沿空留巷整体浇注护巷带围岩控制技术

赵红超,陈 勇

（1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221008;2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221008）

沿空留巷整体浇注护巷带围岩控制技术

赵红超1,2,陈 勇1,2

（1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221008;2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221008）

介绍了我国沿空留巷整体浇注护巷带发展历程及其围岩控制技术理论基础,分析了整体浇注护巷带在绿色开采体系中的地位,指出存在的主要问题是机械化水平较低、充填系统相对复杂、成形效果与漏风的控制不是十分理想,对护巷带周围煤岩应力分布规律研究不够深入。在此基础上,提出应重视并加强护巷带不连续面结构分析,采用非等强支护技术发展沿空留巷整体浇注护巷带技术的建议。

沿空留巷;护巷带;不连续面;非等强支护

沿空留巷可以少掘进一条巷道,解决了回采工作面接替紧张的难题,延长矿井服务年限,降低了巷道掘进率,缩短工作面的准备时间,减少了掘进施工队伍,是无煤柱开采的主要技术发展方向。由于取消了区段煤柱,提高了煤炭采出率,对改善近距离煤层的巷道维护十分有利。可以实现前进式和往复式的开采,减少煤层自然发火。此外,通过在开采解放层时进行沿空留巷可以为及时、高效预抽主采煤层瓦斯提供了施工通道和场所,为下部煤层开采提供了条件,为煤与瓦斯突出煤层开采提供技术途径。

沿空留巷技术自 20世纪 50年代用矸石墙支护在 1.5m以下薄煤层试验成功之后,通过相关院校科研院所及现场的大量实践与总结,在条件较好的薄及中厚煤层综采工作面实现沿空留巷的技术已趋于成熟[1]。伴随着机械化采煤大断面巷道出现的工作面推进速度加快、矿山压力增加、巷道顶板下沉剧烈等现象,对沿空留巷巷旁支护技术提出了更高的要求。为此,整体浇注护巷带实现机械化巷旁充填已经成为沿空留巷的主要技术方向。

1 我国沿空留巷整体浇注技术发展历程

根据护巷带浇注的形式以及采用的材料与支护方式,我国沿空留巷整体浇注技术大致划分为以下7个阶段[2]:

第 1阶段:应用型钢加木垛及丛柱构筑护巷带开滦唐家庄矿于上世纪 80年代初,在中厚煤层综采分层开采工作面中,采用木垛及密集支柱作为护巷带。虽然木垛可以实现与顶板的大面积接触且具有较好的稳定性,但是由于可缩性大,初撑力小,在巷道顶宽度大的条件下不能及时起到巷旁支护作用,而且密闭效果不是很理想。

第 2阶段:垒砌矸石墙构筑护巷带 通过采用矸石带护巷实现支护材料就地取材,保证了一定的稳定性,由于矸石带支护阻力过小,不能很好地控制顶板下沉,无法达到预期的密闭效果。

第 3阶段:应用水泥、矸石、飞灰、锯沫等预制块构筑护巷带 阳泉二矿和平煤一矿分别用水泥、炉渣、锯沫和矸石等预制混凝土砌块垒成宽度700～1000mm不等的条带进行无煤柱开采。预制砌块的性能较矸石带有显著改善,巷道断面收缩率也大为降低,但是仍受预制块运输量大,生产成本高,以及砌墙的可缩性与顶板下沉量不匹配等诸多因素制约。

第 4阶段:巷旁风力充填构筑护巷带 应用风力充填护巷,其材料为水泥、矸石、速凝剂。1985年开滦矿务局唐山矿引进德国的风力充填设备开展巷旁充填,结果表明充填体强度较高、巷道断面收缩率降低。但是由于充填系统复杂,导致工业性试验的结果无法大面积地投入生产实际。

第 5阶段:高水速凝泵送充填带构筑护巷带1990年 3月在平煤一矿进行高水速凝材料泵送充填成套技术的工业性试验,取得预期效果,以其早期强度大,及时接顶限制离层等优点完全替代了传统的木垛、密集支柱、矸石带、混凝土砌块和风力充填技术。

第 6阶段:现浇混凝土隔墙构筑护巷带 混凝土墙体承载力高,能够形成足够的切顶强度,安全可靠,现在已被广泛接受。大型自移式沿空留巷充填支架、桶柱方式巷帮支护法、膏体混凝土、柔模支护技术等不断丰富与完善现浇混凝土隔墙法。混凝土墙的缺点在于其比较高的工程费用和施工的复杂性,以及强度上升的速度不能适应高产高效矿井工作面,此外,一些施工方法不能保证墙体及时紧密贴顶,影响施工质量。

第 7阶段:封闭注浆砌筑护巷带 封闭注浆以西安科技大学发明的封闭模铸砌体混凝土技术和中国矿业大学改进的预先在充填袋内植入对拉钢筋高水速凝材料充填技术为主要代表。基本上克服了以往隔离墙结构的诸多缺点,实现了施工快速,效果显著、接顶密封能力强等要求。

2 沿空留巷整体浇注技术理论基础

漆泰岳教授通过对不同围岩条件下,基本顶断裂引起的整体浇注护巷带的支护强度和变形能力进行深入研究,认为在基本顶岩层断裂过程中,整体浇注护巷带具有切断部分下位基本顶的能力,提出了使沿空留巷巷道保持稳定的整体浇注护巷带支护强度与变形的理论计算方法,进而对沿空留巷整体浇注护巷带的适应性进行了研究[3]。指出整体浇注护巷带只能在特定的围岩条件下保证留巷效果的实现。

孙恒虎教授在分析沿空留巷顶板破断垮落特征的基础上,结合高水速凝材料巷旁充填沿空留巷技术的实例,根据煤层顶板特征和弹塑性力学的有关理论,将长壁工作面沿空留巷的煤层顶板简化成了层间结合力忽略不计的四边支承和三边支承两种矩形 “叠加层板”,认为沿空留巷支护载荷只与短支承边界的载荷有关[4]。用这种方法设计沿空留巷护巷带参数所获得的技术效果和经济效益显著,对沿空留巷的实践有很大的指导意义。

张俊云教授结合由于护巷带支护阻力过低导致留巷失败的工程实例,在斯柯钦斯基矿业研究所分析和相似模拟实验的基础上指出研究沿空留巷“支护—围岩”相互作用关系时,不能孤立的把护巷带作为顶板岩层的一个固支点,应更深入地研究巷旁煤体与沿空留巷顶板以及支护的相互关系,重视巷旁煤体对沿空留巷顶板稳定的作用[5]。认为巷旁煤体承受顶板的压力,要保持顶板下位岩层的完整,同巷旁支护的压缩量协调,也得保持巷旁煤体的完整。

孙春东高工就邯矿集团采用新型高水速凝材料作为沿空留巷巷旁充填材料,利用远距离水力泵送充填工艺构筑护巷带过程中使用的梯形充填袋、对拉锚栓、大型自移式充填支架和充填体位置的确定等关键技术,实现沿空留巷巷旁护巷带紧随工作面及时快速构筑展开讨论[6]。指出护巷带切顶效果明显 随着充填体的形成与固化,其支护阻力急剧增加,有效地阻止了顶板下沉,使得充填体采空区侧的下沉顶板沿充填体边缘切断。

唐建新教授根据关键层理论及缓斜煤层沿空留巷顶板活动规律,认为基本顶以板的形式在工作面下端头取得平衡状态,工作面下端头直接顶的力学状态与基本顶不同,直接顶几乎以散体的状态存在,其载荷全部作用于支护体上[7]。指出采用普通混凝土构筑护巷带进行沿空留巷的关键在于控制直接顶运动变形并保证其稳定性,让直接顶和基本顶保持同步运动,避免混凝土过早受压,为混凝土提供初凝时间,从而达到沿空留巷支护强度。

张国华副教授结合鸡西杏花煤矿沿空留巷的成功经验,在阐述采空区边界处顶板活动规律的基础上 ,提出了 “匹配协调、力求均布、弱化扰动”的预防原则,详细论述了锚杆支护条件下超前主动支护沿空留巷顶板破碎的原因,认为沿空留巷顶板是否能够保持在原支护条件下均匀下沉受制于护巷带与煤体在力学性质上的匹配程度,二者相差越小,越有利于顶板的稳定;相反,相差越大,则会进一步导致顶板不均匀地发生弯曲,层间发生错动,最终导致破坏程度加剧而破碎[8]。

笔者认为,整体浇注护巷带成败的关键在于能否将其纳入整个矿井巷道布局的统筹之中,应该从初始设计的时候保证预留巷道有足够的支护强度,而不是在后期围岩发生变化之后二次补强,一次支护时采用非等强支护,保证留巷侧围岩适当变形以释放部分压力,在此基础上通过后期护巷带上部岩层的自承能力有效地控制不连续面的进一步发展。

3 沿空留巷整体浇注技术存在问题

（1）软岩动压问题 伴随着煤炭赋存向深部发展,动压显现和软岩流变特性日益突出。目前对于深井软岩巷道应力分布及动压显现规律依然处于探索阶段,在保证原有巷道围岩变形稳定的条件下,减少顶板的完整性和顶底板移近对于下一区段的留巷效果必然会产生影响。沿空掘巷在受到本工作面回采影响期间由于采动支撑压力的作用,巷道围岩变形远远大于掘进影响期间。在整个使用期内要受到上下 2个工作面 2次采动引起的支撑压力叠加的护巷带所承受的基本顶初次来压和 2次来压的冲击也就更加明显。所以护巷带初次设计支护参数就需要满足基本顶初次来压所产生的压力并能够保证足够的切顶能力。

（2）浇注系统问题 随着综合机械化采煤工作面的大范围出现,对沿空留巷整体浇注护巷带提出了更高的要求。回采巷道断面的增加和工作面推进速度的提升,直接对护巷带成型的速度和强度产生冲击。能否及时有效地构筑密闭的护巷带具有重大的意义。目前的架构钢模板以及远距离泵送高水材料等方式缓解了一定的压力,但是由于系统可靠性以及大功率采煤机械的发展,这种方式已经显示出了对生产和工作面接替的影响。

（3）理论研究问题 沿空留巷不同于其他巷道,护巷带作为大变形围岩在整个巷道构筑及使用过程中需要经历 2次采动影响,这就要求护巷带具有良好的变形能力和一定的初撑力。由于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[9],对护巷带承受压力变化规律没有明确把握,致使目前使用的高水速凝材料和膏体材料虽然满足工程要求,但是其成本一直居高不下,且由于留巷带来的底鼓现象一直无法得到有效地控制。能否用其他矿上废弃物代替高水速凝材料实现绿色开采需要对护巷带所承受的支承压力分布规律和护巷带变形与支承压力之间的规律进一步试验与科学论证。

4 沿空留巷整体浇注技术改进

（1）加强软岩动压巷道支护技术的研究,在确保留巷保证完整顶板和一定的动压显现条件下展开留巷试验,确定在软岩条件下护巷带的流变特性,建立特定围岩条件下护巷带受力模型,在确保留巷前的初次支护控制围岩条件下实现二次支护,确保护巷带受力合理。

（2）简化充填系统,变远距离水力高水速凝材料充填为近距离充填,充分降低工人劳动强度,保证良好的充填效果。改变现有的固定模板堆砌护巷带为袋式软性护巷带。能够保证充分接顶,以降低采空区漏风,造成瓦斯溢出的安全隐患。同时加强机械化充填成套技术的研发,争取在大范围实现无人工巷旁充填沿空留巷[10]。确保充填系统的可靠性,使其充分适应综合机械化采煤条件下工作面推进速度和由此引起的顶板压力显著增加。

（3）确定合理强度和尺寸,加强对现有护巷带受力模型的验证与创新,研究护巷带和顶板围岩变形之间的关系,寻找科学合理的初撑力和护巷带的宽度以减少经济损失。避免或减少由于巷道宽度增加引起的护巷带侧向变形增大。在此基础上加强矸石、粉煤灰等相似材料的力学特性研究,使其成为新一代经济合理的护巷带替代材料,充分实现矿井生产的绿色开采。

（4）采用非等强支护技术,对护巷带上部顶板通过注浆加固和预应力锚杆锚索方式控制不连续面的扩展以降低围岩变形,避免采用传统的整个巷道断面等强支护造成应力集中和材料浪费。局部断面可以通过使用让压锚杆等措施来释放部分变形而不是以往一味地提高护巷带的强度,以此有效控制护巷带上部软弱岩层及破碎顶板的结构变形和松散变形,避免和降低由于留巷出现的底鼓现象。

5 结束语

沿空留巷作为煤矿绿色开采体系的重要组成部分,已经成为回采巷道维护的主要技术趋势。而整体浇注护巷带在整个留巷过程中起着不可估量的意义,所以必须加强机械化成套技术的匹配和相关理论的补充完善,以适应更大范围的软岩动压巷道,确保留巷技术的工程效果。

[1]贾悦谦 .我国煤矿巷旁充填新技术现状及展望 [J].煤炭科学技术,1993（3）:2-6,63.

[2]华心祝 .我国沿空留巷支护技术发展现状与改进意见 [J].煤炭科学技术,2006,12（12）:78-81.

[3]漆泰岳 .沿空留巷整体浇注护巷带主要参数及适应性 [J].中国矿业大学学报,1999,3（2）:122-125.

[4]黄玉成,孙恒虎 .沿空留巷护巷带参数的设计方法 [J].煤炭学报,1997（4）:58-61.

[5]张俊云,柴 敬 .沿空留巷研究中若干问题分析 [J].矿山压力与顶板管理,2000（1）:38-39.

[6]孙春东 .新型高水材料巷旁充填沿空留巷技术 [J].煤矿开采,2010,15（2）:129-131.

[7]唐建新,胡 海,涂兴东 .普通混凝土巷旁充填沿空留巷试验 [J].煤炭学报,2010（9）:1426-1429.

[8]张国华 .主动支护下沿空留巷顶板破碎原因分析 [J].煤炭学报,2005（4）:429-432.

[9]宋振骐,崔增娣,夏洪春 .无煤柱矸石充填绿色安全高效开采模式及其工程理论基础研究 [J].煤炭学报,2010（5）:705-710.

[10]马念杰,白忠胜 .无人工巷旁充填沿空留巷支护技术与工艺研究 [J].煤矿开采,2010,15（4）:51-56.

Technology of Surround ing Rock Control by Whole-pour ing in Roadway Retained along Gob

ZHAO Hong-chao1,2,CHEN Yong1,2
（1.Mining Engineering School,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221008,China;
2.State KeyLaboratory of Coal Resource&SafeMining,Xuzhou 221008,China）

Introducing developmentprocedure ofwhole-pouring roadwayprotective strip and theoretical base of surrounding rock control and analyzing status ofwhole-pouring roadway protective strip in green mining system,main problemswere pointed out including lower mechanization level,complex stowing system and non ideal for ming effect and air leakage control,and insufficient researching stress distribution of coal and rock body surrounding protective strip.On the basis of this,the suggestion was put for ward thatpaying attention to analyzing uncontinuous interface of surrounding rock and that applying un-equal strength supporting to developingwhole-pouring protective strip for roadway retained along gob.

retaining roadway along gob;protective roadway strip;uncontinuous interface;un-equal strength supporting

TD353

A

1006-6225（2011）03-0095-03

2011-03-09

赵红超 （1988-）,男,陕西宝鸡人,在读硕士研究生,主要从事巷道支护及围岩控制技术研究。

[责任编辑:施红霞 ]