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沿空留巷
封闭模铸砌体墙沿空留巷新技术
1引言
沿空留巷能很好地实现无煤柱护巷,提高煤炭资源的采出率,延长矿井的服务年限,缓解采掘接替紧张,取消孤岛工作面及缩短搬家时间,防治发火,还可以实现Y形通风,解决工作面瓦斯超限问题等,有明显的技术和经济优势。
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,并且有合理的支护阻力能够切断一定高度的直接顶,又具有较大的变形量能够适应沿空巷道的剧烈变形,同时希望巷旁支护的成本低廉。
现阶段我国比较常用的巷旁支护方式主要有以下几种:
(1)密集支架;
(2)矸石堆;(3)砌体墙;(4)高水材料充填;(5)现浇混泥土充填。
存在的主要问题是没有完全掌握采场推进过程中上覆岩层运动和支承压力发展变化的规律,特别是没有认识到充填体不可能完全承担支承压力高峰实施转移过程和采场上覆岩层沉降过程中的强大压力。
其结果往往是充填宽度很大(3-5m),充填成本很高,出现严重的巷道底鼓(这是巷道底板岩层在两帮强大的支承压力作用下屈曲破坏的结果);而当充填材料宽度小、强度不足时,巷旁充填体将在上覆岩层沉降压力作用下迅速破坏,失去支承能力,出现老塘透风,引发老塘火灾和瓦斯爆炸事故。
沿空留巷的关键理论是围岩控制的“及时高强”。
及时性是反应在控制顶板的时间效应上,不能让顶板有过量下沉。
最大限度的控制顶板不使其产生离层性位移更好。
这和以往的让压有着本质的差别。
高强度是以往任何棚式支护根本无法达到的。
封闭模铸砌体混凝土结构具有及时高强和密封特性就能够很好的适合采煤工作面高效回采和快速留巷。
2工程地质条件
四通煤矿9705工作面属于3#煤层呈黑色,条带状构造,由半暗型煤及暗淡型煤条带组成,煤层结构简单,偶含一层0.2m的粘土岩夹矸,煤层厚度1.5~2.0m,一般在1.8m,顶板为泥质粉砂岩,底板为浅灰色泥土岩。
为了缓解采掘接替紧张问题,该矿原采用的是矸石堆垛法巷旁支护(充填)方式。
矸石堆垛法是一种看似简单经济的做法,但因为该方法不能达到及时有效支撑顶板,容易造成顶板过量下沉导致巷道不利于回采工作。
这种方式虽然材料单价低,但会消耗大量的人力,而且隔离效果很差,不利于巷道维护和防止采空区漏风与自然发火。
为了解决上述为题,提出了采用封闭铸模砌体墙沿空留巷新技术:
即将砌体干砌成到一个封闭的袋模具内形成一个袋模包裹的干砌体结构,然后通过高压将水泥浆体注入这个封闭到袋模中的干砌体的细小空隙内形成一个具有强力支撑力的新的混凝土结构。
如图1所示,充填系统如图2所示。
封闭注浆砌筑原理
图2巷旁充填系统示意图
传统的矸石充填虽然支护效果差,但具方便简单廉价特征,砌体结构虽然材料用量大,运输施工都有不便,但具有较大变形情况下的较高初撑抵抗能力。
封闭模铸砌体就是为了克服上述两种方法的缺陷产生的一种全新的隔离墙结构。
3沿空巷道支护原理
在采面过后,靠近采空侧的煤壁首先要经受比垂直地压大很多的矿压显现。
而后,经过一个时间空间的变化,采空区侧煤体内的矿压变化稳定后表现为沿煤体边缘向内的突然上升后逐渐衰减的一个曲线。
因此,无论理论上怎样描述沿空巷道的有利矿压位置。
我们应该清醒的认识到,沿空巷道在最初形成时候必然要经过一个高应力变化时间。
因此,沿空巷道的支护在设计理念上与传统的顺槽有很大的区别。
沿空侧的相似模拟提示
采空区顶部断裂线是倾斜向上发展的。
断裂线的起始位置是在煤体的煤壁。
沿空隔离墙只有足够的强度才能够承担煤壁的作用,防止采空顶板断裂扩展到巷道煤壁根部。
图311相似模拟采空区垮落规律
对图示的总结可以一句话:
一语道破天机,强度决定留巷!
3.沿空巷道上覆岩层的运动规律分析
工作面回采后,采空区直接顶岩层自下而上分层垮落,基本顶岩层的回转下沉和平移下沉。
根据沿空留巷的巷道顶板运动特征,可将沿空留巷顶板运动划分为三个过程,即直接顶的切断过程、基本顶岩梁的形成过程和基本顶岩梁的平衡过程。
(1)直接顶的切断过程
由于工作面的回采,工作面后方顶板岩层失去支撑结构,造成直接顶在自重及巷旁支护体产生的切顶阻力的作用下,从下层往上层分层逐次垮落,垮落后直接顶呈倒台阶的悬臂梁状态,与采空区矸石失去接触联系,悬臂梁重量直接作用在支护结构上。
这一过程要求巷旁支护具有一定的初始阻力以充分切断直接顶。
(2)基本顶岩梁的形成过程
随着工作面的推进,当推进步距达到基本顶周期来压步距时,基本顶岩梁弯矩达到极限值,基本顶断裂,形成基本顶岩梁。
基本顶运动过程中,由于煤体的刚度大于采空区冒落矸石的刚度,基本顶上覆岩层的重量通过直接顶逐渐转移到巷旁煤体深部,在煤体深部出现应力集中,基本顶岩梁形成过程中,顶板回转下沉,此阶段顶板变形速度快,变形量大,因此,在这个过程中要求巷旁支护具有一定的可缩量。
(3)基本顶岩梁的运动平衡过程
随着基本顶岩梁的回转下沉,冒落的矸石逐渐被压实,基本顶岩块逐渐形成由煤体、充填体及矸石共同作用的基本顶支撑体系。
在此阶段煤壁及直接顶产生破坏,支承压力范围加大,支承压力峰值进一步向煤体深部发展,巷道顶板平行下沉,为实现顶板结构的稳定性,巷旁支护必须具有一定的承载能力,以限定顶板的平行下沉。
根据沿空留巷实践经验,按采动后巷道围岩变形情况,可沿走向将巷道受影响程度划分为四个区域:
Ⅰ为超前支承压力强烈影响区、Ⅱ为采动后顶板剧烈运动区、Ⅲ为顶板运动逐渐衰减区、Ⅳ为顶板运动平衡区。
采动影响巷道围岩变形程度分布如图3.1所示。
图3.1采动影响巷道围岩变形情况
顶板结构
巷旁充填沿空留巷一侧为充填体,另一侧实体煤,上区段工作面基本顶在充填体和实体煤侧为固定边。
端头基本顶的垮落特征为:
在工作面端头部位的破断线呈弧形,形成弧形三角块B,如图3.2所示。
(a)平面示意图
(b)剖面示意图
图3.2沿空留巷与上覆岩层的结构关系
基本顶弧形三角块结构的稳定性变化过程为:
上区段工作面回采后采空区上覆岩层冒落而形成该结构、本区段工作面回采时超前支承压力对该结构的作用;其稳定性是一个从留巷前的稳定状态→留巷期间的扰动→留巷后的工作面采动影响稳定状态的动态响应过程;其稳定状况主要可分为承载前期和承载后期两个阶段。
力学模型的建立
根据研究和实际观测,建立沿空留巷巷旁充填围岩结构力学模型,如图3.3所示。
图3.3沿空留巷力学结构示意图
模型建立前提包括:
假设直接顶沿巷旁支护体外侧断裂,老顶深入巷帮煤体深部断裂;巷道上覆岩层最初以煤体内部弹塑性交界处垂直线为轴旋转下沉;
老顶上部岩层重量均匀加在老顶上,老顶的端部岩梁块段B的长度即工作面周期来压步距;
在巷旁临时支护和永久支护作用下,下位直接顶沿充填体外侧被切断,其余各层由下往上以垮落角角度向采空区延伸;
只考虑巷旁支护阻力,巷内支护阻力忽略;
在巷道覆岩活动中,巷旁支护体所需提供的支护阻力主要是为了维持巷道空间结构的稳定性。
老顶断裂后形不成结构时,为最不利情况,此时所需的支护阻力最大,但这种情况在此不做讨论。
3.2.2巷旁支护阻力计算
沿空留巷实践表明,在沿空留巷顶板活动的三个阶段中,以大结构形成过程中顶板运动对沿空留巷巷旁支护体的破坏性最大。
因此,在计算巷旁支护阻力时应以老顶岩梁断裂旋转下沉活动为依据。
根据上面的力学模型来计算巷旁支护阻力。
图3.4所示为考虑巷帮煤体作用的顶板载荷条带分割法模型。
在图3.4(a)所示模型中取单位宽度的长板条,如图3.4(b)所示。
力学示意图如图3.4(c)所示。
图3.4沿空巷旁支护阻力计算模型(第一层)
设顶板均布载荷为q,按条带分割后,载荷只在阴影部分两段上。
在巷道围岩运动初期阶段,上位岩层下沉变形很小,层面内应力引起的弯矩很小,故忽略不计。
考虑岩层的自重载荷和采动影响系数k计算巷旁支护支护切顶阻力F。
用力矩平衡法对图3.4(c)中各段求解,从沿空留巷上方第1层直接顶岩层开始计算。
对于第1层直接顶岩层,求解巷旁支护阻力F1公式为
(3.1)
式中
—巷旁支护阻力,kN/m;
—采动影响系数;
—岩层破断产生向下的剪力,kN/m,
;
—岩层自重集度,kN/m2,
;
—岩层极限断裂尺寸,m;
—岩层容重,kN/m3;
—岩层厚度,m;
—岩层抗弯弯矩,(kN·m)/m;
—岩层极限弯矩,(kN·m)/m;
—巷道维护宽度,m;
—煤体松动区宽度,m;
—松动区中心至点A的距离,为
,m;
—巷旁煤体对顶板的支承力,kN/m。
一般情况下,第一层顶板解算出的巷旁支护阻力即为巷旁支护体初期切断直接顶所需的支护阻力。
且计算公式可以简化为
(3.2)
第1层岩层所需切顶阻力是由人工支护直接提供的,而上位岩层所需的切顶支护阻力是人工支护间接作用和已垮断岩层残留边界共同作用的结果。
第2层垮落岩层所需巷旁支护阻力计算模型如图3.4所示,解得巷旁支护切顶阻力为
图3.5沿空巷旁支护阻力计算模型(第二层)
(3.3)
式中
—第i层顶板岩层;
—第j层顶板岩层;
—岩层破断角,规定
=0,
=0,(º)。
同理,对于第m层垮落岩层,巷旁支护切顶阻力计算公式为
(3.4)
式中m为垮落岩层的极限层数,m的确定方法是冒落带岩层形成的矸石能够充满采空区,也就是用垮落岩层总厚度除以岩石分层垮落平均厚度。
式(3.4)为顶板主动垮落时,沿空留巷巷旁支护阻力的计算公式。
式(3.4)中等号右边中括号内项分别为残留边界自重引起的弯矩、岩层断裂线处受垮断岩层的剪力作用产生的弯矩、最上位垮断岩层的极限弯矩、所有垮断岩层在A处产生的总抗弯弯矩和巷帮煤体对顶板支承作用产生的弯矩。
从式中可以看出,由前3项引起的覆岩运动载荷要由巷旁支护阻力和第4、5项的围岩自承能力来平衡,这就形成“巷旁支护体—顶板—煤体”的共同承载体系,巷道围岩的自承能力可以为巷旁支护分担部分载荷。
因此保证顶板支承边界不被破坏而处于固支状态,充分发挥锚杆、锚索等主动支护的锚固作用,提高围岩的承载能力,可以降低对巷旁支护阻力的需求,增强巷旁支护体的稳定性。
4应用效果
砌体施工技术具有几个显著优点:
预制砌块能够保证最佳混凝土效果,比现场泵注的自密实混凝土墙提高20%;
砌体预制混凝土块对顶板提高及时强大的被动初撑力,可以减少墙体厚度15%,保证沿空留巷的安全性;
注浆砌缝在3-7天内能够提供一定的让压特性释放切顶时候的矿压峰值;
施工快速,效果直观,可靠性是目前所有形式中最好的。
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