煤巷內(nèi)預(yù)設(shè)混凝土墻成巷合理寬度研究

李 寧, 孫欽亮

(山東恒馳礦業(yè)裝備科技有限公司, 山東 泰安 271202)

1 前言

高瓦斯礦井在工作面掘進(jìn)和回采過程中,會從工作面、巷道和相鄰采空區(qū)涌出瓦斯,導(dǎo)致工作面瓦斯超標(biāo),影響安全生產(chǎn)[1-2]。為了保證工作面煤層開采的安全生產(chǎn),提出了井下留設(shè)煤柱,這就造成了地下煤炭資源的浪費(fèi)。因此,需要對高瓦斯礦井的無煤柱開采技術(shù)進(jìn)行研究優(yōu)化。

近年來,一些學(xué)者針對地下無煤柱開采進(jìn)行了一系列研究。馬立強(qiáng)[3]提出了巷內(nèi)充填無煤柱開采技術(shù),將巷旁充填改造為巷內(nèi)充填,使充填體受原巷內(nèi)支護(hù)保護(hù),保證了巷道的穩(wěn)定,并成功應(yīng)用于厚煤層綜放工作面,實(shí)現(xiàn)了厚煤層無煤柱開采。何滿潮[4]基于切頂短臂梁理論,分析了無煤柱切頂自成巷技術(shù)原理,提出切頂卸壓無煤柱自成巷技術(shù)及工藝,有效隔斷采空區(qū)與近距離煤層開采的連接,改善了巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境,實(shí)現(xiàn)巷道穩(wěn)定,為無煤柱開采提供新理論與技術(shù)。西安科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[5]開發(fā)出柔?；炷翂κ匠涮钪ёo(hù)技術(shù),并研發(fā)出專用施工裝備,在全國多個(gè)礦業(yè)集團(tuán)得到廣泛應(yīng)用。為解決該問題,一些專家提出雙巷布置系統(tǒng),即在回風(fēng)巷旁布置瓦斯抽排巷,通過混凝土隔離墻置換煤柱技術(shù)既能提高煤炭資源回收率,避免井下煤柱的應(yīng)力集中,又可以解決煤柱瓦斯涌出問題,具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和安全性能[6-9]。上述研究為無煤柱開采技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展提供了依據(jù)。

依據(jù)前人研究,對亞美煤礦的無煤柱開采技術(shù)方案進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用和改進(jìn)。亞美煤礦屬于高瓦斯礦井,目前正在回采的工作面采用一次采全高全部垮落綜合機(jī)械化采煤法,掘進(jìn)工作面采用雙巷布置形式,巷間煤柱尺寸為43.5 m,煤柱尺寸較大造成了極大的煤炭資源浪費(fèi)。因此,計(jì)劃在下一工作面實(shí)施煤巷內(nèi)預(yù)設(shè)隔離墻成巷技術(shù)。合理的混凝土墻寬度決定了巷道長期作業(yè)的穩(wěn)定性以及后續(xù)維護(hù)工作的難易程度[10-12]。本文按照亞美煤礦的實(shí)際情況,構(gòu)建了煤巖的數(shù)值模型,通過數(shù)值模擬的手段揭示了煤巷內(nèi)預(yù)設(shè)不同寬度混凝土墻成巷的圍巖應(yīng)力和塑性區(qū)分布。采用柔模泵注混凝土墻技術(shù)對亞美煤礦的隔離墻進(jìn)行構(gòu)建,并對混凝土墻的配比進(jìn)行優(yōu)化研究。最終,根據(jù)模擬結(jié)果提出合理的支護(hù)方案進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。本研究的技術(shù)方案不僅解決了亞美煤礦的煤柱回收問題,減少了地下煤炭資源的浪費(fèi);而且巷道在開拓期間能夠進(jìn)行瓦斯通風(fēng),極大的縮短了礦井高瓦斯地處理時(shí)間。該技術(shù)對無煤柱開采技術(shù)的完善和發(fā)展具有重要意義。

2 數(shù)值模擬

2.1 模擬方案

依據(jù)工程實(shí)際情況,確定模型的基本參數(shù)為煤層埋深347 m,煤層平均厚度4.0 m,煤層平均傾角5°。本文數(shù)值模擬的煤巖層模型計(jì)算范圍為煤層穩(wěn)定底板到煤層上方共計(jì)45 m的頂板巖層。模型尺寸長寬高為120 m×60 m×45 m,具體如圖1所示,根據(jù)煤層埋深在模型上邊界施加垂直應(yīng)力8 MPa,由于煤層埋深較淺,巷道周圍無較大的水平構(gòu)造,因此本次模擬計(jì)算側(cè)壓系數(shù)取0.5,模型底部施加的最大水平主應(yīng)力為4.062 5 MPa?；炷翂w寬度分別為1.0 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m、1.8 m、2.0 m。煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

圖1 數(shù)值模型示意圖

2.2 模擬結(jié)果分析

為研究采動影響對混凝土墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響特征,則對采動條件下巷道圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)和塑性區(qū)分布進(jìn)行分析。通過模擬結(jié)果的對比,得到混凝土墻的最優(yōu)寬度。圖2所示為采動影響下不同寬度垂直應(yīng)力云圖。

圖2 采動影響下不同寬度混凝土墻垂直應(yīng)力云圖

由圖2的數(shù)值模擬結(jié)果可知,不同寬度混凝土墻在采動影響下的垂直應(yīng)力依次經(jīng)歷了陡增期,穩(wěn)定期和延伸期。充填體附近的圍巖應(yīng)力狀態(tài)由剛開始的應(yīng)力梯度逐漸向應(yīng)力均化轉(zhuǎn)變。

隨著混凝土墻寬度的不斷增長,充填體的垂直應(yīng)力展現(xiàn)出先減小后增大的趨勢,并且充填體寬度的增加會推動其應(yīng)力向周圍巖體的擴(kuò)散。說明充填體寬度的增強(qiáng)會促進(jìn)其與周圍巖體結(jié)構(gòu)的相互融合。

在采動過程中,巷內(nèi)左端圍巖的應(yīng)力梯度的變化強(qiáng)烈。其在充填體附近形成明顯的異化響應(yīng)區(qū)。該區(qū)結(jié)構(gòu)會在短期內(nèi)發(fā)生迅速的能量聚集并受到周圍巖體的約束,其會在采動擾動的作用下發(fā)生一定的能量釋放和失穩(wěn)。隨著充填體寬度的增強(qiáng),附近區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)也會隨之發(fā)生改變。在寬度較小時(shí),附近區(qū)域圍巖的應(yīng)力梯度集中,圍巖結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中較強(qiáng),但隨著寬度的進(jìn)一步增大,附近區(qū)域圍巖的應(yīng)力發(fā)生減弱。充填體寬度達(dá)到1.6 m時(shí),附近區(qū)域的集中應(yīng)力最大。說明充填體寬度會對周圍結(jié)構(gòu)的整體承力性造成影響,寬度的變化會使得周圍結(jié)構(gòu)的承力異化。

為了得到充填體承力結(jié)構(gòu)的寬度最優(yōu)解,則對上述模擬結(jié)果進(jìn)一步處理。將所輸出的數(shù)據(jù)繪制得到不同尺寸的混凝土墻尺寸的垂直應(yīng)力分布曲線,具體如圖3所示。

圖3 不同尺寸混凝土墻垂直應(yīng)力變化曲線

分析圖3可以看出,工作面回采后墻體內(nèi)的最大垂直應(yīng)力均發(fā)生在墻體右側(cè)。隨著混凝土墻體高度的增大,其垂直應(yīng)力基本呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的趨勢。當(dāng)混凝土墻體高度為2 m時(shí),各寬度混凝土墻所對應(yīng)的垂直應(yīng)力均出現(xiàn)減弱的趨勢。但在不同寬度的混凝土墻中,高度變化所造成的應(yīng)力減弱效應(yīng)不同。當(dāng)墻體的寬度為1.0～1.4 m時(shí),墻體的垂直應(yīng)力隨寬度的增加而逐漸減弱,墻體的垂直應(yīng)力變化幅度明顯。當(dāng)墻體的寬度為1.4 m和1.6 m時(shí),兩種墻體的垂直應(yīng)力基本一致,曲線的整體趨勢較為平穩(wěn)。當(dāng)留設(shè)墻體的寬度為1.8～2.0 m時(shí),墻體的垂直應(yīng)力隨寬度的增加而逐漸增大。依據(jù)上述分析可知,寬度為1.4～1.8 m的墻體垂直應(yīng)力曲線較為平穩(wěn),該范圍內(nèi)墻體不同高度所對應(yīng)的垂直應(yīng)力均較小。

以1.4～1.8 m墻體寬度為研究重點(diǎn),結(jié)合圖2、圖3對該范圍內(nèi)充填體與圍巖的垂直應(yīng)力云圖進(jìn)行綜合分析。由于煤層厚度為4 m,則此處取與該厚度相近的混凝土高度進(jìn)行分析。在三種寬度墻體種,1.4 m寬的墻體垂直應(yīng)力較大,垂直應(yīng)力達(dá)到了34 MPa。而寬度為1.6 m和1.8 m的墻體垂直應(yīng)力相差較小,基本維持在25～30 MPa。對比圖2垂直應(yīng)力云圖可知,墻體寬度為1.4和1.6 m所對應(yīng)的墻體周圍應(yīng)力較為均衡,兩種墻體應(yīng)力集中程度較低。而當(dāng)墻體寬度為1.8 m時(shí),墻體周圍應(yīng)力的差異性較大,應(yīng)力集中程度明顯。綜合上述分析,墻體寬度為1.6 m時(shí)所對應(yīng)的承力較小,且結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中程度較低,結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性較強(qiáng)。而當(dāng)墻體寬度為1.4和1.8 m時(shí),混凝土墻所對應(yīng)的應(yīng)力效應(yīng)較強(qiáng),結(jié)構(gòu)易發(fā)生損傷破壞。則基于充填體的應(yīng)力特征,得到充填體的最優(yōu)寬度為1.6 m。

隨后,為了進(jìn)一步分析充填體寬度對圍巖結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)的影響特征,對圍巖的塑性區(qū)分布進(jìn)行研究,塑性區(qū)分布如圖4所示。由圖4可以看出,墻體塑性區(qū)面積隨著墻體寬度的增加而增加,但范圍變化不大。周圍巖體的塑性區(qū)變化主要發(fā)生在巷道的頂板,遠(yuǎn)端頂板的塑性區(qū)較弱,隨著墻體寬度的增長,巷道頂板的塑性區(qū)與左端巖體的塑性區(qū)不斷進(jìn)行交替變化。墻體受力破壞基本區(qū)域基本發(fā)生在巷道頂?shù)装甯浇?以剪切破壞為主,同時(shí)伴有部分區(qū)域的張拉破壞。通過對墻體塑性破壞進(jìn)行分析,墻體寬度在1.0～1.4 m時(shí),墻體內(nèi)部破壞形式較為復(fù)雜,既發(fā)生了剪切破壞,又發(fā)生了張拉破壞,墻體寬度為1.6 m時(shí)只發(fā)了剪切破壞,當(dāng)墻體寬度為 1.8～2.0 m時(shí),塑性區(qū)破壞范圍增加,同時(shí)出現(xiàn)了不同的破壞形式。

圖4 釆動影響下不同混凝土墻寬度塑性區(qū)分布圖

通過上述模擬結(jié)果的分析對比,得出采動影響下混凝土墻承力的最優(yōu)寬度。當(dāng)混凝土墻體寬度為1.6 m時(shí),隔離墻體應(yīng)力集中程度最小,具有較好的承載能力,并且在采動影響下不易發(fā)生塑性破壞而失穩(wěn),巷道周圍巖體的承力特性也較為穩(wěn)定。因此判斷出合理的隔離墻體寬度為1.6 m。

3 柔模泵注混凝土墻技術(shù)及材料配比

柔模泵注混凝土主要是采用泵送方式將礦用高性能混凝土注入柔性模板內(nèi),利用柔性模板透水不透漿的特性和泵壓使混凝土接頂,主動支撐頂板。這就要求混凝土必須具有很大的流動性,同時(shí)又不能對削弱其設(shè)計(jì)強(qiáng)度,這使得柔模泵注混凝土與普通的混凝土設(shè)計(jì)有所不同。該技術(shù)要求在保證流動性的同時(shí)也要加大水泥的用量,還要求混凝土輸送階段不產(chǎn)生離析、不沁水,混凝土硬化后要求有良好的穩(wěn)定性,要達(dá)到工程要求的力學(xué)和變形性能[13]。因此,澆筑隔離墻混凝土要滿足密實(shí)、快硬、早強(qiáng)、高強(qiáng)等要求。主要材料為水泥、砂、粉煤灰和石子,與其他混凝土相比,柔模澆筑混凝土材料需要滿足以下要求。

(1)含砂率較大,通常為混凝土總量的45%～50%。

(2)骨料的粒徑應(yīng)符合輸送管徑和柔模厚度,通常最大粒徑在20 mm以下。

(3)混凝土水灰比取0.5～0.6為宜。

(4)混凝土坍落度宜為180～200 mm。

結(jié)合上述要求,對1 m3混凝土配比進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。依據(jù)多次試驗(yàn)結(jié)果,柔?；炷恋呐浔纫姳?。經(jīng)試驗(yàn)測定,該混凝土坍落度大于180 mm,擴(kuò)展度大于450 mm,滿足要求。

柔模泵注混凝土結(jié)構(gòu)是以三維紡織纖維柔性材料縫制,內(nèi)部的承力結(jié)構(gòu)為模內(nèi)充填體,采用礦用高性能混凝土作為模內(nèi)充填體。隨后,采用雙拉錨栓對軸向力產(chǎn)生的橫向變形進(jìn)行約束。整體為封閉的三維紡織結(jié)構(gòu),內(nèi)部設(shè)有橫斜拉筋,外形與墻體相同。為了灌注方便,其上還需設(shè)有灌注口和固定裝置。通過上述支撐結(jié)構(gòu)的構(gòu)建,柔模泵注混凝土結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中能夠具有結(jié)構(gòu)簡單、輕質(zhì)高強(qiáng)、施工方便等特性,并且該結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于礦山隔離墻砌筑工藝中。因此,針對本文所采取的無煤柱開采技術(shù),對混凝土墻的規(guī)格進(jìn)行設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)柔性模板尺寸為:長3.0 m,寬1.6 m,高4.0 m。每個(gè)柔性模板接頂模板上設(shè)置3個(gè)植筋孔,孔間距1 000 mm。設(shè)置5排錨栓孔,每排布置4個(gè)錨栓孔,錨栓孔間排距為750 mm×750 mm。柔性模板結(jié)構(gòu)示意如圖5 所示。

1—主體模板; 2—接頂模板; 3—橫向翼緣; 4—豎向翼緣; 5—灌注口; 6—錨栓孔; 7—預(yù)留孔; 8—植筋孔; 9—橫向拉筋; 10—斜拉筋; 11—套筒; 12—加筋環(huán)圖5 三維柔性模板示意圖

4 工程應(yīng)用

在布置下區(qū)段工作面回風(fēng)巷時(shí),巷道按寬斷面掘進(jìn),并進(jìn)行永久支護(hù),滯后掘進(jìn)工作面一定距離澆筑混凝土隔離墻并沿煤幫擴(kuò)巷,將巷道隔離成回風(fēng)巷和瓦斯巷,同時(shí)每隔一個(gè)周期來壓留設(shè)聯(lián)絡(luò)巷,并及時(shí)用擋風(fēng)裝置將聯(lián)絡(luò)巷密封。巷道掘進(jìn)過程中,新鮮風(fēng)流由回風(fēng)巷進(jìn)入,再由瓦斯巷排出;當(dāng)工作面回采時(shí),將采空區(qū)聯(lián)絡(luò)巷打開,風(fēng)流由進(jìn)風(fēng)巷流入,污風(fēng)由回風(fēng)巷排出,并在瓦斯巷設(shè)立獨(dú)立配風(fēng)系統(tǒng),將采空區(qū)和鄰近煤層的瓦斯由瓦斯巷排出,工作面回采完成后,將混凝土隔離墻做巷旁支護(hù),并保留瓦斯巷為下一工作面服務(wù),既解決瓦斯排放問題又實(shí)現(xiàn)了無煤柱開采。

通過與原有煤柱護(hù)巷對比可知,寬巷掘進(jìn)方案取消了區(qū)段護(hù)巷煤柱,可多采出煤炭資源3.02萬t。雖然兩種方案的實(shí)際效益相差不大,但寬巷掘進(jìn)方案購買的設(shè)備可以多次使用,既能保證正常的礦井采掘接續(xù),降低礦井生產(chǎn)的不均衡性,也有利于防治瓦斯通風(fēng);而原有方案容易造成礦井采掘接續(xù)緊張,不利于治理高瓦斯礦井。從整體上看,寬巷掘進(jìn)具有更好的綜合效益。

具體工藝過程如下:

第一步:按設(shè)計(jì)先掘膠帶運(yùn)輸巷,巷寬7 600 mm,巷高4 000 mm,并進(jìn)行永久支護(hù)。

第二步:頂板條件較差時(shí),距巷道右?guī)?.5 m位置打設(shè)兩排“單體液壓支柱+鉸接頂梁”做臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù),滯后工作不超過20 m。滯后掘進(jìn)設(shè)備50 m以上澆筑鋼筋混凝土條形基礎(chǔ),基礎(chǔ)寬度2 000 mm,基礎(chǔ)埋置深度600 mm。

第三步:鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)能夠充分承載后,在其上澆筑柔模混凝土隔離墻,寬度1 600 mm,與左煤幫間隙2 000 m。每隔80～100 m連續(xù)墻預(yù)留 1.6 m 寬的橫貫,澆筑隔離墻后運(yùn)輸巷寬度變?yōu)?4 000 mm。 在混凝土隔離墻充分承載后,撤除“單體液壓支柱+鉸接頂梁”。

第四步:在混凝土隔離墻澆筑完成后擴(kuò)巷,擴(kuò)巷寬度2 000 mm,高度4 000 mm,形成下一個(gè)工作面的輔助運(yùn)輸巷,并進(jìn)行永久支護(hù)。工業(yè)流程如圖6 所示。

圖6 煤巷內(nèi)預(yù)設(shè)混凝土墻工業(yè)流程圖

當(dāng)巷道跨度(寬度)大于或等于5.5 m,側(cè)壓力系數(shù)≤1;或者跨度大于或等于5 m,側(cè)壓力系數(shù)>1時(shí),巷道定義為大跨度巷道。因此大跨度巷道的寬度臨界值是5.5 m,當(dāng)巷道寬度超過臨界值,頂板就會出現(xiàn)撓曲變形增大,出現(xiàn)離層,圍巖強(qiáng)度顯著降低,巷道變形破壞加重,導(dǎo)致巷道支護(hù)困難。這就致使此處采用一次成巷的錨索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)形式無法有效控制圍巖 變形,則需要對巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行一定的優(yōu)化。根據(jù)對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析,對巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行分析。初步確定巷道支護(hù)采用“隔離墻+錨桿+錨索+鋼筋梁+錨網(wǎng)”的多位一體聯(lián)合支護(hù)形式,巷道支護(hù)設(shè)計(jì)如圖7所示。該支護(hù)方式的應(yīng)用,能夠有效維持巷道圍巖的穩(wěn)定變形。

圖7 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)圖

5 結(jié)論

針對高瓦斯礦井瓦斯排放問題和雙巷布置系統(tǒng)煤柱尺寸較大造成的資源浪費(fèi),本文以亞美煤礦為工程背景,通過數(shù)值模擬分析了設(shè)置不同寬度的隔離墻成巷對圍巖應(yīng)力和塑性區(qū)的影響,主要得到一些結(jié)論。

(1)工作面回采后墻體內(nèi)的最大垂直應(yīng)力均發(fā)生在墻體右側(cè),且隨混凝土墻體寬度的增大,墻體內(nèi)的垂直應(yīng)力峰值呈現(xiàn)出先增大后減少的趨勢。

(2)當(dāng)留設(shè)煤柱小于1.6 m時(shí),墻體內(nèi)部的垂直應(yīng)力較大,當(dāng)墻體寬度為1.8～2.0 m時(shí),墻體內(nèi)的垂直應(yīng)力逐漸減少,但變化幅度較少。

(3)墻體塑性區(qū)面積隨著墻體寬度的增加而增加,但范圍變化不大,墻體受力破壞基本區(qū)域基本發(fā)生在巷道頂?shù)装甯浇?以剪切破壞為主,同時(shí)伴有部分區(qū)域的張拉破壞。

(4)當(dāng)混凝土墻體寬度為1.6 m時(shí),隔離墻體應(yīng)力集中程度最小,具有較好的承載能力,且在采動影響下不易發(fā)生塑性破壞而失穩(wěn),因此合理的隔離墻體寬度為1.6 m。

(5)由于混凝土墻需要滿足密實(shí)、快硬、早強(qiáng)、高強(qiáng)等要求,采用柔模泵注構(gòu)筑混凝土墻體,確定了材料的配比,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。