cè)向壓力有關(guān)，一般取800mm或1000mm。強筋孔的行距根據(jù)模袋的受力特點進行布置，底層間距選擇為800mm，上層間距選擇為1000mm，共3層強筋孔。按照行列距800mm計算，則每個強筋孔承受的水平拉力為：

式中，F(xiàn)qjmax為每根強筋承受的拉力，kN。經(jīng)計算得每個強筋所承受的拉力為8.4kN。

2.4.3 強筋選型

強筋的選擇應(yīng)滿足模袋的拉力要求，同時應(yīng)安裝方便，在此對條絲進行計算。條絲的抗拉強度一般為30～50kg/mm2，保守按30 kg/mm2計算，則應(yīng)使用的條絲直徑：

式中，φ為條絲直徑，mm；Fh為水平壓力，N；N為條絲根數(shù)；P為條絲抗拉強度，Pa。

經(jīng)計算得φ≥4.2mm，即使用條絲作為強筋時，每個強筋孔里的條絲直徑應(yīng)不小于4.2mm。考慮到應(yīng)力集中系數(shù)，底部一排強筋孔應(yīng)進行雙條絲對拉處理，上面的孔可用單條絲。

2.5 模袋吊掛耳朵設(shè)計

模袋吊掛耳朵是指模袋頂部用于與頂板吊掛構(gòu)件相連接的部分，承受著模袋的所有拉力。當(dāng)模袋充滿漿液時，模袋所受到的垂直拉力最大。

Fz1=Fx

Fx=P·S

式中，F(xiàn)z1為垂直拉力，kN；Fx為側(cè)壓力，kN；P為平均壓強，Pa；S為密閉擋墻斷面積，m2。則有

即模袋承受的總垂直拉力為Fz=2Fz1=591.3kN。

模袋的內(nèi)外側(cè)均設(shè)計了吊掛耳朵，則每米耳朵上受到的最大拉力為：

按局部的應(yīng)力集中系數(shù)k=2計算，則單位長度上最大拉應(yīng)力為65.8 kN。根據(jù)模袋材料參數(shù)，其斷裂強度≥65.8kN，因此，模袋吊掛耳朵應(yīng)進行加強處理，可用2層以上托底布加強縫制設(shè)計。另外，吊掛耳朵內(nèi)徑應(yīng)大于鋼帶寬度，并留出1.2倍的余量，便于鋼帶穿入安裝。

2.6 模袋密閉擋墻安全性計算

在采場巷道進行充填之前，模袋密閉擋墻內(nèi)的充填材料已經(jīng)凝固且具備了一定的強度，因此可以將其視為墻體結(jié)構(gòu)進行力學(xué)驗算，考慮到漿液在充填過程中不斷凝固，取高度折減系數(shù)0.6計算。

2.6.1 不掏槽情況下抗傾覆能力計算

墻體所受傾覆因素主要是采場巷道內(nèi)漿液側(cè)壓力，其反作用力是墻體自重力以及頂板錨桿對模袋的吊掛力。根據(jù)土力學(xué)研究中對墻體抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)要求Kt≥1.6[9]。

以1m為計算單元，墻體自重：

W=DHγ墻=1.5×3×16 =72(kN)

式中，W為墻體自重，kN；D為墻體厚度，m；H為墻體高度，m；γ墻為墻體容重，16kN/m3。

充填漿液對墻體側(cè)壓力：

式中，Pa為充填漿液對墻體的側(cè)向壓力，kN；γ為漿液容重，14.6kN/m3。

模袋吊掛于頂板上，受到錨桿的吊掛拉力阻止墻體傾覆，通常情況下，模袋布的撕裂強度為0.8kN。

經(jīng)計算，抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)：

Kt=(WL1+FL2)/(PaL3)=(72×0.75+0.8×3)/(43.8×1.5)=0.86<1.6

式中，Kt為抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；F為模袋撕裂強度，kN；L1為重力力臂，m；L2為模袋撕裂力臂，m；L3為充填漿液側(cè)壓力臂，m。

由上述計算可知，單純靠模袋墻自重力及模袋布抗撕裂強度，難以抵御采場巷道充填漿液的側(cè)壓力，密閉擋墻有傾覆的危險。

2.6.2 掏槽情況下抗傾覆能力計算

假定掏槽深度為500mm，掏槽距外側(cè)煤壁距離1m，根據(jù)王臺鋪煤礦井下實測，取煤體抗剪切強度2MPa，則煤壁一側(cè)的抗剪切力為：

F剪=τS=2×103×(1×3)=6×103(kN)

式中，F(xiàn)剪為煤壁抗剪切力，kN；τ為煤體抗剪切強度，MPa；S為掏槽外側(cè)煤體側(cè)面積，m2。

根據(jù)井下實測，模袋內(nèi)充填體抗剪切強度取為1.6MPa，則充填體沿掏槽一側(cè)抗剪切破壞能力為：

煤壁抗剪切力較小，可按該力進行抗傾覆計算：

Kt=(WL1+FL2+F剪L3)/PaL3

=(72×0.75+0.8×3+6×103×1.5)/(43.8×1.5)=137.8>1.6

由上述計算結(jié)果可知，掏槽在防止密閉墻傾覆中起到至關(guān)重要的作用，掏槽深度應(yīng)根據(jù)煤體形態(tài)具體考慮，一般應(yīng)至少掏至實底以下300mm。

3 井下應(yīng)用試驗

模袋式密閉擋墻在陜西中能公司榆陽煤礦、晉煤集團王臺鋪煤礦進行了井下應(yīng)用試驗，并進行了多次改進與完善，模袋安裝與充填后成型效果分別見圖3與圖4。

圖3 模袋安裝后效果

圖4 模袋充填后成型效果

井下應(yīng)用試驗表明：模袋布具有阻燃防靜電性能，符合井下安全應(yīng)用要求；模袋重量輕，井下運輸、安裝簡便高效；模袋布抗頂破、抗撕破能力強，施工過程中不易被煤塊刺破而損壞；模袋抗拉伸、抗變形能力強，灌漿后不易變形，不會破裂；充填采場巷道時，直接利用地面充填站漿液對備充采場巷道端頭模袋灌漿，不需要單獨配制漿液，充填采場巷道充填時間長，在此期間足以將模袋灌滿；模袋布柔韌性高，對煤壁主動貼合適應(yīng)能力強，密閉效果好；模袋布本身有透水不漏漿的特性，可析出少量水分，提高了漿液濃度，且經(jīng)過速凝與早強方面改性后， 充填漿液可在5min內(nèi)凝固，縮短了凝結(jié)時間，減輕了對模袋的壓力，提高了密閉擋墻的施工效率；模袋密閉墻綜合成本較密閉磚墻降低30%以上。

4 結(jié)論

針對連采充填工作面采場巷道端頭的模袋式快速成型密閉擋墻實現(xiàn)思路，對模袋的受力進行了分析與計算，對模袋的結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)的設(shè)計，對模袋密閉墻的安全性進行了驗算，試制了模袋并于井下進行了現(xiàn)場應(yīng)用試驗。井下試驗表明，模袋式快速成型密閉擋墻技術(shù)上是可行的，模袋結(jié)構(gòu)是合理的。模袋式快速成型密閉擋墻勞動強度低，施工速度快，整體密閉性好，使用安全，綜合成本較現(xiàn)行的密閉磚墻降低30%以上，滿足井下應(yīng)用要求，可進一步推廣應(yīng)用。

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[責(zé)任編輯：徐乃忠]

DevelopmentofRapid-moldingInclosedRetaining-wallStructureforStowingMining-fieldandItsApplication

TIAN Jin-zhou1,2,YAN Bing-shuang1,2,SUN Kai-hua1,2

(1.Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co.,Ltd.,Beijing 100013,China;2.Key Laboratory of State Energy Stowing Mining Technology,Beijing 100013,China)

In order to solve the difficult problem of short stowing and mining following time and fast constructing inclosed retaining-wall in stowing mining face with continuous miner and improve continuous mining capacity,a design idea of mold-bag rapid-molding inclosed retaining-wall was put forward and its analysis,research and design was made.Actual test showed that it improved construction efficiency and reduced mining cost.

stowing mining; mining-field roadway; mold bag; inclosed retaining-wall

2014-02-20

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.021

國家重大科技專項：大型油氣田及煤層氣開發(fā)(2011ZX05064)；天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化基金項目：針對高水材料巷式充填的模袋式快速成型密閉擋墻的研發(fā)(KJ-2013-TDKC-10)

田錦州(1983-)，男，江蘇連云港人，碩士，助理研究員，主要從事開采沉陷理論研究、煤礦充填開采工藝研究與工程實踐。

田錦州，顏丙雙，孫凱華.充填采場巷道端頭模袋式快速成型密閉擋墻結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用[J].煤礦開采，2014，19(5)：73-76.

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1006-6225(2014)05-0073-04