高水材料墩柱沿空留巷技术研究.doc

高水材料墩柱沿空留巷技术研究摘要： 为了有效地控制了巷道围岩变形、降低工作面上隅角和回风顺槽的瓦斯浓度，减小回风顺槽的通风阻力，提出了采用高水材料构筑墩柱沿空留巷这一种新型的留巷方法。采用理论分析和现场实践相结合的方法，对墩柱沿空留巷力学模型、墩柱承载能力、墩柱抗侧推能力、巷内围岩控制、充填系统、施工工艺等关键技术进行了系统的研究。工业试验结果表明：高水材料墩柱沿空留巷技术取得了良好的经济、技术和社会效益，具有广阔的推广应用前景。关键词：双U型通风；高水材料；墩柱；沿空留巷 沿空留巷具有突出的技术和安全优势，我国从薄煤层到厚煤层、从缓斜煤层到急倾斜煤层，均有沿空留巷的成功经验。沿空留巷的关键是沿空一侧巷旁支护体的材料和性能的选择,要求增阻速度快,并具有合理的支护阻力能切落一定高度的顶板,具有较大的变形量适应沿空留巷剧烈变形,同时希望巷旁支护成本低廉,这些特性推动着巷旁支护技术的发展。高水材料巷旁充填沿空留巷技术由于其在采煤生产中具有施工工艺简单、易于操作、支护强度高、巷道收敛变形小等优点，而愈来愈受到采矿界的高度重视, 并逐步得到推广应用。本文基于对高河能源有限公司E1302工作面回风顺槽的变形破坏分析，以课题组采用高水材料巷旁充填沿空留巷工程实践为背景，重点研究墩柱沿空留巷围岩控制技术，取得了良好的工程试验效果。1 工程条件分析1.1 工程概况高河能源有限公司为高瓦斯矿井，为降低工作面上隅角和回风顺槽的瓦斯浓度，在增加工作面配风量的同时，配备一条专用瓦斯排放巷，形成两进两回的“双U”型通风，“双U”型巷图1-1 “双U”型巷道布置方式平面位置关系道布置方式平面位置关系如图1-1所示。为避免工作面上隅角及回风顺槽瓦斯超标，在工作面采过后将工作面后方至联络巷之间的一段回风顺槽保留下来，分流回风顺槽中瓦斯含量，当工作面推进到下一个联络巷时，密闭原先采空区后方的联络巷、打开下一个联络巷，两个联络巷之间所保留的巷道即完成任务。高河能源有限公司E1302回采工作面为东一盘区首采面，周边均为未采区，北面接+450m水平东翼进风大巷、辅运大巷及胶带大巷。E1302工作面巷道布置如图1-2所示.图1-2 E1302工作面巷道布置图高河能源有限公司以往在工作面后方的回风顺槽留巷时，采用木垛进行护巷，导致坑木消耗量大，同时，在采空区后方回风顺槽顶板旋转下沉作用下，支护强度较低的木垛易发生失稳破坏，堵塞留巷，影响上隅角瓦斯向瓦排巷顺利排放。因此，在保证通风的情况下，研究采用凝结快、强度高、稳定性好的高水材料进行留巷，是十分必要的。1.2 工程岩体特性高河能源有限公司E1302工作面回采的3#煤层赋存于二叠系下统山西组（P1s），距9#煤层55.72 m79.70m，为陆相湖泊型沉积。煤层厚度较稳定，局部出现煤层厚度增加、倾角变大现象，煤厚5.8m7.2m，平均厚度6.5m。该工作面内煤层倾角314，工作面平均角度8，工作面埋深400m左右。全煤间夹有一层炭质泥岩夹矸，厚度0.37m1.00m。E1302工作面3#煤层顶底板围岩特征如表1-1所示，E1302工作面回风顺槽支护方案如图1-3所示。顶底板名称岩石名称厚度（m）岩 性 特 征老顶细砂岩、粉砂岩3.111.7灰色，薄-中厚层状，以砂岩为主，局部夹砂质泥岩，含碳屑。直接顶砂质泥岩3.854.40灰黑色-暗灰色，薄-中厚层状，夹细砂条带，具板状水平层理。伪顶泥岩0.10.4灰黑色，薄层状，水平层理，局部含炭质碎屑。直接底粉砂岩0.250.35深灰色，薄-中厚层状，含植物化石，含砂岩包体。老底中砂岩、砂质泥岩2.3510.25灰黑色-灰绿色，薄-巨厚层状，含植物化石，平行层理均匀。表11 3#煤层顶底板围岩特征图1-1 E1302工作面回风顺槽支护布置图2 高水材料墩柱沿空留巷技术2.1 高水材料简介高水材料是一种能在高水灰比条件(W/C=1.3:13:1)下快速凝结的特种水泥，与一般的水泥类材料相比，高水材料凝结时间短，早期强度高并可调，通过改变水灰比和添加剂成分就能获得不同强度的凝结体，可以满足不同工程的需要，且高水材料具有突出的塑性特征，在载荷达到峰值强度后，高水材料并不立即完全破坏丧失承载能力，而是随着应变的进一步加大，承载能力呈缓慢下降变化，承载能力随应变增加缓慢下降的速度远小于一般的混凝土和岩石材料，在压力作用下可以允许较大的塑性变形，强度衰减比较缓慢，可以维持较高的残余强度。高水材料的这种水化硬化反应过程可描述如下：强度硬化体胶凝固化水化溶解乙料水化溶解甲料高水速凝材料2.2 墩柱支护技术墩柱结构设计过程中采用钢筋网内放置充填袋，充填袋充填高水材料方式构筑而成，墩柱外套铁丝网结构及充填袋如图所示。 图2-1 墩柱外套结构图图2-2 充填袋由于墩柱将承受顶底板移近传递的载荷，因此墩柱结构上必须具有一定的支护阻力和可缩性。高水材料形成的充填体结构本身就具有一定的可缩量，且钢筋网在结构上并没有形成一个封闭的空间结构，当顶板给予墩柱一定压力时，管内高水材料充填体发生碎胀变形，破碎后的充填体发生压缩变形，在钢筋网破断前的承载范围内，充填结构依然具有一定的可缩量。设高水材料满足摩尔-库仑破坏准则，随着顶板压力的增加，管内充填料产生横向变形，材料与钢筋结构的相互作用力也相应增加，即材料围压增大，所带来的效应是材料的强度增加，当压力大到一定程度，钢筋结构发生冲切破坏（图2-3），这就说明其可缩性也是有一定限度的。图2-3 高水材料破坏原理2.3 墩柱参数确定墩柱支护参数的选择应使本区段工作面回采稳定以后墩柱仍具有一定承载能力，且保证E1302工作面后方两个联络巷之间60m内回风顺槽具有一定的有效通风断面，保证工作面通风顺畅。（1） 墩柱强度确定根据该工作面上覆岩层结构特点及井下施工条件，综合考虑E1302工作面回风顺槽试验巷道的巷旁墩柱支护体的抗压强度要求和经济效益，通过调节水灰比来改变巷旁支护体强度，满足工程强度要求，最终选用高水材料的水灰比为1.5：1。（2） 墩柱直径确定墩柱直径选取应保证本区段工作面回采以后，E1302工作面回采稳定以后墩柱仍具有一定承载能力为宜，墩柱直径过小会造成墩柱承载能力减小，墩柱直径过大造成资源浪费，使支护成本增高，因此墩柱应具有一个合理的直径既能保证一定的承载能力又可以节约成本。根据理论分析，采用直径为850mm、中心距为1650mm的墩柱能满足使要求。采用数值模拟在保持墩柱中心距为1650mm不变的情况下，分别模拟墩柱直径650mm、850mm、1050mm时巷道围岩变形量及墩柱变形量如图2-4所示。考虑到生产成本，最终确定墩柱的合理直径应取850mm。图2-4 巷道围岩及墩柱变形量（3） 墩柱间距确定如果墩柱间距过大，墩柱无法与顶底板形成统一的承载结构，使墩柱承载能力降低，不利于巷道顶底板的维护；如果墩柱间距过小，不仅给墩柱施工带来一定的影响，而且过于密集的墩柱使高水材料与钢筋网的用量增加，造成巷道支护成本增加，因此，墩柱除应具有合理的直径外，还应具有合理的间距。数值计算过程中，分别取墩柱中心距1450mm、1650mm、1850mm架设墩柱，计算不同墩柱间距下巷道围岩及墩柱自身的变形量，从而选取较为合理的墩柱间距。计算完成以后，巷道围岩、墩柱变形量与墩柱间距间的关系如图2-5所示。由此看出，墩柱中心距应控制在1650mm一下为宜，考虑到施工方便，墩柱合理中心距确定为1650mm。图2-5 巷道围岩及墩柱变形量根据以上分析，得出墩柱充填体合理的尺寸及间距分别为850mm和1650mm，如图2-6所示。图2-6 充填体尺寸及间距示意图为防止墩柱侧向变形，使用打设戗柱的方法来减少侧向推力对墩柱的影响，经计算得到至少应采用2根水平戗柱，考虑一定的富余系数及水平戗柱受力的不均匀性，现场采用3根水平戗柱防止墩柱侧向变形：靠底板水平打设1根，向上1.8m打设1根，再向上1.2m打设1根。2.4 墩柱充填施工工艺高水材料出厂后分为甲料、乙料、加甲料及加乙料四部分，制浆时加甲料与甲料混合形成甲料浆，加乙料与乙料混合形成乙料浆，需要分别加水搅拌输送，在充填点混合。充填系统：搅拌桶分别搅拌甲料浆、乙料浆，双液充填泵分别对两种浆液加压，双趟高压管路输送浆液，在回采工作面后方留巷位置充填到充填袋内混合、凝固。甲料浆、乙料浆按1:1的比例配合使用，为防止浆液在搅拌、运输过程中凝结、堵塞管路和充填泵等设备，需分别搅拌和泵送甲料浆、乙料浆。因而，应采用双液充填工艺，其流程见图2-7所示。图2-7 沿空留巷充填工艺流程图3 矿压监测及监测结果分析3.1 矿压监测内容及测站布置为了更好地对回风顺槽墩柱沿空留巷和木垛沿空留巷的围岩变形规律进行对比分析，根据E1302工作面回风顺槽现场实际情况设置了6个测站，在墩柱沿空留巷侧和木垛沿空留巷侧分别设置3个测站，对巷道表面位移进行了观测。 局限于矿压观测工具，此次矿压观测内容主要是观测回风顺槽的顶底板位移量及墩柱变形量。具体测站布置平面示意图如图3-所示。图3-1 具体测站布置平面示意图3.2 矿压监测结果分析巷道顶底板位移是巷道墩柱支护体变形规律最直观的反映，而顶底板位移量则是围岩应力变化的宏观体现。根据对测站观测数据处理，巷道顶底板相对移近量、墩柱变形量与距工作面距离的关系，巷道顶底板相对移近速率、墩柱变形速率与距工作面距离的关系分别如下图所示。（a）相对移近量与距工作面距离的关系（b）相对移近速率与距工作面距离的关系图3-2 工作面回采期间巷道及墩柱变形曲线由于在同一巷道内，木垛侧测站1和墩柱侧测站6巷道顶板移近量主要受工作面的采动影响，因此矿压观测数据仅分析木垛侧测站1和墩柱侧测站6在距工作面距离相同情况下的变形规律。由图可知，在相同的地质条件和与工作面等距相等的情况下，墩柱的顶底板相对位移量显著小于木垛，且墩柱自身的变形量不大。因此，从目前的数据观测、巷道控制效果及墩柱变形破坏情况来看，采用墩柱留巷能有效地控制巷道围岩变形，且E1302工作面后方回风顺槽留巷满足使用要求。3.3 墩柱沿空留巷支护效果图片如图为E1302工作面后方回风顺槽墩柱留巷效果的现场照片。从图中可以看出，墩柱整体浇注、接顶效果好，巷道收敛变形小，采用墩柱留巷达到了预期的目的，取得了满意的效果。(a)墩柱对顶板支护效果 (b)留巷效果图3-3 墩柱留巷效果照片参考文献：1 华心祝.我国沿空留巷支护技术发展现状及改进建议J.煤炭科学技术,2006,34（12）:78-80.2 权景伟，柏建彪，种道雪.沿空留巷锚杆支护技术研究与应用J.煤炭科学技术，2006,34（12）：60-61.3 柏建彪，周华强，侯朝炯.沿空留巷巷旁支护技术的发展J.中国矿业大学学报，2004,33（2），184-185.4 高清雯.高水材料在煤层注水封孔技术中的应用研究J.中国矿业，2009,18，（8），103-105.5 杨晓红，马步才，樊少武. 沿空留巷 Y 型通风瓦斯治理效果分析J.煤炭科学技术，2011,39（7），46-48.6 李化敏.沿空留巷顶板岩层控制设计J.岩