寺家庄矿无煤柱沿空留墙技术研究及应用

2023-10-09王辉

煤 2023年10期

王辉

(潞安化工集团寺家庄煤业有限责任公司 ,山西晋中 045300)

工作面开采扰动是影响回采巷道稳定性的关键因素之一,特别是巷道邻近采空区,受采空区覆岩运移活动影响,巷道矿压显现程度较猛烈。为降低邻近工作面开采扰动影响,一般通过留设煤柱降低巷道维护难度。但是煤柱留设将引发资源浪费和采空区遗煤自燃等问题,同时对于多煤层矿井,上煤层工作面留设煤柱将造成下煤层工作面应力集中。对此提出采用无煤柱开采技术。该技术已在多个矿区进行了推广应用[1-4],效果良好。

寺家庄矿目前开采15号煤层,煤层平均厚度为5.62 m,瓦斯含量较高,煤层易自燃。为解决遗煤自燃问题,提高资源回收率,拟定在15119进风巷试验无煤柱沿空留墙技术。

1 工程背景

1.1 15119工作面概况

15119工作面开采15号煤层,位于+510 m水平中央盘区,南部为盘区准备巷道,东部为15121工作面(未掘进),西部为15117工作面(已回采)。工作面的地表标高为925～1 005 m,煤层标高为470～515 m.15119工作面设计走向长度为1 447 m,可采长度为987 m,工作面宽度为270 m.

15号煤层厚度为4.4～7.7 m,均厚达5.62 m,煤层平均倾角为6°.煤层顶底板岩性特征如表1所示。

表1 煤层顶底板岩性特征

1.2 15119进风巷概况

15119进风巷沿15号煤层顶板布置,巷道设计为矩形断面,断面高×宽=4.1 m×5.2 m.巷道掘进采用锚网索联合支护,两帮支护对称,顶板锚杆排距为1 m,帮部锚杆排距为0.9 m,具体掘进支护参数如图1所示。

图1 15119进风巷掘进支护参数(单位:mm)

2 沿空留墙技术

2.1 沿空留墙技术工艺

1) 扩帮起底。由于巷道担负运输任务,巷道内布置有轨道和运输胶带机,限制了留墙尺寸。在进风巷内留设墙体,需保证有足够的作业空间。因此,为保障沿空留墙顺利进行,同时不影响进风巷的运输服务,在进行墙体浇筑前,需对进风巷的帮部进行扩刷,以提供留墙施工空间,如图2(a)所示,扩刷后及时进行补强支护。同时为了确保留设墙体的稳定性,要求巷道墙体位于坚实的基础上,还需对巷道底板起底,为留墙的基础浇筑提供施工空间。

图2 沿空留墙技术流程(单位:mm)

根据15119进风巷实际,设计巷帮的扩刷宽度为2.5 m,起底深度为1.5 m,以满足墙体留设的空间需要。基础上的留设墙体高×宽=4.0 m×1.5 m.15119进风巷留设墙体设计如图2(b)所示。

2) 墙体基础浇筑。在开采15119工作面前,对15119进风巷的起底空间进行浇筑作为留墙的基础,见图2(d)中红框区域。

在浇筑墙体前应先浇筑基础,待基础初凝后再在其上浇筑墙体。坚固稳定的基础是确保墙体后期稳定和具有强承载能力的前提。

完成基础浇筑1 d后再进行墙体的浇筑。为了提升效率,可提前浇筑基础。

3) 墙体柔模架设。待基础稳定后在上方浇筑墙体至接触顶板。间隔一定时间继续浇筑墙体其余部分直至接顶。完成基础浇筑的第2天,在确保基础具备承载能力的前提下,架设柔模袋,准备进行墙体的浇筑工作。

首先支设单体柱,通过单体柱支撑柔模袋的一边,用铁丝将柔模袋绑定到顶板金属网上。完成柔模袋挂设工作后,安装横向锚栓,并安装托盘进行固定,以保证后期成型效果。然后在另外一边进行同样的操作,支设单体支护,完成柔模袋整体框架的安装。

4) 墙体浇筑。架设好柔模袋后进行墙体的浇筑。连接浇筑材料的输送管和柔模袋的送料入口,把浇筑材料注进柔模袋内构筑墙体。为避免分次不连续注浆影响墙体的成型效果,需提前计算好注浆量,搅拌好充足的浇筑材料,迅速完成墙体浇筑。将材料充满柔模袋后,将注浆管同柔模袋送料入口分开,密封注浆口,避免浆液流出。为提高墙体浇筑的施工速度,可在巷道内布置两个浇筑施工作业点,同步进行墙体浇筑工作。

同时需要对浇筑后的墙体进行高强度的支护加固。15119工作面采空后,覆岩会发生回转下沉,为了保证15121回风巷能够快速掘进,需注意加强15119进风巷墙体的强度,以有效支撑15121回风巷顶板,保证其稳定性。通过锚栓对墙体进行加固支护,可保证后续沿空巷道掘进时墙体的完整与稳定。

5) 回撤单体柱。为保证墙体的成型效果,等墙体内的浇筑材料完全固化,具有承载抗变形的能力后,方能撤出单体支柱。单体支柱回撤后运至柔模袋架设点附近备用。

6) 沿空掘巷。15119工作面采空后,在15121采面回采前,沿留设的墙体掘进15121回风巷如图2(c)所示。

2.2 沿空留墙浇筑系统设计

考虑沿空留设墙体的强度及稳定性,设计利用混凝土混合材料作为墙体的主要组成材料。混凝土材料采用42.5水泥,主要使用中等粒径的砂,含沙比率小于0.01.碎石的块度尺寸范围为5～20 mm,含泥量应低于0.01.

在15119工作面开采前完成进风巷的帮部扩刷工作,每天连带巷道起底并将扩帮进尺设计为20 m.待20 m扩帮长度掘进完成后,紧接着开始墙体基础的浇筑工作。基础凝结一定时间后,继续进行墙体的分层浇筑作业。每天需要约120 m3的混凝土材料用于浇筑长×宽×高=20 m×1.5 m×4.0 m的墙体主体结构。

为保证墙体稳定性,在浇筑沿空留设的墙体前需要先进行基础的浇筑工作。每天需要浇筑相同20 m长度、2.5 m宽度、1.5 m高度的墙体基础,约需要75 m3的混凝土材料。

在工作面进风巷内现场混装混凝土材料。首先,使用上料车将混凝土原料输送至搅拌器内充分搅拌。搅拌桶可容纳2 300 L的材料。浇筑材料搅拌好后,利用输送泵把浇筑浆液运至浇筑地点。

在巷内墙体浇筑施工时,因为浇筑材料初期成型困难,需通过分层浇筑完成墙体的浇筑施工。按照先下后上的顺序完成。可利用柔模袋承装浇筑材料保证墙体成型效果。

在现场应用时,由于巷道内供沿空留墙作业的空间有限,为降低浆液输送时的摩擦阻力,输送距离应不超过350 m.15119进风巷内沿空留墙施工的系统布置如图3(a)所示。