趙紅超,陳 勇

（1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221008;2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇徐州 221008）

沿空留巷整體澆注護巷帶圍巖控制技術(shù)

趙紅超1,2,陳 勇1,2

（1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221008;2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇徐州 221008）

介紹了我國沿空留巷整體澆注護巷帶發(fā)展歷程及其圍巖控制技術(shù)理論基礎(chǔ),分析了整體澆注護巷帶在綠色開采體系中的地位,指出存在的主要問題是機械化水平較低、充填系統(tǒng)相對復(fù)雜、成形效果與漏風(fēng)的控制不是十分理想,對護巷帶周圍煤巖應(yīng)力分布規(guī)律研究不夠深入。在此基礎(chǔ)上,提出應(yīng)重視并加強護巷帶不連續(xù)面結(jié)構(gòu)分析,采用非等強支護技術(shù)發(fā)展沿空留巷整體澆注護巷帶技術(shù)的建議。

沿空留巷;護巷帶;不連續(xù)面;非等強支護

沿空留巷可以少掘進一條巷道,解決了回采工作面接替緊張的難題,延長礦井服務(wù)年限,降低了巷道掘進率,縮短工作面的準(zhǔn)備時間,減少了掘進施工隊伍,是無煤柱開采的主要技術(shù)發(fā)展方向。由于取消了區(qū)段煤柱,提高了煤炭采出率,對改善近距離煤層的巷道維護十分有利?？梢詫崿F(xiàn)前進式和往復(fù)式的開采,減少煤層自然發(fā)火。此外,通過在開采解放層時進行沿空留巷可以為及時、高效預(yù)抽主采煤層瓦斯提供了施工通道和場所,為下部煤層開采提供了條件,為煤與瓦斯突出煤層開采提供技術(shù)途徑。

沿空留巷技術(shù)自 20世紀(jì) 50年代用矸石墻支護在 1.5m以下薄煤層試驗成功之后,通過相關(guān)院?？蒲性核艾F(xiàn)場的大量實踐與總結(jié),在條件較好的薄及中厚煤層綜采工作面實現(xiàn)沿空留巷的技術(shù)已趨于成熟[1]。伴隨著機械化采煤大斷面巷道出現(xiàn)的工作面推進速度加快、礦山壓力增加、巷道頂板下沉劇烈等現(xiàn)象,對沿空留巷巷旁支護技術(shù)提出了更高的要求。為此,整體澆注護巷帶實現(xiàn)機械化巷旁充填已經(jīng)成為沿空留巷的主要技術(shù)方向。

1 我國沿空留巷整體澆注技術(shù)發(fā)展歷程

根據(jù)護巷帶澆注的形式以及采用的材料與支護方式,我國沿空留巷整體澆注技術(shù)大致劃分為以下7個階段[2]:

第 1階段:應(yīng)用型鋼加木垛及叢柱構(gòu)筑護巷帶開灤唐家莊礦于上世紀(jì) 80年代初,在中厚煤層綜采分層開采工作面中,采用木垛及密集支柱作為護巷帶。雖然木垛可以實現(xiàn)與頂板的大面積接觸且具有較好的穩(wěn)定性,但是由于可縮性大,初撐力小,在巷道頂寬度大的條件下不能及時起到巷旁支護作用,而且密閉效果不是很理想。

第 2階段:壘砌矸石墻構(gòu)筑護巷帶 通過采用矸石帶護巷實現(xiàn)支護材料就地取材,保證了一定的穩(wěn)定性,由于矸石帶支護阻力過小,不能很好地控制頂板下沉,無法達到預(yù)期的密閉效果。

第 3階段:應(yīng)用水泥、矸石、飛灰、鋸沫等預(yù)制塊構(gòu)筑護巷帶 陽泉二礦和平煤一礦分別用水泥、爐渣、鋸沫和矸石等預(yù)制混凝土砌塊壘成寬度700～1000mm不等的條帶進行無煤柱開采。預(yù)制砌塊的性能較矸石帶有顯著改善,巷道斷面收縮率也大為降低,但是仍受預(yù)制塊運輸量大,生產(chǎn)成本高,以及砌墻的可縮性與頂板下沉量不匹配等諸多因素制約。

第 4階段:巷旁風(fēng)力充填構(gòu)筑護巷帶 應(yīng)用風(fēng)力充填護巷,其材料為水泥、矸石、速凝劑。1985年開灤礦務(wù)局唐山礦引進德國的風(fēng)力充填設(shè)備開展巷旁充填,結(jié)果表明充填體強度較高、巷道斷面收縮率降低。但是由于充填系統(tǒng)復(fù)雜,導(dǎo)致工業(yè)性試驗的結(jié)果無法大面積地投入生產(chǎn)實際。

第 5階段:高水速凝泵送充填帶構(gòu)筑護巷帶1990年 3月在平煤一礦進行高水速凝材料泵送充填成套技術(shù)的工業(yè)性試驗,取得預(yù)期效果,以其早期強度大,及時接頂限制離層等優(yōu)點完全替代了傳統(tǒng)的木垛、密集支柱、矸石帶、混凝土砌塊和風(fēng)力充填技術(shù)。

第 6階段:現(xiàn)澆混凝土隔墻構(gòu)筑護巷帶 混凝土墻體承載力高,能夠形成足夠的切頂強度,安全可靠,現(xiàn)在已被廣泛接受。大型自移式沿空留巷充填支架、桶柱方式巷幫支護法、膏體混凝土、柔模支護技術(shù)等不斷豐富與完善現(xiàn)澆混凝土隔墻法?；炷翂Φ娜秉c在于其比較高的工程費用和施工的復(fù)雜性,以及強度上升的速度不能適應(yīng)高產(chǎn)高效礦井工作面,此外,一些施工方法不能保證墻體及時緊密貼頂,影響施工質(zhì)量。

第 7階段:封閉注漿砌筑護巷帶 封閉注漿以西安科技大學(xué)發(fā)明的封閉模鑄砌體混凝土技術(shù)和中國礦業(yè)大學(xué)改進的預(yù)先在充填袋內(nèi)植入對拉鋼筋高水速凝材料充填技術(shù)為主要代表。基本上克服了以往隔離墻結(jié)構(gòu)的諸多缺點,實現(xiàn)了施工快速,效果顯著、接頂密封能力強等要求。

2 沿空留巷整體澆注技術(shù)理論基礎(chǔ)

漆泰岳教授通過對不同圍巖條件下,基本頂斷裂引起的整體澆注護巷帶的支護強度和變形能力進行深入研究,認為在基本頂巖層斷裂過程中,整體澆注護巷帶具有切斷部分下位基本頂?shù)哪芰?提出了使沿空留巷巷道保持穩(wěn)定的整體澆注護巷帶支護強度與變形的理論計算方法,進而對沿空留巷整體澆注護巷帶的適應(yīng)性進行了研究[3]。指出整體澆注護巷帶只能在特定的圍巖條件下保證留巷效果的實現(xiàn)。

孫恒虎教授在分析沿空留巷頂板破斷垮落特征的基礎(chǔ)上,結(jié)合高水速凝材料巷旁充填沿空留巷技術(shù)的實例,根據(jù)煤層頂板特征和彈塑性力學(xué)的有關(guān)理論,將長壁工作面沿空留巷的煤層頂板簡化成了層間結(jié)合力忽略不計的四邊支承和三邊支承兩種矩形 “疊加層板”,認為沿空留巷支護載荷只與短支承邊界的載荷有關(guān)[4]。用這種方法設(shè)計沿空留巷護巷帶參數(shù)所獲得的技術(shù)效果和經(jīng)濟效益顯著,對沿空留巷的實踐有很大的指導(dǎo)意義。

張俊云教授結(jié)合由于護巷帶支護阻力過低導(dǎo)致留巷失敗的工程實例,在斯柯欽斯基礦業(yè)研究所分析和相似模擬實驗的基礎(chǔ)上指出研究沿空留巷“支護—圍巖”相互作用關(guān)系時,不能孤立的把護巷帶作為頂板巖層的一個固支點,應(yīng)更深入地研究巷旁煤體與沿空留巷頂板以及支護的相互關(guān)系,重視巷旁煤體對沿空留巷頂板穩(wěn)定的作用[5]。認為巷旁煤體承受頂板的壓力,要保持頂板下位巖層的完整,同巷旁支護的壓縮量協(xié)調(diào),也得保持巷旁煤體的完整。

孫春東高工就邯礦集團采用新型高水速凝材料作為沿空留巷巷旁充填材料,利用遠距離水力泵送充填工藝構(gòu)筑護巷帶過程中使用的梯形充填袋、對拉錨栓、大型自移式充填支架和充填體位置的確定等關(guān)鍵技術(shù),實現(xiàn)沿空留巷巷旁護巷帶緊隨工作面及時快速構(gòu)筑展開討論[6]。指出護巷帶切頂效果明顯 隨著充填體的形成與固化,其支護阻力急劇增加,有效地阻止了頂板下沉,使得充填體采空區(qū)側(cè)的下沉頂板沿充填體邊緣切斷。

唐建新教授根據(jù)關(guān)鍵層理論及緩斜煤層沿空留巷頂板活動規(guī)律,認為基本頂以板的形式在工作面下端頭取得平衡狀態(tài),工作面下端頭直接頂?shù)牧W(xué)狀態(tài)與基本頂不同,直接頂幾乎以散體的狀態(tài)存在,其載荷全部作用于支護體上[7]。指出采用普通混凝土構(gòu)筑護巷帶進行沿空留巷的關(guān)鍵在于控制直接頂運動變形并保證其穩(wěn)定性,讓直接頂和基本頂保持同步運動,避免混凝土過早受壓,為混凝土提供初凝時間,從而達到沿空留巷支護強度。

張國華副教授結(jié)合雞西杏花煤礦沿空留巷的成功經(jīng)驗,在闡述采空區(qū)邊界處頂板活動規(guī)律的基礎(chǔ)上 ,提出了 “匹配協(xié)調(diào)、力求均布、弱化擾動”的預(yù)防原則,詳細論述了錨桿支護條件下超前主動支護沿空留巷頂板破碎的原因,認為沿空留巷頂板是否能夠保持在原支護條件下均勻下沉受制于護巷帶與煤體在力學(xué)性質(zhì)上的匹配程度,二者相差越小,越有利于頂板的穩(wěn)定;相反,相差越大,則會進一步導(dǎo)致頂板不均勻地發(fā)生彎曲,層間發(fā)生錯動,最終導(dǎo)致破壞程度加劇而破碎[8]。

筆者認為,整體澆注護巷帶成敗的關(guān)鍵在于能否將其納入整個礦井巷道布局的統(tǒng)籌之中,應(yīng)該從初始設(shè)計的時候保證預(yù)留巷道有足夠的支護強度,而不是在后期圍巖發(fā)生變化之后二次補強,一次支護時采用非等強支護,保證留巷側(cè)圍巖適當(dāng)變形以釋放部分壓力,在此基礎(chǔ)上通過后期護巷帶上部巖層的自承能力有效地控制不連續(xù)面的進一步發(fā)展。

3 沿空留巷整體澆注技術(shù)存在問題

（1）軟巖動壓問題 伴隨著煤炭賦存向深部發(fā)展,動壓顯現(xiàn)和軟巖流變特性日益突出。目前對于深井軟巖巷道應(yīng)力分布及動壓顯現(xiàn)規(guī)律依然處于探索階段,在保證原有巷道圍巖變形穩(wěn)定的條件下,減少頂板的完整性和頂?shù)装逡平鼘τ谙乱粎^(qū)段的留巷效果必然會產(chǎn)生影響。沿空掘巷在受到本工作面回采影響期間由于采動支撐壓力的作用,巷道圍巖變形遠遠大于掘進影響期間。在整個使用期內(nèi)要受到上下 2個工作面 2次采動引起的支撐壓力疊加的護巷帶所承受的基本頂初次來壓和 2次來壓的沖擊也就更加明顯。所以護巷帶初次設(shè)計支護參數(shù)就需要滿足基本頂初次來壓所產(chǎn)生的壓力并能夠保證足夠的切頂能力。

（2）澆注系統(tǒng)問題 隨著綜合機械化采煤工作面的大范圍出現(xiàn),對沿空留巷整體澆注護巷帶提出了更高的要求?；夭上锏罃嗝娴脑黾雍凸ぷ髅嫱七M速度的提升,直接對護巷帶成型的速度和強度產(chǎn)生沖擊。能否及時有效地構(gòu)筑密閉的護巷帶具有重大的意義。目前的架構(gòu)鋼模板以及遠距離泵送高水材料等方式緩解了一定的壓力,但是由于系統(tǒng)可靠性以及大功率采煤機械的發(fā)展,這種方式已經(jīng)顯示出了對生產(chǎn)和工作面接替的影響。

（3）理論研究問題 沿空留巷不同于其他巷道,護巷帶作為大變形圍巖在整個巷道構(gòu)筑及使用過程中需要經(jīng)歷 2次采動影響,這就要求護巷帶具有良好的變形能力和一定的初撐力。由于沒有完全掌握采場推進過程中上覆巖層運動和支承壓力發(fā)展變化的規(guī)律[9],對護巷帶承受壓力變化規(guī)律沒有明確把握,致使目前使用的高水速凝材料和膏體材料雖然滿足工程要求,但是其成本一直居高不下,且由于留巷帶來的底鼓現(xiàn)象一直無法得到有效地控制。能否用其他礦上廢棄物代替高水速凝材料實現(xiàn)綠色開采需要對護巷帶所承受的支承壓力分布規(guī)律和護巷帶變形與支承壓力之間的規(guī)律進一步試驗與科學(xué)論證。

4 沿空留巷整體澆注技術(shù)改進

（1）加強軟巖動壓巷道支護技術(shù)的研究,在確保留巷保證完整頂板和一定的動壓顯現(xiàn)條件下展開留巷試驗,確定在軟巖條件下護巷帶的流變特性,建立特定圍巖條件下護巷帶受力模型,在確保留巷前的初次支護控制圍巖條件下實現(xiàn)二次支護,確保護巷帶受力合理。

（2）簡化充填系統(tǒng),變遠距離水力高水速凝材料充填為近距離充填,充分降低工人勞動強度,保證良好的充填效果。改變現(xiàn)有的固定模板堆砌護巷帶為袋式軟性護巷帶。能夠保證充分接頂,以降低采空區(qū)漏風(fēng),造成瓦斯溢出的安全隱患。同時加強機械化充填成套技術(shù)的研發(fā),爭取在大范圍實現(xiàn)無人工巷旁充填沿空留巷[10]。確保充填系統(tǒng)的可靠性,使其充分適應(yīng)綜合機械化采煤條件下工作面推進速度和由此引起的頂板壓力顯著增加。

（3）確定合理強度和尺寸,加強對現(xiàn)有護巷帶受力模型的驗證與創(chuàng)新,研究護巷帶和頂板圍巖變形之間的關(guān)系,尋找科學(xué)合理的初撐力和護巷帶的寬度以減少經(jīng)濟損失。避免或減少由于巷道寬度增加引起的護巷帶側(cè)向變形增大。在此基礎(chǔ)上加強矸石、粉煤灰等相似材料的力學(xué)特性研究,使其成為新一代經(jīng)濟合理的護巷帶替代材料,充分實現(xiàn)礦井生產(chǎn)的綠色開采。

（4）采用非等強支護技術(shù),對護巷帶上部頂板通過注漿加固和預(yù)應(yīng)力錨桿錨索方式控制不連續(xù)面的擴展以降低圍巖變形,避免采用傳統(tǒng)的整個巷道斷面等強支護造成應(yīng)力集中和材料浪費。局部斷面可以通過使用讓壓錨桿等措施來釋放部分變形而不是以往一味地提高護巷帶的強度,以此有效控制護巷帶上部軟弱巖層及破碎頂板的結(jié)構(gòu)變形和松散變形,避免和降低由于留巷出現(xiàn)的底鼓現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

沿空留巷作為煤礦綠色開采體系的重要組成部分,已經(jīng)成為回采巷道維護的主要技術(shù)趨勢。而整體澆注護巷帶在整個留巷過程中起著不可估量的意義,所以必須加強機械化成套技術(shù)的匹配和相關(guān)理論的補充完善,以適應(yīng)更大范圍的軟巖動壓巷道,確保留巷技術(shù)的工程效果。

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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

趙紅超 （1988-）,男,陜西寶雞人,在讀碩士研究生,主要從事巷道支護及圍巖控制技術(shù)研究。

[責(zé)任編輯:施紅霞 ]