大柳塔井柔?；炷脸涮盍粝锛夹g(shù)研究與實(shí)踐

馮曉斌，王 琪，張鵬鵬

(1.神東煤炭集團(tuán) 大柳塔煤礦，陜西 榆林 719315； 2.煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000)

當(dāng)前留巷常用的巷旁充填材料是超高水材料[1-2]，該材料是一種專用材料，生產(chǎn)廠家較少，在水灰比為1.5∶1.0時(shí)，強(qiáng)度為8～10 MPa，對(duì)頂板的支撐效果有限。而柔模混凝土是在普通混凝土的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)，強(qiáng)度可達(dá)30 MPa以上。作為一種新興的支護(hù)技術(shù)，柔?；炷亮粝镆呀?jīng)在許多礦井得到推廣應(yīng)用，逐漸成為一種常用的留巷充填材料[3-7]。

1 工作面概況

1.1 地質(zhì)條件

神東煤炭集團(tuán)大柳塔礦大柳塔井52605工作面位于六盤區(qū)大巷東側(cè)、五盤區(qū)大巷西側(cè)、52606工作面南側(cè)、52604工作面北側(cè)，所采煤層為52煤，煤層平均厚度為4.3 m，工作面兩巷探煤點(diǎn)及鉆孔成果資料，該區(qū)域煤厚變異系數(shù)為7%，煤層可采性指數(shù)為1，為穩(wěn)定煤層。煤層頂?shù)装迩闆r如圖1所示。

圖1 52煤頂?shù)装鍘r性Fig.1 Roof and floor lithology of 52 coal

1.2 生產(chǎn)條件

52605工作面開(kāi)切眼長(zhǎng)度為305 m，推進(jìn)長(zhǎng)度為4 299 m，工作面安裝有中間支架169架，型號(hào)為ZY12000/25/50D，機(jī)頭端頭支架5架，機(jī)尾端頭支架4架，機(jī)尾過(guò)渡支架1架。采用走向長(zhǎng)壁一次采全高全部垮落后退式綜合機(jī)械化采煤方法，全部垮落法處理采空區(qū)。工作面生產(chǎn)為“三八”制，2班生產(chǎn)1班檢修，每天日進(jìn)尺為12～15 m。

1.3 巷道初始支護(hù)

在52605綜采工作面回采期間，采用柔模混凝土沿空留巷的方式，將52605運(yùn)輸巷道保留下來(lái)作為52606綜采工作面的回風(fēng)巷道。運(yùn)輸巷道全為煤層巷道，矩形斷面，斷面規(guī)格為5 400 mm×3 600 mm(長(zhǎng)×寬)，巷道頂板采用φ18 mm×2 100 mm的圓鋼錨桿，每排布置6根，排距為1 000 mm。錨索規(guī)格為φ21.6 mm×6 500 mm，每排2根，間距3 000 mm，排距為4000mm。巷道兩幫采用φ22mm×2 000 mm的玻璃鋼錨桿，每排3根，正幫(回采幫)排距為1 300 mm，間距依次為600、1 300、1 700 mm，塑料網(wǎng)尺寸為2 200 mm×10 000 mm，網(wǎng)格規(guī)格為40 mm×40 mm；副幫(實(shí)體煤幫)排距為1 000 mm，間距依次為600、1 100、1 300、1 600 mm；塑料網(wǎng)規(guī)格為40 mm×40 mm網(wǎng)格，尺寸為3 200 mm×10 000 mm。

2 柔?；炷亮粝镏ёo(hù)方案

2.1 總體支護(hù)方案

52605工作面采用半原位留巷的方式，充填體位于巷道中，寬度為1200mm，所留巷道的寬度為4 200 mm。柔模充填留巷設(shè)計(jì)主要包括補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)、充填體參數(shù)設(shè)計(jì)、擋矸設(shè)計(jì)和滯后支護(hù)設(shè)計(jì)等，總體支護(hù)方案如圖2所示。

圖2 52605運(yùn)輸巷柔模留巷方案Fig.2 Flexible formwork retaining scheme of No. 52605 transportation roadway

2.2 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)

沿空留巷受2次采動(dòng)的影響，需要在掘進(jìn)支護(hù)的基礎(chǔ)上對(duì)巷道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

(1)頂板支護(hù)。采用φ22 mm×6 500 mm，1×19絲鋼絞線制作的錨索加強(qiáng)支護(hù)，如圖3所示。錨索間排距為1 500 mm×2 000 mm，外側(cè)錨索距巷幫450 mm，每排布置4根，配3卷CK2350樹脂藥卷錨固，每排錨索采用長(zhǎng)5 000 mm、寬230 mm、厚3 mm的W帶鋼配長(zhǎng)300 mm、寬300 mm、厚16 mm的內(nèi)嵌式托盤連接到一起。

圖3 頂錨索加固布置Fig.3 Reinforcement arrangement of top anchor cable

(2)副幫支護(hù)。采用φ22 mm×2 000 mm高強(qiáng)度玻璃鋼錨桿對(duì)副幫進(jìn)行加固。加固錨桿排距為1 000 mm，打在原幫錨桿排之間，每排布置3根，至頂板的距離依次為900、2 400、3 350 mm。配高強(qiáng)度雙抗塑料網(wǎng)。

2.3 充填體主要參數(shù)

2.3.1 充填體強(qiáng)度計(jì)算

巷旁充填沿空留巷的充填體載荷主要是由采空區(qū)側(cè)懸臂梁的長(zhǎng)度決定。將巷道頂板載荷視為均布載荷，按平面應(yīng)變問(wèn)題處理，沿空留巷力學(xué)模型如圖4所示。

圖4 墻體受載計(jì)算Fig.4 Wall load calculation

根據(jù)圖4可得，巷旁墻體所受壓力Q的計(jì)算公式為：

(1)

式中,B1為頂板斷裂線和煤壁的距離；B2為沿空留巷的寬度；q為上覆巖層的載荷，取12倍采高計(jì)算；γ為巖塊的容重；x為充填體的寬度；B3為充填體外側(cè)懸臂梁的長(zhǎng)度；θ為頂板巖層的剪切角；H為冒落帶高度。

代入計(jì)算可得，墻體承受的最大壓力為22 MPa。因此，選用強(qiáng)度等級(jí)為C30的混凝土。

2.3.2 柔模袋尺寸

用于構(gòu)筑墻體的混凝土需要在柔模袋中成型，柔模袋上設(shè)有綁繩、拉環(huán)等用于固定，同時(shí)設(shè)有錨栓孔、注漿孔、出氣孔等。柔模袋的高度和寬度應(yīng)當(dāng)大于充填體，有一定的富余，高度確定為4.2 m，寬度為1.3 m。柔模袋的長(zhǎng)度應(yīng)視推進(jìn)速度而定，一般為多個(gè)尺寸，確定為3 m和4 m。

2.3.3 錨栓布置

研究表明，在充填體中置入錨栓可以限制充填體的側(cè)向變形，顯著提高穩(wěn)定性。為此在混凝土中設(shè)置3～4排錨栓。錨栓桿體為直徑22 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，牌號(hào)為BHRB335，抗拉強(qiáng)度為490 MPa，拉斷載荷為240 kN。桿體兩端設(shè)有螺紋，長(zhǎng)度不低于100 mm，桿體長(zhǎng)度需充填體厚度200 mm。錨栓兩端配拱形高強(qiáng)度錨桿托盤，托盤尺寸150 mm×150 mm×10 mm(長(zhǎng)×寬×厚)，為防止充填體受壓時(shí)螺帽退絲，選用螺帽厚度不低于30 mm。錨栓間排距為800 mm×800 mm，垂直于充填體安設(shè)。

2.4 滯后支護(hù)設(shè)計(jì)

工作面回采后，滯后一段距離留巷受采動(dòng)的影響較大，需要對(duì)巷道進(jìn)行臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)。根據(jù)不同的巷道高度，選用DW38或DW42外注式單體液壓支柱，一梁四柱，鋼梁長(zhǎng)度3.6 m，排距1.0 m。滯后工作面距離不得大于1.0 m，單體支護(hù)必須成排，初撐力不得小于90 kN，支柱要支在實(shí)底上，嚴(yán)禁支在浮煤或浮矸上。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 主要設(shè)備

日混凝土用量V計(jì)算：

V=L×B×h×k

(2)

式中，L為每天的澆筑長(zhǎng)度；h為柔模充填體高度；B為充填體寬度；K為富余系數(shù)，取1.1。

計(jì)算可得，每天的充填量為80 m3。

52605工作面留巷采用直供商混凝土進(jìn)行混凝土泵送施工的方式，柔?；炷林苽漭斔蜋C(jī)組布置在52606切眼聯(lián)通巷口，利用商混車將混凝土輸送至混凝土泵，通過(guò)混凝土泵送管路將混凝土注入端頭柔模內(nèi)。煤礦用混凝土泵輸送距離不得大于350 m，防止泵送壓力不足，混凝土在管路中凝結(jié)造成堵管。泵送距離最遠(yuǎn)不宜超過(guò)350 m?？紤]泵的能力及泵送效率，選擇使用HBMG80/16-11S型煤礦用混凝土泵,泵送系統(tǒng)安全壓力為32 MPa，最大泵送壓力為16 MPa。

3.2 主要工藝

柔模充填沿空留巷的主要工序包括巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、柔模掛設(shè)、巷旁柔模混凝土墻澆筑、臨時(shí)滯后支護(hù)、噴射混凝土支護(hù)等。工藝流程：①巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。按補(bǔ)強(qiáng)加固方案在巷道頂板補(bǔ)打錨索，副幫補(bǔ)打玻璃鋼錨桿。②掛設(shè)柔模充填袋。在預(yù)訂位置打設(shè)掛模錨桿，吊掛柔模袋，在柔模袋支設(shè)單體，待模袋掛好后，穿對(duì)拉錨栓，上托盤擰螺母，但不預(yù)緊。③澆筑混凝土。將混凝土利用商混車運(yùn)至充填泵上口，之后在商混車內(nèi)加入改性材料并攪拌均勻，然后卸料至充填泵再輸送至柔模袋中。④滯后支護(hù)。按設(shè)計(jì)要求及時(shí)在留巷內(nèi)支設(shè)單體柱配12號(hào)工字鋼梁，同時(shí)回撤工作面后方150 m的梁柱，循環(huán)使用。⑤噴漿。對(duì)巷道頂板及柔模墻體噴漿封閉，150～200 m集中噴漿1次。

3.3 礦壓觀測(cè)

3.3.1 充填體強(qiáng)度

在井下采用回彈儀對(duì)柔模袋式充填體的強(qiáng)度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，其強(qiáng)度變化曲線如圖5所示。由圖5可以看出，由于混凝土中添加了專用的外加劑，初期強(qiáng)度增長(zhǎng)速度較快，1 d齡期強(qiáng)度可達(dá)11 MPa；4 d齡期的強(qiáng)度達(dá)到30 MPa，平均每天增長(zhǎng)7.8 MPa；5 d以后，混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢；7 d左右強(qiáng)度幾乎保持不變，最終強(qiáng)度為36 MPa。

圖5 混凝土墻強(qiáng)度曲線Fig.5 Strength curve of concrete wall

3.3.2 巷道表面位移

工作面回采前，在前方設(shè)置間隔50 m設(shè)置測(cè)站，主要對(duì)頂板下沉和副幫幫鼓量進(jìn)行觀測(cè)，從工作面前方30 m開(kāi)始，共設(shè)置4個(gè)，3號(hào)測(cè)站的觀測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 巷道變形觀測(cè)結(jié)果Fig.6 Observation results of roadway deformation

由圖6可以看出，受工作面超前支承壓力的影響，工作面前方15 m巷道開(kāi)始出現(xiàn)變形，但變形量小，速度慢。工作面回采過(guò)后，巷道急劇變形，巷幫最大幫鼓速度可達(dá)72 mm/d，頂板最大下沉速度為43 mm/d。工作面后方135 m左右即推采過(guò)后10 d巷道變形基本穩(wěn)定，實(shí)體煤幫鼓出量為362 mm，頂板下沉量為310 mm，底鼓量為493 mm。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的臥底即可滿足二次回采的需要。

4 結(jié)論

(1)留巷充填體載荷由采空區(qū)側(cè)懸臂梁的長(zhǎng)度決定。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，52605工作面留巷充填墻體承受的最大壓力為22 MPa，強(qiáng)度為C30混凝土能夠滿足要求。

(2)由于添加了專用外加劑，柔模混凝土早強(qiáng)特征明顯，4 d齡期的強(qiáng)度達(dá)到30 MPa，7 d達(dá)到最終強(qiáng)度。

(3)52605工作面采用柔?；炷裂乜樟粝?，頂板下沉和幫鼓量小，經(jīng)過(guò)臥底即可滿足二次回采的需要，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。