寺家莊礦無煤柱沿空留墻技術(shù)研究及應(yīng)用

王 輝

(潞安化工集團 寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司 ,山西 晉中 045300)

工作面開采擾動是影響回采巷道穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一,特別是巷道鄰近采空區(qū),受采空區(qū)覆巖運移活動影響,巷道礦壓顯現(xiàn)程度較猛烈。為降低鄰近工作面開采擾動影響,一般通過留設(shè)煤柱降低巷道維護難度。但是煤柱留設(shè)將引發(fā)資源浪費和采空區(qū)遺煤自燃等問題,同時對于多煤層礦井,上煤層工作面留設(shè)煤柱將造成下煤層工作面應(yīng)力集中。對此提出采用無煤柱開采技術(shù)。該技術(shù)已在多個礦區(qū)進行了推廣應(yīng)用[1-4],效果良好。

寺家莊礦目前開采15號煤層,煤層平均厚度為5.62 m,瓦斯含量較高,煤層易自燃。為解決遺煤自燃問題,提高資源回收率,擬定在15119進風(fēng)巷試驗無煤柱沿空留墻技術(shù)。

1 工程背景

1.1 15119工作面概況

15119工作面開采15號煤層,位于+510 m水平中央盤區(qū),南部為盤區(qū)準(zhǔn)備巷道,東部為15121工作面(未掘進),西部為15117工作面(已回采)。工作面的地表標(biāo)高為925～1 005 m,煤層標(biāo)高為470～515 m.15119工作面設(shè)計走向長度為1 447 m,可采長度為987 m,工作面寬度為270 m.

15號煤層厚度為4.4～7.7 m,均厚達(dá)5.62 m,煤層平均傾角為6°.煤層頂?shù)装鍘r性特征如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性特征

1.2 15119進風(fēng)巷概況

15119進風(fēng)巷沿15號煤層頂板布置,巷道設(shè)計為矩形斷面,斷面高×寬=4.1 m×5.2 m.巷道掘進采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護,兩幫支護對稱,頂板錨桿排距為1 m,幫部錨桿排距為0.9 m,具體掘進支護參數(shù)如圖1所示。

圖1 15119進風(fēng)巷掘進支護參數(shù)(單位:mm)

2 沿空留墻技術(shù)

2.1 沿空留墻技術(shù)工藝

1) 擴幫起底。由于巷道擔(dān)負(fù)運輸任務(wù),巷道內(nèi)布置有軌道和運輸膠帶機,限制了留墻尺寸。在進風(fēng)巷內(nèi)留設(shè)墻體,需保證有足夠的作業(yè)空間。因此,為保障沿空留墻順利進行,同時不影響進風(fēng)巷的運輸服務(wù),在進行墻體澆筑前,需對進風(fēng)巷的幫部進行擴刷,以提供留墻施工空間,如圖2(a)所示,擴刷后及時進行補強支護。同時為了確保留設(shè)墻體的穩(wěn)定性,要求巷道墻體位于堅實的基礎(chǔ)上,還需對巷道底板起底,為留墻的基礎(chǔ)澆筑提供施工空間。

圖2 沿空留墻技術(shù)流程(單位:mm)

根據(jù)15119進風(fēng)巷實際,設(shè)計巷幫的擴刷寬度為2.5 m,起底深度為1.5 m,以滿足墻體留設(shè)的空間需要?；A(chǔ)上的留設(shè)墻體高×寬=4.0 m×1.5 m.15119進風(fēng)巷留設(shè)墻體設(shè)計如圖2(b)所示。

2) 墻體基礎(chǔ)澆筑。在開采15119工作面前,對15119進風(fēng)巷的起底空間進行澆筑作為留墻的基礎(chǔ),見圖2(d)中紅框區(qū)域。

在澆筑墻體前應(yīng)先澆筑基礎(chǔ),待基礎(chǔ)初凝后再在其上澆筑墻體。堅固穩(wěn)定的基礎(chǔ)是確保墻體后期穩(wěn)定和具有強承載能力的前提。

完成基礎(chǔ)澆筑1 d后再進行墻體的澆筑。為了提升效率,可提前澆筑基礎(chǔ)。

3) 墻體柔模架設(shè)。待基礎(chǔ)穩(wěn)定后在上方澆筑墻體至接觸頂板。間隔一定時間繼續(xù)澆筑墻體其余部分直至接頂。完成基礎(chǔ)澆筑的第2天,在確?；A(chǔ)具備承載能力的前提下,架設(shè)柔模袋,準(zhǔn)備進行墻體的澆筑工作。

首先支設(shè)單體柱,通過單體柱支撐柔模袋的一邊,用鐵絲將柔模袋綁定到頂板金屬網(wǎng)上。完成柔模袋掛設(shè)工作后,安裝橫向錨栓,并安裝托盤進行固定,以保證后期成型效果。然后在另外一邊進行同樣的操作,支設(shè)單體支護,完成柔模袋整體框架的安裝。

4) 墻體澆筑。架設(shè)好柔模袋后進行墻體的澆筑。連接澆筑材料的輸送管和柔模袋的送料入口,把澆筑材料注進柔模袋內(nèi)構(gòu)筑墻體。為避免分次不連續(xù)注漿影響墻體的成型效果,需提前計算好注漿量,攪拌好充足的澆筑材料,迅速完成墻體澆筑。將材料充滿柔模袋后,將注漿管同柔模袋送料入口分開,密封注漿口,避免漿液流出。為提高墻體澆筑的施工速度,可在巷道內(nèi)布置兩個澆筑施工作業(yè)點,同步進行墻體澆筑工作。

同時需要對澆筑后的墻體進行高強度的支護加固。15119工作面采空后,覆巖會發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉,為了保證15121回風(fēng)巷能夠快速掘進,需注意加強15119進風(fēng)巷墻體的強度,以有效支撐15121回風(fēng)巷頂板,保證其穩(wěn)定性。通過錨栓對墻體進行加固支護,可保證后續(xù)沿空巷道掘進時墻體的完整與穩(wěn)定。

5) 回撤單體柱。為保證墻體的成型效果,等墻體內(nèi)的澆筑材料完全固化,具有承載抗變形的能力后,方能撤出單體支柱。單體支柱回撤后運至柔模袋架設(shè)點附近備用。

6) 沿空掘巷。15119工作面采空后,在15121采面回采前,沿留設(shè)的墻體掘進15121回風(fēng)巷如圖2(c)所示。

2.2 沿空留墻澆筑系統(tǒng)設(shè)計

考慮沿空留設(shè)墻體的強度及穩(wěn)定性,設(shè)計利用混凝土混合材料作為墻體的主要組成材料?；炷敛牧喜捎?2.5水泥,主要使用中等粒徑的砂,含沙比率小于0.01.碎石的塊度尺寸范圍為5～20 mm,含泥量應(yīng)低于0.01.

在15119工作面開采前完成進風(fēng)巷的幫部擴刷工作,每天連帶巷道起底并將擴幫進尺設(shè)計為20 m.待20 m擴幫長度掘進完成后,緊接著開始墻體基礎(chǔ)的澆筑工作。基礎(chǔ)凝結(jié)一定時間后,繼續(xù)進行墻體的分層澆筑作業(yè)。每天需要約120 m3的混凝土材料用于澆筑長×寬×高=20 m×1.5 m×4.0 m的墻體主體結(jié)構(gòu)。

為保證墻體穩(wěn)定性,在澆筑沿空留設(shè)的墻體前需要先進行基礎(chǔ)的澆筑工作。每天需要澆筑相同20 m長度、2.5 m寬度、1.5 m高度的墻體基礎(chǔ),約需要75 m3的混凝土材料。

在工作面進風(fēng)巷內(nèi)現(xiàn)場混裝混凝土材料。首先,使用上料車將混凝土原料輸送至攪拌器內(nèi)充分?jǐn)嚢琛嚢柰翱扇菁{2 300 L的材料。澆筑材料攪拌好后,利用輸送泵把澆筑漿液運至澆筑地點。

在巷內(nèi)墻體澆筑施工時,因為澆筑材料初期成型困難,需通過分層澆筑完成墻體的澆筑施工。按照先下后上的順序完成。可利用柔模袋承裝澆筑材料保證墻體成型效果。

在現(xiàn)場應(yīng)用時,由于巷道內(nèi)供沿空留墻作業(yè)的空間有限,為降低漿液輸送時的摩擦阻力,輸送距離應(yīng)不超過350 m.15119進風(fēng)巷內(nèi)沿空留墻施工的系統(tǒng)布置如圖3(a)所示。

圖3 沿空留墻系統(tǒng)布置

為提高墻體澆筑效率,墻體澆筑的速度應(yīng)達(dá)到20 m/d,在澆筑施工時,可將墻體澆筑工作均分為兩個階段。

將混凝土輸送泵視為對稱點,先澆筑泵前面10 m的墻體,然后轉(zhuǎn)換泵的輸送方向,繼續(xù)完成后方10 m的墻體澆筑。輸送泵換向裝置如圖3(b)所示。

3 現(xiàn)場工程應(yīng)用效果

15119進風(fēng)巷應(yīng)用無煤柱沿空留墻技術(shù),顯著提升了資源回收率,同比多回收28萬噸煤炭資源,回收率提升11%;簡化了巷道一幫的支護工作,巷道掘進速度可達(dá)10 m/d,顯著提高了掘進效率。

煤柱資源被完全回收,解決了采空區(qū)遺煤自燃問題,寺家莊礦屬于煤與瓦斯突出礦井,保障了礦井的安全高效生產(chǎn),現(xiàn)場應(yīng)用效果見圖4.

圖4 現(xiàn)場留墻效果