沿空留巷擴(kuò)刷工藝及參數(shù)研究

錢(qián)祥炎，陶俊濤，張永發(fā)

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州221116)

沿空留巷擴(kuò)刷工藝及參數(shù)研究

錢(qián)祥炎，陶俊濤，張永發(fā)

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州221116)

以朱集東煤礦埋深為900余m的1121(1)工作面軌道巷開(kāi)展“一巷兩用”擴(kuò)刷修復(fù)為工程背景，根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的實(shí)際反饋情況結(jié)合圍巖穩(wěn)定性和擴(kuò)刷機(jī)制理論，針對(duì)擴(kuò)刷期間圍巖變形、應(yīng)力變化等特點(diǎn)，制定合理的沿空留巷擴(kuò)刷原則，通過(guò)合理可行的施工工序與優(yōu)化參數(shù)選擇，聯(lián)合主被動(dòng)支護(hù)，提高巷道支護(hù)強(qiáng)度，確保巷道成功修復(fù)并安全使用。

沿空留巷;一巷兩用;擴(kuò)刷修復(fù);支護(hù)

隨著科學(xué)采礦的不斷發(fā)展，煤炭企業(yè)也越來(lái)越重視低成本，高回收率的開(kāi)采;而且隨著我國(guó)東部礦區(qū)開(kāi)采深度的不斷增大，瓦斯的賦存量加大且賦存條件越趨復(fù)雜，瓦斯的潛在危害嚴(yán)重影響著回采工作面的正常安全生產(chǎn)［1］．而沿空留巷可以實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開(kāi)采，很大程度上提高了煤炭資源的回收率，減少巷道掘進(jìn)成本，通過(guò)Y型通風(fēng)減少回采巷道瓦斯上隅角聚集，從而有效解決瓦斯超限問(wèn)題。

隨著煤礦開(kāi)采水平不斷向深部發(fā)展及沿空留巷在煤礦中的應(yīng)用逐漸推廣，深井沿空留巷的支護(hù)問(wèn)題逐漸得到國(guó)內(nèi)外的關(guān)注。

在深井沿空留巷頂板結(jié)構(gòu)方面:

孫恒虎和趙炳利等［2］將沿空留巷頂板簡(jiǎn)化成層間結(jié)合力忽略不計(jì)的矩形“疊加層板”結(jié)構(gòu);李化敏［3］根據(jù)沿空留巷頂板運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，將沿空留巷分為三個(gè)不同的活動(dòng)階段并給出相應(yīng)支護(hù)阻力計(jì)算公式;漆泰岳、侯朝炯等［4］從不同的角度建立了頂板運(yùn)動(dòng)的力學(xué)模型;張東升等［5］通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)分析基本頂?shù)钠茢嗪椭ёo(hù)方式對(duì)基本頂穩(wěn)定性的影響并且就沿空留巷巷旁充填做了分析;謝文兵［6］對(duì)深井沿空留巷圍巖位移特點(diǎn)、煤幫與充填應(yīng)力演化特征進(jìn)行研究;黃艷利、張吉雄等［7］根據(jù)進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出沿空留巷巷旁充填參數(shù)和方法，并總結(jié)了礦壓顯現(xiàn)規(guī)律;張農(nóng)教授課題組已經(jīng)在全國(guó)多個(gè)地點(diǎn)開(kāi)展深井沿空留巷的理論研究和工業(yè)性試點(diǎn)工作，提出留巷上方厚層頂板的預(yù)裂爆破切頂技術(shù)、三位一體留巷整體加固技術(shù)、大直徑錨索支護(hù)、中空注漿錨索支護(hù)及錨索束支護(hù)等先進(jìn)巷道圍巖控制理念和技術(shù)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)深井沿空留巷擴(kuò)刷修復(fù)前期的頂板結(jié)構(gòu)、應(yīng)力環(huán)境、變形破壞特征、支護(hù)原理和技術(shù)的研究成果，為本文深井沿空留巷“一巷兩用”擴(kuò)刷修復(fù)施工工藝及參數(shù)的研究提供了很好的借鑒和參考作用。

1 沿空留巷變形與結(jié)構(gòu)分析

1.1 留巷變形

1)巷道掘進(jìn)影響階段。在巷道開(kāi)挖后，巷道圍巖應(yīng)力重新分布并出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，本為三向受力狀態(tài)的圍巖轉(zhuǎn)向二向受力狀態(tài)［8］．

2)掘進(jìn)影響穩(wěn)定階段。在完成掘進(jìn)后，隨著時(shí)間推移，巷道變形逐漸趨于緩和，雖然巷道圍巖體現(xiàn)出其蠕變性使得變形仍在緩慢增長(zhǎng)，但相對(duì)于掘進(jìn)階段而言要小很多。

3)采動(dòng)影響階段。在上一區(qū)段開(kāi)采過(guò)程中，沿空留巷受到回采引起的超前支承壓力的影響，圍巖發(fā)生大變形，隨著回采面的推進(jìn)，在采空區(qū)后方附近，頂板彎曲下沉，使得巷道的支撐壓力和變形速度都達(dá)到最大值。

4)采動(dòng)影響穩(wěn)定階段。在回采工作面推過(guò)并遠(yuǎn)離后，巷道的圍巖應(yīng)力又重新分布并趨于穩(wěn)定，同樣在蠕變特性下，圍巖發(fā)生緩慢變形，其變形速度也要遠(yuǎn)低于掘進(jìn)影響階段和采動(dòng)影響階段。

5)二次采動(dòng)影響階段。在該區(qū)段工作面回采過(guò)程中，巷道在受到上一區(qū)段殘余應(yīng)力的影響外還要受到該區(qū)段回采引起的超前支承壓力的作用，在兩個(gè)作用相互疊加的情況下，巷道圍巖應(yīng)力再一次重新分布和變形。這個(gè)階段的變形和破壞要比其他任何階段都要?jiǎng)×摇?/p>

1.2 沿空留巷結(jié)構(gòu)分析

沿空留巷結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1，沿空留巷為無(wú)煤柱護(hù)巷，不同于其他巷道，在采空區(qū)一側(cè)有巷道充填體支護(hù)，巷道上方老頂沿采空區(qū)側(cè)容易發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉，使得靠近煤壁一側(cè)頂板下沉量較大，因此為了保證沿空留巷安全使用，留巷的擴(kuò)刷工藝及參數(shù)確定顯得尤為重要，合理的擴(kuò)刷工藝可以有效保證沿空留巷的質(zhì)量并控制留巷在采動(dòng)影響下的大變形。

圖1 沿空留巷結(jié)構(gòu)示意圖

2 留巷擴(kuò)刷工藝

朱集東煤礦在留巷時(shí)采用分段留巷的方式，每隔300 m留一處聯(lián)絡(luò)巷，當(dāng)工作面經(jīng)過(guò)聯(lián)絡(luò)巷后隨即將尾巷封閉。在沿空留巷擴(kuò)刷修復(fù)時(shí)需要對(duì)封閉巷道的圍巖變形情況進(jìn)行分析，根據(jù)不同的變形程度，采用不同的擴(kuò)刷支護(hù)參數(shù)和方案。主要分為以下3類(lèi):

Ⅰ類(lèi)巷道:巷道整體變形較小，巷道寬度能達(dá)到3 500 mm以上，頂板完整性較好，錨網(wǎng)整體好，頂板僅需擴(kuò)刷500 mm以?xún)?nèi)即可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

Ⅱ類(lèi)巷道:巷道整體變形較大，巷道寬度在3 000～ 3 500 mm，頂板局部完整性差，部分錨桿失效、鐵絲網(wǎng)破裂，頂板需擴(kuò)刷500～1 000 mm才能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

Ⅲ類(lèi)巷道:巷道整體變形嚴(yán)重，巷道寬度在3 000 mm以下，頂板破碎，多處錨桿失效、鐵絲網(wǎng)破裂，頂板需擴(kuò)刷1 000 mm以上方能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。2.1擴(kuò)刷支護(hù)原則

1)支護(hù)以控頂為主，以破碎圍巖條件下的錨網(wǎng)的完整性控制為輔。

留巷經(jīng)歷了巷道圍巖變形的5個(gè)階段，由于朱集東礦1121(1)工作面軌道巷以厚層泥巖復(fù)合頂板為主，受采動(dòng)后應(yīng)力重新分布達(dá)到穩(wěn)定時(shí)巷道頂板呈松散、破碎、承載力極低的狀態(tài)，因此應(yīng)加強(qiáng)工作面頂板的控制，采取錨噴支護(hù)、噴漿等手段以保證頂板的穩(wěn)定。在錨網(wǎng)噴支護(hù)中，錨桿的錨固力需建立在錨網(wǎng)、鋼帶完整、穩(wěn)固的基礎(chǔ)上，否則一旦錨網(wǎng)破裂，錨桿支護(hù)失效，最終將會(huì)導(dǎo)致支護(hù)體和圍巖整體失穩(wěn)，所以應(yīng)提高錨桿、錨網(wǎng)、鋼帶的強(qiáng)度、剛度、整體性。

2)擴(kuò)刷應(yīng)選擇最佳時(shí)機(jī)，以底部的擴(kuò)刷為主。

上一區(qū)段開(kāi)采完成后，圍巖經(jīng)歷一定的穩(wěn)定時(shí)間才能達(dá)到一定的穩(wěn)定性，巖塊重新膠結(jié)，應(yīng)力重新分布，趨于減小。因此為了減小上區(qū)段對(duì)留巷擴(kuò)刷的影響，應(yīng)選擇適宜的時(shí)機(jī)進(jìn)行擴(kuò)刷。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可得，1111(1)工作面推過(guò)50天之后是適宜的擴(kuò)刷時(shí)機(jī)［8］;留巷圍巖應(yīng)力趨向于穩(wěn)定時(shí)其變形顯現(xiàn)出不協(xié)調(diào)性，底鼓量最大，其次是非回采側(cè)移近量，最小的是墻體移近量和頂板下沉量，因此應(yīng)以底部的擴(kuò)刷為主，以產(chǎn)生足夠的生產(chǎn)空間。對(duì)于支護(hù)和加固材料應(yīng)盡量做到重復(fù)利用，但復(fù)用的錨桿、錨索應(yīng)進(jìn)行抗拉拔力檢測(cè)以滿(mǎn)足使用要求。

2.2 擴(kuò)刷流程

根據(jù)以往沿空留巷擴(kuò)刷的優(yōu)缺點(diǎn)和理論分析，針對(duì)上述3類(lèi)巷道提出以下優(yōu)化的擴(kuò)刷流程和工藝參數(shù)，這3類(lèi)巷道流程類(lèi)似，但要根據(jù)具體情況采取不同的參數(shù)。主要工藝流程見(jiàn)圖2．

2.3 支護(hù)參數(shù)

以下主要講述第Ⅰ類(lèi)巷道主要施工參數(shù):

噴漿。為了防止注入的漿體從圍巖中滲出，先在圍巖表面進(jìn)行噴漿，同時(shí)起到加固防風(fēng)化，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)的作用。此處取噴漿超前刷幫處30 m，噴層厚度70～100 mm．

淺孔注漿。超前幫部擴(kuò)刷處20 m．每斷面3孔，注漿孔深2 000 mm，注漿孔間距1 500 mm，排距1 600 mm，注漿管長(zhǎng)度1 400 mm，注漿材料采用425#硫鋁酸鹽水泥，水灰比0.5，注漿壓力不大于1.5 MPa．

圖2 巷段施工工藝流程圖

深孔注漿。淺孔注漿完成后，進(jìn)行深孔注漿，通過(guò)對(duì)比，選擇注漿材料為625#硅酸鹽水泥，這種水泥凝結(jié)硬化速度快，強(qiáng)度大，使用良好。水灰比過(guò)大會(huì)導(dǎo)致混凝土硬化后形成大量氣孔從而降低強(qiáng)度;過(guò)小會(huì)使得流動(dòng)性很差無(wú)法注漿，所以此處選擇水灰比為0.5．一般注漿要超前于擴(kuò)刷處25 m．用來(lái)注漿的孔參數(shù)為孔徑40 mm、孔深3 000 mm、封孔深度為600 mm，注漿壓力為2.5～3.0 MPa．注漿孔間排距為1 500 mm×1 600 mm．

錨索梁。在頂板擴(kuò)刷后為了及時(shí)維護(hù)頂板安全，需要鋪錨網(wǎng)并進(jìn)行噴漿，不僅可以防風(fēng)化，加強(qiáng)自身承載性能，還能改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。錨網(wǎng)規(guī)格參數(shù)為d8 mm，網(wǎng)格約150 mm×150 mm．選擇20#槽鋼，長(zhǎng)2 m，布置3孔，孔徑32 mm，孔中心距800 mm．錨索垂直頂板施工，噴層厚度為50 mm，邊擴(kuò)刷邊施工。

對(duì)于幫部采用錨桿與注漿錨索聯(lián)合支護(hù)，對(duì)原有錨帶網(wǎng)進(jìn)行重復(fù)利用，若不能利用，則采用規(guī)格參數(shù)為長(zhǎng)3 000 mm的錨桿，均勻每隔600 mm打錨桿眼。原有錨桿錨索在保證預(yù)緊力為70 kN、90 kN左右，錨固力分別為100 kN、200 kN以上時(shí)可再次利用。錨桿采用“三高錨桿”。錨索外露長(zhǎng)度200～300 mm，錨桿外露長(zhǎng)度50 mm，多余的外露長(zhǎng)度剪去。對(duì)充填墻體進(jìn)行噴漿處理，當(dāng)其受到采動(dòng)動(dòng)壓影響破碎時(shí)采用淺孔注漿來(lái)提高承載能力。

通過(guò)以上措施對(duì)頂板和幫部主被動(dòng)聯(lián)合支護(hù)。擴(kuò)刷修復(fù)前后對(duì)比圖見(jiàn)圖3．

圖3 擴(kuò)刷前后對(duì)比圖

3 結(jié)論

沿空留巷作為一種高回收率的煤炭開(kāi)采方法，有著很好的研究意義，不僅可以提高煤炭經(jīng)濟(jì)效益，還能提高社會(huì)效益。本文通過(guò)對(duì)沿空留巷擴(kuò)刷原則和經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，分析沿空留巷變形特點(diǎn)，得出沿空留巷的優(yōu)化施工工藝及參數(shù)，實(shí)踐證明其效果良好，可以為類(lèi)似研究提供參考。

［1］楊百順．顧橋礦深井開(kāi)采沿空留巷頂板控制技術(shù)研究［D］．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2008.

［2］孫恒虎，趙炳利．沿空留巷的理論與實(shí)踐［M］．北京:煤炭工業(yè)出版社，1993:13－14.

［3］李化敏．沿空留巷頂板巖層控制設(shè)計(jì)［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000(5):651－654.

［4］漆泰岳，郭育光，侯朝炯．沿空留巷整體澆注護(hù)巷帶適應(yīng)性研究［J］．煤炭學(xué)報(bào)，1999(3):34－38.

［5］張東升，茅獻(xiàn)彪，馬文頂．綜放沿空留巷圍巖變形特征的試驗(yàn)研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002(3):331－334.

［6］謝文兵．綜放沿空留巷圍巖穩(wěn)定性影響分析［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004(18):3059－3065.

［7］黃艷利，張吉雄，巨峰．巷旁充填沿空留巷技術(shù)及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律［J］．西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(5):515－520.

［8］張農(nóng)，張志義，吳海，等．深井沿空留巷擴(kuò)刷修復(fù)技術(shù)及應(yīng)用［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014(3):468－474.

Research on Expanding and Repairing Technology and Parameters in Gob－side Entry Retaining

QIAN Xiangyan，TAO Juntao，ZHANG Yongfa

1121(1)working face transportation roadway in Zhuji coalminewhich carries out Expanding and re-pairing is as the background．According to the actual feedback of engineering field observation，combines with the surrounding rock stability and expanding and repairingmechanism theory．Aiming at the characteristics of surrounding rock deformation and stress changes during the period of expanding and repairing，formulates the reasonable principles for gob－side entry retaining expanding and repairing．By the reasonable and feasible construction process and the optimal parameter selection，combines with the active and passive supporting，improves the roadway support strength，ensures the roadway sucessful repair and safe using．

Gob－side entry retaining;a road two roles;Expanding and repairing;Supporting

TD353

B

1672－0652(2015)09－0009－04

2015－08－11

錢(qián)祥炎(1992—)，男，陜西安康人，2012級(jí)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在讀本科生，主要從事煤礦巷道支護(hù)技術(shù)研究(E－mail)15062128981@163．com