胡樂天,王民廷
(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400037;2.中北煤化工有限公司色連二礦,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)
原巷充填無煤柱掘巷是沿空掘巷技術(shù)中的一個(gè)重要方向,隨著巷道支護(hù)技術(shù)的不斷發(fā)展,原巷充填無煤柱掘巷的圍巖控制技術(shù)也在進(jìn)行不斷地完善。原巷充填無煤柱掘巷,指在上區(qū)段工作面回采時(shí),利用充填材料對(duì)工作面后方擬廢棄的巷道進(jìn)行充填,待充填體穩(wěn)定后,沿充填體邊緣掘進(jìn)下區(qū)段的回采巷道。原巷充填無煤柱掘巷與留小煤柱掘巷相比,有很多優(yōu)點(diǎn),首先充填體抗壓強(qiáng)度高于煤體抗壓強(qiáng)度,具有較好的支撐性能,有利于巷道的支護(hù),其次可以實(shí)現(xiàn)無煤柱開采,減少煤炭損失。為了探索沿空巷道圍巖控制和巷旁充填技術(shù),國內(nèi)許多學(xué)者和工程技術(shù)人員做了大量研究[1-11]。本文以新莊孜煤礦62310回風(fēng)巷為工程背景,介紹了原巷充填無煤柱掘巷技術(shù)并對(duì)巷道支護(hù)效果進(jìn)行分析。
新莊孜煤礦62310回風(fēng)巷標(biāo)高為-735—-775m,該施工段位于Ⅴ線石門以南,-812m南邊界軌道石門以北。上覆B11b煤、下伏B8煤層均未采。62210工作面已收作。62310回風(fēng)巷沿著上區(qū)段62210回采巷道預(yù)充填體掘進(jìn),巷道斷面設(shè)計(jì)為直墻半圓拱形斷面,斷面尺寸為4600mm×3200mm,巷道走向長度為1400m,巷道布置在B10煤中,破頂施工。B10煤頂?shù)装鍘r性見表1。
表1 B10煤頂?shù)装鍘r性表
原巷充填無煤柱掘巷,在時(shí)間上可分為原巷充填階段和無煤柱掘巷階段;在空間上分為上區(qū)段工作面運(yùn)輸巷充填和下區(qū)段回風(fēng)巷沿著充填體掘進(jìn)。原巷充填無煤柱掘巷布置如圖1所示。
圖1 原巷充填無煤柱掘巷布置示意圖
2.1.1 充填材料的選取
充填材料的選取首先要滿足支護(hù)頂板的要求,應(yīng)具有較大的支護(hù)阻力;其次應(yīng)滿足連續(xù)快速充填的要求,充填進(jìn)度要滿足安全生產(chǎn)要求。62310回風(fēng)巷幫充填材料為高水速凝材料,有較好的力學(xué)性能,對(duì)頂板有較高的工作阻力,充填體的強(qiáng)度能達(dá)到7MPa,并具有良好的密閉性能,對(duì)采空區(qū)封閉性較好,高水速凝材料的充填全程機(jī)械化充填,人工輔以送料,極大的提高了充填效率,滿足生產(chǎn)要求。
2.1.2 充填工藝
原巷充填是在上區(qū)段工作面回采時(shí),在工作面后方廢棄巷道內(nèi)充填。上區(qū)段工作面中夜班回采,早班檢修,故充填時(shí)間定為每天早班,每天充填長度與工作面推進(jìn)度一致。
充填系統(tǒng)包括充填材料制備、充填泵的選取、充填管路敷設(shè)、模板搭設(shè),充填,高效穩(wěn)定的充填系統(tǒng)有利于提高充填進(jìn)度和充填體質(zhì)量[12]。根據(jù)上區(qū)段工作面的布置系統(tǒng),選擇2ZBYSB300~90/5~15-55型雙液注漿泵,布置在上區(qū)段工作面巷道,采用Φ100mm高壓膠管作為輸送管路將充填材料輸送到充填位置。人工立模,將充填巷道內(nèi)的浮矸遺煤清理干凈,采用厚度為20mm大板配合直徑Φ200mm木點(diǎn)柱搭設(shè)好充填模板,并在充填模板內(nèi)掛設(shè)充填袋,將高壓膠管伸入充填袋內(nèi),并用鐵絲扎好進(jìn)行充填。
2.1.3 充填體參數(shù)設(shè)計(jì)
充填體寬度和充填體工作阻力是安全成巷的重要參數(shù)。充填體寬度與充填體的工作阻力充填體寬度過大,造成施工成本過高,不利于節(jié)約成本;充填寬度過小,不能確保巷道安全施工,也不利于巷道的維護(hù)。根據(jù)62310回風(fēng)巷的地質(zhì)條件,充填體寬度和充填體所需強(qiáng)度關(guān)系見表2[13]。
表2 充填體寬度和充填體所需強(qiáng)度關(guān)系表
由表2可知,充填體寬度與充填體所需強(qiáng)度成反比例關(guān)系,充填體寬度從1m增加到3m時(shí),充填體所需強(qiáng)度下降幅度較大,寬度從3m增加到7m時(shí)充填體所需強(qiáng)度降幅逐漸減小,62310風(fēng)巷的巷幫充填體強(qiáng)度在7MPa,從安全和經(jīng)濟(jì)兩方面考慮,充填體寬度選擇3m比較合理。
根據(jù)62310巷道圍巖應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度、充填體強(qiáng)度以及各因素之間的關(guān)系,選擇合適的支護(hù)形式,降低圍巖應(yīng)力,增加圍巖強(qiáng)度,改善圍巖受力條件和賦存環(huán)境,以期可以有效地控制圍巖的變形和破壞。
1)采用主動(dòng)支護(hù)方式,沿空掘巷前,上區(qū)段采空區(qū)周圍巖層運(yùn)動(dòng)已經(jīng)穩(wěn)定,沿空掘巷后破壞了原有的平衡,巷道周圍的煤巖出現(xiàn)新破壞區(qū)、塑性區(qū),通過錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù),減少圍巖變形的增長。
2)中空注漿錨索加錨桿、錨索耦合支護(hù),增大巷道圍巖強(qiáng)度,使巷幫充填體與巷道圍巖形成一個(gè)整體,優(yōu)化巷道圍巖和巷幫充填體的受力條件和賦存環(huán)境,提高巷道圍巖穩(wěn)定性。
3)采用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨桿,根據(jù)組合拱理論[14]:在拱形巷道圍巖破壞區(qū)和塑性區(qū)安裝預(yù)應(yīng)力錨桿,從桿體兩端起形成圓錐形分布的壓應(yīng)力區(qū),如果錨桿間距足夠小,各個(gè)壓應(yīng)力圓錐體相互交錯(cuò),那么巷道圍巖形成一個(gè)均勻的壓縮帶,壓縮拱里面的煤巖處于三向應(yīng)力狀態(tài),圍巖強(qiáng)度提高,支撐能力增大。
2.3.1 錨桿支護(hù)
巷道支護(hù)采用IV級(jí)左旋無縱筋專用螺紋鋼加工而成的高性能錨桿,尺寸為Φ24mm×2500mm,間排距800mm×900mm,每排13根錨桿,采用3支Z2560新型全長樹脂錨固劑進(jìn)行全長錨固,錨桿預(yù)緊力矩不低于180N·m,頂部錨桿錨固力不低于100kN,幫部錨桿錨固力不低于80kN。
2.3.2 錨索支護(hù)
巷道頂部錨索采用Φ22mm×6300mm高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線,間排距為900mm×900mm,中空注漿錨索規(guī)格為Φ22mm×4300mm,布置在巷道上幫肩窩處,每排4根普通錨索和1根中空注漿錨索,每根錨索采用3支Z2355中速樹脂藥卷錨固,錨索預(yù)緊力120kN,錨固力不低于200kN,錨索錨固段生根在穩(wěn)定巖層1m以上。
2.3.3 網(wǎng)片、托盤及鋼帶規(guī)格
鋼筋網(wǎng)規(guī)格為1800mm×1200mm,塑網(wǎng)規(guī)格為1000mm×2000mm,塑網(wǎng)布置在巖面與鋼筋網(wǎng)之間。鋼筋網(wǎng)之間采用W4型鋼帶壓茬;錨桿托盤采用高強(qiáng)托板,規(guī)格為150mm×150mm×12mm;承載能力不低于錨桿體極限拉斷力;錨索托盤規(guī)格為300mm×300mm×16mm;W鋼帶規(guī)格:采用W4-280型鋼帶護(hù)頂,長4900mm。
為了研究對(duì)巷道支護(hù)效果的評(píng)價(jià),對(duì)63210回風(fēng)巷進(jìn)行布點(diǎn)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容為巷道圍巖表面位移、頂板離層。對(duì)多種監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析和互相驗(yàn)證,確保監(jiān)測(cè)信息的可靠性,用以對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化,判斷施工方案的合理性,指導(dǎo)后續(xù)施工[10]。
為了更真實(shí)的反映巷道掘進(jìn)下的圍巖變形和支護(hù)工作載荷,監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)在巷道撥門施工3~5m時(shí)開始安設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),此后沿著巷道掘進(jìn)每隔50m安設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),收集了3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的巷道圍巖表面位移、頂板離層數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)內(nèi)容見表3。
1)巷道表面位移隨著開挖時(shí)間的變化。巷道表面位移的變化情況是巷道支護(hù)穩(wěn)定的表現(xiàn),在巷道掘進(jìn)期間,巷道表面不可避免的產(chǎn)生位移,其原因是巖石自重應(yīng)力和開挖產(chǎn)生的圍巖應(yīng)力引起的。采用十字布點(diǎn)法,對(duì)巷幫和頂?shù)孜灰七M(jìn)行監(jiān)測(cè),本次收集了3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),巷道表面位移與時(shí)間關(guān)系如圖2所示。
表3 巷道礦壓監(jiān)測(cè)
圖2 巷道表面位移與時(shí)間關(guān)系圖
由觀測(cè)數(shù)據(jù)可知,在巷道掘進(jìn)后10d之內(nèi)巷道掘進(jìn)后表面位移變化較大,主要由于巷道煤巖體發(fā)生膨脹造成表面位移增加,巷道頂板表面位移達(dá)到20mm,巷道兩幫表面位移達(dá)到30mm,隨著錨桿、錨索和中空注漿錨索發(fā)揮支護(hù)作用,巷道表面位移不受掘進(jìn)影響,主要是受到巖石流變的影響,其變化量很小并且趨于穩(wěn)定,最終巷道頂板表面位移穩(wěn)定在50mm左右,巷道兩幫表面位移穩(wěn)定在50mm左右,說明錨網(wǎng)索支護(hù)有效的控制巷道頂板和幫部的圍巖變形,巷幫充填體強(qiáng)度滿足支撐頂板的要求。巷道底鼓變形量在整個(gè)觀測(cè)期間為80~200mm,其變形量大的原因是直接底為泥巖,圍巖強(qiáng)度弱;其次是底板未采取支護(hù),巷道圍巖運(yùn)移是按照最省力的方式運(yùn)行,故底板變形量比幫頂高。從整個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)來看,巷道表面位移變形量不大,巷道斷面收縮率在11%以下,巷道支護(hù)效果良好。
2)巷道頂板離層位移監(jiān)測(cè),巷道頂板離層指示儀可以測(cè)試巷道頂板內(nèi)部的位移變化,也反映出巷道頂板壓力狀況。故此次頂板離層位移監(jiān)測(cè)設(shè)置淺基點(diǎn)和深基點(diǎn)來觀測(cè)頂板沉降值,淺基點(diǎn)布置在巷道頂部2.5m深的砂質(zhì)泥巖里,其監(jiān)測(cè)錨桿長度范圍以內(nèi)的頂板離層情況,深基點(diǎn)布置在巷道頂部6.5m深的砂巖里,其監(jiān)測(cè)錨索長度范圍內(nèi)的頂板離層情況,其巷道頂板離層與時(shí)間關(guān)系如圖3所示。
圖3 巷道頂板離層位移與時(shí)間關(guān)系圖
巷道頂板離層量的大小不僅取決于頂板巖石自重作用因素,還應(yīng)考慮錨網(wǎng)索支護(hù)對(duì)其的控制作用,巖石自身因素是客觀的,無法改變,因而錨網(wǎng)索支護(hù)則控制頂板離層的關(guān)鍵,頂板離層量的大小反映了支護(hù)效果的好壞。由圖3可知,巷道開挖以后巷道頂板離層位移隨著掘進(jìn)天數(shù)的推移都有不同程度的增加,淺基點(diǎn)和深基點(diǎn)的離層位移在5~20mm之間,并且在掘進(jìn)40~50d后趨于穩(wěn)定,說明巷道支護(hù)效果良好,錨網(wǎng)索支護(hù)和充填體的承載能力得到充分發(fā)揮;深基點(diǎn)頂板離層量包含了淺基點(diǎn)頂板離層量,由圖3(a)、(b)比較可以得出,深基點(diǎn)到淺基點(diǎn)之間未發(fā)生離層現(xiàn)象,說明錨索充分發(fā)揮了懸吊作用,同樣也說明巷道開挖后,巷道頂板的基本頂未發(fā)生離層,巷道離層主要在直接頂段,反映了巷道錨網(wǎng)索支護(hù)對(duì)頂板離層起到了良好的控制。
1)原巷充填無煤柱掘巷實(shí)現(xiàn)煤層無煤柱連續(xù)開采,消除了上下區(qū)段間小煤柱應(yīng)力集中,提高了資源回收,減少煤炭開采損失,連續(xù)機(jī)械化原巷充填,減少人工勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了充填效率,滿足了生產(chǎn)接替要求。
2)合理的充填體寬度與強(qiáng)度既能夠有效的控制上覆頂板巖層下沉,減小頂板離層量,又能夠防止因頂板壓力過大造成充填體失穩(wěn)破壞,解決了沿空掘進(jìn)支護(hù)難的問題。
3)采用錨桿、錨索、中空注漿錨索和鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù),使巷道圍巖形成一個(gè)整體,提高巷道圍巖強(qiáng)度,減少了巷道圍巖變形,使巷道在掘進(jìn)期間處于穩(wěn)定狀態(tài)。