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        厚煤層堆噴混凝土沿空留巷技術(shù)研究與應(yīng)用

        2022-06-17 07:39:44韓紅兵
        煤炭與化工 2022年5期
        關(guān)鍵詞:切頂空留巷構(gòu)筑

        韓紅兵

        (冀中能源峰峰集團(tuán) 辛安礦,河北 邯鄲 056200)

        1 概況

        隨著礦井不斷開挖生產(chǎn),辛安礦已進(jìn)入資源枯竭期,為提高煤炭回收率及延長礦井服務(wù)年限,在11212-2 煤柱工作面運(yùn)料巷實(shí)施沿空留巷。辛安礦11212-2 煤柱工作面,主采2 號(hào)煤層,平均厚度4.4 m,采用綜合機(jī)械化放頂煤方法回采,走向長873 m,傾斜長166 m(平均),切眼采用摸頂掘進(jìn),臥底至大煤底板,進(jìn)行摸底安裝支架和回采。11212-2 運(yùn)料巷采用“堆噴混凝土沿空留巷”技術(shù)留巷長度770 m,成巷效果較好。

        2 堆噴混凝土沿空留巷工藝

        2.1 超前預(yù)裂爆破切頂

        在11212-2 工作面運(yùn)料巷超前支護(hù)段以外,在巷道頂板靠近采幫的肩角位置沿巷道軸向均勻布置一排切頂鉆孔。保證切頂鉆孔沿巷道軸向在同一個(gè)平面上。與水平成55°夾角施工切頂爆破鉆孔,鉆孔傾斜長度為15 m,鉆頭直徑為48 mm。從孔底開始,依次放置6 節(jié)長度為1.5 m 的聚能管和1節(jié)長度為1 m 的聚能管,每節(jié)聚能管放置4 個(gè)藥卷,1 m 長的聚能管內(nèi)放置3 個(gè)藥卷,每個(gè)切縫鉆孔內(nèi)使用4×6+3=27 卷(規(guī)格為φ32 mm×300 mm、質(zhì)量0.3 kg/卷的煤礦許用三級(jí)乳化炸藥,單孔使用聚能管7 節(jié),炸藥卷27 卷)。鉆孔剩余5 m部分,使用專用封孔炮泥封堵孔口,頂孔間距1 m。11212-2 煤柱工作面切頂爆破示意如圖1所示。

        圖1 11212- 2 煤柱工作面切頂爆破示意Fig.1 Indication of roof cutting blasting in No.11212-2 Face

        2.2 沿空留巷

        2.2.1 支護(hù)原理

        沿空留巷是由煤幫、巷旁支護(hù)及巷道上方頂板巖層所圍成的空間,留巷成功的關(guān)鍵在于保持此小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。煤系巖層為脆性材料,巷道頂板稍有離層或下沉變形就會(huì)發(fā)生斷裂破壞。

        沿空留巷圍巖由巷內(nèi)支護(hù)及巷旁支護(hù)共同承載,由于巷內(nèi)錨網(wǎng)支護(hù)能力有限,因此,必須要求巷旁支護(hù)墻體盡早形成對(duì)頂板的高強(qiáng)支撐,阻止留巷頂板離層及下沉變形,同時(shí)能夠發(fā)揮切頂柱的作用,切斷采空側(cè)的懸臂頂板,使沿空留巷的基本頂巖層在采空區(qū)側(cè)斷裂,減輕沿空巷道所承受的側(cè)向壓力。

        沿空留巷圍巖小結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示。

        圖2 沿空留巷圍巖小結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Small structure of surrounding rock in gob- side entry retaining

        2.2.2 堆噴沿空留巷工藝

        堆噴工藝是一種新型的構(gòu)筑混凝土墻體的方法,是將砂石料、水泥、JCT-1 噴射混凝土外加劑在潮濕(或干燥) 狀態(tài)下按一定比例拌和均勻后裝入噴射機(jī),用壓縮空氣將混合料沿管路輸送至噴頭處與水混合,并高速噴射至作業(yè)面,形成噴層或構(gòu)筑墻體,如圖3 所示。

        圖3 堆噴工藝構(gòu)筑巷旁墻體示意Fig.3 The sign of building roadside wall by heap spraying technology

        堆噴工藝構(gòu)筑的混凝土墻體或噴層具有如下特點(diǎn)。

        ①施工僅需構(gòu)筑簡易檔板,一次噴層厚度大,墻體成型快,無需支模和養(yǎng)護(hù);②噴層具有高粘附性,降塵封水,回彈率小于5%;③早強(qiáng)且不損失最終強(qiáng)度,終期強(qiáng)度超過C30;④接頂效果好,噴層與巖層共同承受荷載;⑤墻體具有高密度、高強(qiáng)度、微膨脹特性,密實(shí)不漏風(fēng);⑥施工設(shè)備體積小,快速靈活方便,節(jié)約了投資和勞力,施工效率較高。

        堆噴工藝構(gòu)筑沿空留巷巷旁墻體施工速度快、操作方便,不損失混凝土強(qiáng)度,成本低,符合煤礦井下安全生產(chǎn)要求。堆噴工藝筑墻的速度主要和噴射機(jī)的噴射能力有關(guān),在噴射機(jī)噴射能力滿足要求的情況下,堆噴工藝的速度可達(dá)7~8 m3/h,對(duì)提高筑墻速度,減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度,縮短工期,促進(jìn)煤礦安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

        井下現(xiàn)場做試塊,委托河北工程大學(xué)采礦工程實(shí)驗(yàn)室做單軸抗壓強(qiáng)度測試,實(shí)測得到的堆噴混凝土強(qiáng)度曲線,如圖4 所示,3 d 強(qiáng)度即可達(dá)到19.43 MPa,28 d 強(qiáng)度可以達(dá)到40.6 MPa。

        圖4 堆噴混凝土強(qiáng)度曲線Fig.4 Strength curve of pile-sprayed concrete

        2.3 堆噴混凝土沿空留巷實(shí)施方案

        (1) 留巷基本方式。超前切頂卸壓+補(bǔ)強(qiáng)錨索+堆噴巷旁墻體聯(lián)合支護(hù)。

        (2) 巷旁擋矸方式。緊跟工作面液壓支架,沿采空區(qū)邊緣開挖基礎(chǔ)坑,并打設(shè)木點(diǎn)柱擋矸,木點(diǎn)柱靠巷道內(nèi)側(cè)鋪雙層金屬網(wǎng)+風(fēng)筒布。

        (3) 留巷支護(hù)。留巷臨時(shí)支護(hù)、超前支護(hù)及滯后支護(hù)均使用單體液壓支柱+鉸接頂梁支護(hù)。

        (4) 巷旁墻體尺寸。原巷道中線高度3.2 m,堆噴巷旁墻體中心線高度2.8 m,墻體高度為3.3 m(含基礎(chǔ)坑0.5 m),墻體底部寬度為1.2m,頂部寬度為1.0 m。

        (5) 堆噴巷旁墻體。墻體靠采空側(cè)為木點(diǎn)柱+鋼筋網(wǎng)+風(fēng)筒布+鋼筋網(wǎng),墻體靠留巷側(cè)架設(shè)一層鋼筋網(wǎng),鋼筋網(wǎng)直徑為6 mm、網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm(一方面發(fā)揮構(gòu)造配筋的作用,另一方面起到控制墻體外形輪廓的作用),相鄰鋼筋網(wǎng)片與鋼筋網(wǎng)片之間重疊100 mm,并用鐵絲捆扎;沿墻體高度從底板向上均勻布置4 根長度為1~1.2 m 的橫向鋼筋,頂?shù)桌钪睆? mm,中間2 根采用直徑18 mm 的錨桿,(錨桿靠近采空區(qū)側(cè)折成彎鉤,巷道側(cè)上120 mm×120 mm×16 mm 的托盤,在中間2 排對(duì)拉錨桿上,每排順巷道再加2 趟配筋錨桿;為加強(qiáng)墻體整體性和穩(wěn)固性,配筋錨桿布置在墻體中線偏向兩側(cè)各0.2 m 處,間距0.4 m) 固定網(wǎng)片位置,沿豎直方向同一列橫向固定鋼筋的間距為1.0 m,相鄰兩列之間的排距為1.0 m,配筋與頂板底板外露錨桿用14 號(hào)鐵絲固定牢固??苛粝飩?cè)的堆噴層覆蓋鋼筋網(wǎng)片5~10 mm,墻體底部的基礎(chǔ)坑內(nèi)鋪設(shè)一層φ6 mm 鋼筋焊接的寬度為1.2 m、網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm 的金屬網(wǎng)片。

        (6) 堆噴設(shè)備及工藝。利用礦車下料至井下臨時(shí)料場處,在材料場按配合比混合好堆噴干料,混凝土噴射機(jī)在材料場通過管路輸送至施工處,緊跟采煤工作面機(jī)尾支架,堆噴作業(yè)構(gòu)筑巷旁墻體。

        (7) 留巷作業(yè)。檢修班超前爆破切頂和補(bǔ)打加強(qiáng)錨索,運(yùn)料及其他準(zhǔn)備工作。生產(chǎn)班采煤、擋矸臨時(shí)支護(hù)、滯后臨時(shí)支護(hù)、堆噴構(gòu)筑巷旁墻體。

        2.4 技術(shù)優(yōu)勢

        堆噴混凝土巷旁墻體發(fā)揮隔離采空區(qū)和支撐巷道頂板的作用,該沿空留巷技術(shù)具有墻體承載能力高、密封性好、安全可靠、施工效率高、材料來源廣泛、經(jīng)濟(jì)成本低、不受煤層厚度及采煤工藝限制等特點(diǎn),堆噴構(gòu)筑巷旁墻體可以對(duì)留巷頂板及時(shí)提供高強(qiáng)支撐,具有廣泛適應(yīng)性和推廣性。

        3 效益分析

        3.1 經(jīng)濟(jì)效益

        回收煤柱長度770 m、寬8 m,即4 萬t,創(chuàng)造價(jià)值6720 萬元。減少巷道掘進(jìn)770 m,掘進(jìn)成本4500 元/m,可節(jié)約成本347 萬元。噸煤完全成本480 元,4 萬t 原煤,生產(chǎn)費(fèi)用為1920 萬元。留巷施工成本6236 元/m,工程量770 m,總成本480萬元。多采煤炭資源價(jià)值+節(jié)約掘巷成本- 原煤生產(chǎn)費(fèi)用- 留巷施工成本=總效益4667 萬元。

        3.2 社會(huì)效益

        在煤炭資源日趨枯竭的環(huán)境下,采用無煤柱開采,可提高煤炭回收率,延長礦井服務(wù)年限,有效解決工作面銜接緊張的問題。該沿空留巷墻體支撐強(qiáng)度大,對(duì)采空區(qū)的封閉性較好,降低了巷道收斂量及采空區(qū)自燃發(fā)火的風(fēng)險(xiǎn)。該項(xiàng)目的實(shí)施,為其它工作面的設(shè)計(jì)和布置提供了新思路,為下一步的推廣使用總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)。

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