史紅邈

(潞安集團余吾煤業(yè)有限責任公司,山西省長治市,046102)

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高瓦斯礦井瓦排巷墩柱式支護技術研究

史紅邈

(潞安集團余吾煤業(yè)有限責任公司,山西省長治市,046102)

摘 要高瓦斯礦井綜采工作面的瓦排巷二次支護采用木垛支護,存在承載力低、巷道變形嚴重、通風效果差等一系列問題,針對這些問題提出采用聚苯乙烯泡沫(EPS)混凝土墩柱式巷道支護技術,并在余吾煤業(yè)N2202工作面的外錯瓦排巷進行了工業(yè)現(xiàn)場試驗。結果表明采用墩柱式支護的巷道頂?shù)装逡平枯^小,巷道圍巖變形小,支護效果明顯強于木垛支護;墩柱式支護具有重量輕、承載力大、抗壓強度大的特性,且其耐久性和耐燃性都強于木垛支護。介紹了墩柱的結構、材料、抗壓性能及應用效果。

關鍵詞高瓦斯礦井 巷道支護 瓦排巷二次支護 墩柱式 輕質混凝土

Research on pier column supporting technology for gas discharge laneway of high gas mine

Shi Hongmiao
(Yuwu Mining Industry Co.,Ltd.,Lu＇an Group,Changzhi,Shanxi 046102,China)

Abstract Currently,wood cribs were used for the secondary support of gas discharge laneway in fully mechanized working face of high gas mine,but their bearing capacity was low,the roadway deformation was serious and the ventilation effect was bad.Aiming at these problems,the roadway supporting technology of concrete pier with expandable polystyrene foam was put forward,and the industrial field test was carried out in outward located gas discharge laneway of N2202 working face of Yuwu Coal Mine.The results showed that the displacement between roof and floor in pier column supporting roadway was less,the surrounding rock deformation was little,and the supporting effect was obviously better than wood crib supporting.The pier column supporting method had light weight,large bearing capacity and big compressive strength,and its durability and flame resistance were stronger than wood crib supporting.Besides,the structure,compressive property and application effects of pier column were introduced.

Key words high gas mine,roadway supporting,secondary support of gas discharge laneway,pier column type,lightweight concrete

在高瓦斯礦井中,工作面常用的U形通風方式不僅使采空區(qū)上隅角容易積聚大量瓦斯,而且采空區(qū)內(nèi)的瓦斯極易通過上隅角漏到回風巷中,使回風巷中瓦斯?jié)舛壬呱踔脸瑯?威脅礦井生產(chǎn)安全,工作面產(chǎn)量也會因此受到影響.在回風巷外側掘進一條瓦斯排放巷(以下簡稱“瓦排巷”)是治理工作面采空區(qū)上隅角積聚瓦斯的重要措施之一,瓦排巷還可以為開采鄰近工作面時服務,因此瓦排巷應具有強度高、通風好、變形小、低成本等特點.余吾煤業(yè)N2202工作面瓦排巷一次支護往往達不到支護效果,常采用木垛支護進行二次補強加固,而木垛因壓裂和潮濕空氣浸蝕會出現(xiàn)承載力大大降低,致使巷道變形嚴重、斷面減小、耐久性降低,這不僅影響巷道正常通風、降低瓦斯排放效果,而且不能為開采鄰近工作面時服務,降低了瓦排巷的使用價值.

鑒于木垛支護遇到的難題,余吾煤業(yè)創(chuàng)新性地提出一種采用聚苯乙烯泡沫混凝土的墩柱式支護技術,以期實現(xiàn)對瓦排巷進行理想的二次支護.

1　工程概況

余吾煤業(yè)位于山西沁水煤田東部中段,井田面積160.24 km2,可采儲量6.79億t,主采3＃煤層平均厚度6 m,礦井整體瓦斯含量較高.N2202工作面布置如圖1所示,傾向長280 m,走向長度1461.1 m,回風巷與瓦排巷、膠運巷道與進風巷道之間煤柱均為40 m,工作面回風巷道與瓦排巷每40 m布置一條聯(lián)絡巷,膠運巷道與進風巷道每240 m布置一條聯(lián)絡巷,工作面開切眼采用主輔切眼方式布置.N2202工作面前方的16?！?3＃聯(lián)絡巷之間的瓦排巷作為墩柱式支護的試驗段.

圖1　N2202工作面布置

2　墩柱結構及抗壓性能

墩柱式支護借鑒了巖土工程中應用較多的鋼管混凝土支護技術.墩柱采用空心的無縫鋼管作為外殼,鋼管外徑650 mm,壁厚3 mm,鋼管內(nèi)密實填裝研發(fā)的輕質聚苯乙烯泡沫(以下簡稱EPS)混凝土材料,鋼管兩端密閉封裝.墩柱剖面結構見圖2.

輕質EPS混凝土材料包括水泥、膨脹性聚苯乙烯(EPS)泡沫顆粒、可再分散乳膠粉、發(fā)泡劑、聚丙烯纖維和水.水泥、EPS顆粒、膠粉、發(fā)泡劑、聚丙烯纖維、水,他們的配比為174∶9.6∶3.4∶0.12∶0.2∶34.8.選用聚苯乙烯泡沫作為輕骨料可以減輕墩柱的重量,成型墩柱高2.5 m、直徑0.65 m,總重僅為435 kg;EPS混凝土在成型過程中配制膠粉作為粘合劑,改良EPS顆粒與水泥漿的粘合性,改善混凝土的力學性能;原料中需加入一定量的發(fā)泡劑,通過攪拌使EPS顆粒之間的水泥漿形成細密的氣泡,降低漿體流動性,改善混凝土性狀;適當摻入一定量的纖維,并攪拌使纖維能夠錯綜分布于混凝土中,可以改善混凝土在承載時的力學特性,這樣不僅增加了抗壓強度,還可提高劈裂抗拉強度,使混凝土在壓縮時具有良好的塑性.

圖2　墩柱剖面結構示意圖

成型的墩柱抗壓強度－形變曲線如圖3所示,墩柱承載能力最大約為300 t,不僅具有較大的承載能力,相當于木垛承載力的十幾倍;且還具備良好的延性,當墩柱持續(xù)承受最大荷載時,能夠繼續(xù)保持變形.

圖3　抗壓強度－形變示意圖

3　巷道墩柱式支護技術

3.1墩柱安設布置

本次試驗墩柱安裝于北二采區(qū)的N2202工作面外錯瓦排巷中,巷道頂板為巖層,底板為煤層,試驗支護段自23＃聯(lián)絡巷處至16＃聯(lián)絡巷處.試驗段長約280 m,巷高大部為3.2～3.4 m,局部段低至3 m、高至3.8 m,在墩柱上下墊支木板(視巷道高低不同,墊1層枕木或2層枕木),將成型的墩柱豎立于巷道中,墩柱外包有木垛,墩柱與木垛間隔布置,每隔10 m安裝一墩柱,共安裝28根墩柱,兩墩柱中間打設一木垛,平面布置示意圖如圖4所示.

圖4　瓦排巷墩柱與木垛支護平面布置

3.2墩柱的運輸及安裝

墩柱的運輸安裝工藝十分簡便,從井口至回風巷有運輸系統(tǒng),可借助于運輸系統(tǒng)將墩柱運至回風巷,而在瓦排巷中沒有軌道運輸系統(tǒng),因此設計了墩柱運輸車和吊立支架,見圖5所示.墩柱從回風巷運至瓦排巷可采用運輸車運輸,墩柱運輸?shù)桨惭b地點后,采用吊立支架將墩柱豎立穩(wěn)定.墩柱運輸車移動方便,可采用人力方式進行驅動,轉向盤可以任意控制轉向,并在輪子邊緣安裝有剎車裝置;吊立支架應用滑輪滾動原理制作,可以較輕便地將墩柱吊立豎起.

圖5　墩柱運輸車及吊立支架

3.3支護效果檢測

當工作面回采至16＃聯(lián)絡巷后進行支護效果觀測,此時工作面與瓦排巷中23＃聯(lián)絡巷處的1＃墩柱之間的距離為280 m,1＃墩柱處的瓦排巷變形已進入穩(wěn)定期.由于前7根墩柱承壓期較長,具備較大的觀測價值,因此選擇1?！?＃墩柱所在處為觀測點.檢測巷道底鼓變形情況如圖6所示,巷道變形尺寸如表1所示.

圖6　巷道走向方向底鼓示意圖

表1　巷道變形尺寸

檢測結果可知,安裝墩柱的位置變形量較小,且墩柱無壓縮變形現(xiàn)象;而木垛位置處頂?shù)装逡平枯^大,底鼓較明顯,在兩個墩柱之間的木垛處形成一隆起的坡面,且木垛向一側歪斜、有劈裂現(xiàn)象.結果表明,墩柱的位置處斷面平均收縮22.2％,木垛位置處平均收縮34.3％,兩者相差12.1％,因此采用墩柱式支護達到了理想的支護狀態(tài).

3.4墩柱式支護優(yōu)點

(1)承載極限力大,是木垛的十幾倍,現(xiàn)場應用中墩柱未變形,承載力大于所受礦山壓力.

(2)斷面收縮情況和底部巷道的平整程度,墩柱都明顯優(yōu)于木垛.

(3)巷道斷面收縮下導致整體通風阻力小,能有效改善風流狀況,比木垛增大通風面積,改善通風條件.

(4)耐潮濕、不腐爛,耐久性好,可以為開拓鄰近巷道時服務.

(5)重量輕、便于運輸安裝.

4　結論

(1)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)結果和支護效果表明墩柱式支護效果明顯優(yōu)于木垛支護,采用墩柱式二次支護瓦排巷可以有效控制圍巖變形,增大巷道的通風面積,有助于上隅角瓦斯的順利排放.

(2)與木垛支護技術相比,墩柱具有重量輕、強度高、耐久性強、成本低、施工工藝簡單等優(yōu)點,工業(yè)現(xiàn)場試驗證實可以用其代替木垛二次支護瓦排巷.

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(責任編輯 張毅玲)

作者簡介:史紅邈(1975－),男,山西省武鄉(xiāng)人,工程師,從事礦井生產(chǎn)管理方面的研究和工作。

中圖分類號TD353

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