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不銹鋼管混凝土墩柱沿空留巷技術與工藝
發布者:不銹鋼管廠(www.tangoatipico.com) 發布時間:2019/12/4 閱讀:112

  為了解決魯西煤礦采掘接替緊張局面,實現高應力條件下的高效沿空留巷目的,基于魯西煤礦下工作面工程地質條件與問題,提出了“不銹鋼管混凝土墩柱+柔性墊層+控頂錨索+巷內加強支護+防風措施”的新型沿空留巷技術方案,合理優化設計了沿空留巷技術參數;重點對不銹鋼管混凝土墩柱沿空留巷的現場施工工藝進行了研究,解決了墩柱架設、灌注、輔助加強支護等關鍵技術環節,形成了完善的施工工藝流程。經過現場工業性試驗,該新型沿空留巷技術方案很好地保證了預留巷道的完整性,對巷道圍巖進行了穩定控制且施工工藝流程簡單,達到了高強、高效的沿空留巷效果。

  沿空留巷作為一種無煤柱護巷方式,在減少巷道掘進量、緩解礦井采掘接替緊張等方面具有很大的優勢。在沿空留巷技術中,巷旁支護體主要起到支撐上覆圍巖與隔離采空區的作用,是沿空留巷技術成功與否的關鍵環節。目前,我國煤礦井下常用的巷旁支護體有:密集單體支柱、矸石墻、充填體墻等。根據充填材料不同,巷旁充填體墻又包括高水速凝材料充填體墻、膏體材料充填體墻、柔模充填體墻和快硬混凝土充填體墻等。上述巷旁支護結構在特定的工程條件下均取得過一定的成功應用,并得到了一些重要的成果;但同時也存在支護阻力不高、留巷工藝復雜等一系列問題,不能實現高應力條件下的高效沿空留巷工程。針對上述問題,近幾年又發展了鋼管混凝土墩柱沿空留巷技術,該技術具有承載力高、成本低、施工工藝簡單、留巷速度快的特點。黃萬朋等在鋼管混凝土墩柱結構基礎上提出了一種“不銹鋼管混凝土支柱+柔性墊層”的新型沿空留巷巷旁支護結構,研究了其力學性能,推導出支護阻力運算公式。宏盛特鋼給出了巷旁支護體支護阻力與合理壓縮量計算公式,提出了一種不銹鋼管混凝土墩柱與矸石墻相結合的沿空留巷技術,并進行了墩柱承載能力實驗。

  在上述研究的基礎上,建立了以不銹鋼管混凝土墩柱為巷旁支護承載主體的新型沿空留巷支護結構,為深部高應力礦井提供了一種快速有效地沿空留巷支護方案。相比與傳統的巷旁支護體,不銹鋼管混凝土墩柱巷旁支護結構具有支護強度大、經濟效益好、安全高效的優點。通過現場工程應用,設計了具體的施工工藝流程,為深部高應力礦井提供一種安全高效的沿空留巷支護技術。

一、工程地質概況

  魯西煤礦當前南翼采區資源儲量已十分有限,北翼采區由于地質勘探情況不詳,以及開拓工程量較大等制約因素,嚴重影響了整個礦井的生產接續;如何提高煤炭采出率、降低煤層開采中的萬噸掘進率、協調好礦井的采掘接續關系已成為當下魯西煤礦所面臨的重要問題。因此尋找一種能夠在深部高應力礦井快速有效地沿空留巷支護方式已成為魯西煤礦解決當前自身問題的首選。


  針對魯西煤礦工作面工程地質條件,設計的具體留巷技術方案為:采用不銹鋼管混凝土墩柱作為主要巷旁支護結構對頂板進行有效支撐;在墩柱上方預留一定空間增加木楔作為柔性讓壓墊層;采用菱形網+風筒布+矸石袋作為采空區的隔離措施,以防止瓦斯等有害氣體和矸石進入預留巷道。在工作面推進的過程中,為給后方架設墩柱留有充分的時間和空間,保證巷道內圍巖的完整,預設計在巷道貼近煤壁側打1排控頂錨索,將直接頂懸吊在上方堅硬穩定的巖層內;在頂板巖層活動劇烈期間,臨時增設單體液壓支柱加強支護,本方案巷內加強措施為使用四排單體液壓支護進行輔助支護。

二、沿空留巷巷旁支護參數設計

1.墩柱設計的選型

   沿空留巷圍巖受力與變形受到上覆巖層運動的影響,在懸頂狀態下,上覆巖層進行回轉、破斷及擾動等一系列運動,使得巷旁支護主體既需要足夠的強度切斷足夠高度的頂板,又需要足夠的變形能力適應基本頂的下沉。根據巷道圍巖結構及力學計算分析,得到鋼管混凝土墩柱所需提供的最小支護阻力為4220KN。根據對巷旁支護阻力計算需求,同時參考鋼管混凝土墩柱理論計算與實際測試極限承載力,選擇300系列的不銹鋼管材以及準299mm的管徑的鋼管配合C40等級的混凝土組合的鋼管混凝土支柱,通過對該組合短柱的實驗測試,得到該短柱極限承載力為6700KN;結合現場巷道的具體寬度、高度,結合預留讓壓距離,得出在當前巷道需要高度為2.8米支柱。由于沿空留巷所用支護屬于長柱范疇,需要考慮偏心受壓以及長細比折減系數,根據折減系數計算,最終確定取0.78的折減系數,求出墩柱極限承載力能達到5226KN,確定不銹鋼管混凝土選型符合現場實際支護要求。

2. 墩柱布置

  根據巷道圍巖結構及力學計算分析,得到采用一排鋼管混凝土支柱即可滿足巷旁支護阻力的要求,為了達到最優的巷旁支護效果,并有效降低支護材料的成本,設計相鄰支柱的中心間距為600mm!敖o定變形”位態下,基本頂在巷道的實體煤側斷裂,假設基本頂以煤體彈塑性交界面處為旋轉軸斷裂,鋼管混凝土墩柱巷旁支護結構對基本頂鉸接巖梁實行“給定變形”的位態控制,因此鋼管混凝土支柱與頂板間預留200~300mm的讓壓空間,以楔形木墊塊進行填充,允許基本頂巖梁進行適量的彎曲下沉,從而對覆巖頂板進行有效讓壓,提高巷旁支護效果。

3.控頂錨索與隔離措施

  在工作面推進過程中,由于自移式液壓支架等機械設備的影響,會造成巷道頂板在鋼管支柱尚未支起時出現塌落、破碎等危險。為防止巷道頂板破碎、塌落,在工作面前20m靠煤壁側(100~200 mm)補打一排加強錨索,錨索間距為1250 mm,長度為6 500mm,每2根錨索共用1段錨索梁,錨索梁長度為1500mm,鎖孔距梁端頭125mm,單排設置;為了防止采空區垮落矸石以及瓦斯進入預留巷道內,在相鄰支柱間采用鐵絲網+風筒布+矸石袋等措施對采空區進行隔離?仨斿^索具體布置如圖。

4.巷內加強支護措施

  在經歷一次采動影響階段時,沿空留巷圍巖受力與變形受到上覆巖層運動的影響,要求所留巷道中的支護體必須快速增阻,進而保持恒阻的工作狀態。而不銹鋼管混凝土墩柱前期因為尚未注漿或漿液結實性不夠以及此時墩柱受力時是其上方的木楔塊先讓壓壓縮,支護阻力較小等原因不能完全滿足巷道支護的要求,因此才增加巷內的單體液壓支柱進行臨時加強支護。單體液壓支柱在滯后工作面50m的范圍內使用一梁三柱形式,排間距為800mm,同時在煤壁一側立1排單體液壓支柱,共4排單體液壓支柱進行加強支護;在滯后工作面50~100 m的范圍內,使用三排單體液壓支柱的方式進行支護。

5. 現場施工工藝

不銹鋼管混凝土墩柱沿空留巷施工過程中,主要包括以下幾個步驟:安裝控頂錨索、掛鐵絲網、架設墩柱、墩柱灌注、安放矸石袋、架設單體等。

5.1 控頂錨索的施工

    錨索的位置為靠近采空區側,在離預留巷道上幫200mm處打1排準18mm×8000mm錨索,錨索梁長度1500mm,鎖孔距梁端頭250mm,單排設置,每2根錨索共用1段錨索梁。錨索盡可能垂直向上打入,若施工困難可以向采空區傾斜,傾斜角度不超過10°,控頂錨索需提前工作面20m進行掛線施工。

5.2架設空鋼管墩柱

   本方案采用割一刀安裝1個不銹鋼管墩柱的方法進行架柱工作,架設墩柱前先在預放墩柱處使用風鎬開挖1個深度為30cm左右400mm×400mm的基坑,然后將空不銹鋼管放到指定位置附近,在坑底安放1塊底腳板(盡可能水平),使用手動葫蘆(倒鏈)將空鋼管墩柱人工豎起(鋼管混凝土墩柱支設必須垂直頂底板),空不銹鋼管墩柱間距600 mm,頂部焊有薄鋼板作為上部托盤,增加控頂面積,厚度不超過5mm,鋼板之上以木楔觸頂,木楔頂在菱形網上(木楔總厚度不得小于200 mm),并將瓦斯記錄儀按照規定距離懸掛在墩柱旁邊的頂板上,然后將矸石裝袋堆放到指定位置。

5.3墩柱灌注混凝土

   為了不影響正常開采工作以及保證施工人員的充足,具體灌注時間為維修班(早班),以集中注漿的形式進行施工。采用礦用混凝土輸送泵向墩柱內灌注混凝土,泵送頂升法施工,其中混凝土施工設計比例為水泥∶沙∶碎石∶減水劑∶水,其中水泥為425#普通硅酸鹽水泥以及快硬硫(鐵)鋁酸鹽水泥(其中快硬硫(鐵)鋁酸鹽水泥占總水泥的20%)、粗骨料選用粒徑15~25 mm的碎石,細骨料采用優質河砂。鋼管墩柱混凝土的灌注要及時并保證灌注質量,1次灌注根數不得超過9根,且鋼管墩柱在灌注前要用戧柱固定,以防在注漿過程中發生歪斜。

5.4輔助支護措施

  輔助支護是為了確保在上覆巖層壓力重新分布時鋼管不變形,故在沿空留巷后應加強支護。加強支護采用單體液壓支柱配合鉸接頂梁垂直煤壁方向支設4排單體液壓支柱,支設時要拉線支設,支柱顆顆穿鞋,柱距1.2m(±100mm)。隨著工作面推進,要求及時回柱,始終保持50m的拖后距離。

6. 留巷效果分析

  為了準確掌握不銹鋼管混凝土墩柱沿空留巷技術的現場應用效果,在回采過程中對所留巷道的巷道整體變形量、頂板離層值等內容進行了實際監測。沿空留巷觀測共布置2類測區,包括頂板離層監測測區、巷道表面位移監測測區,用以監測留巷表面整體變形情況、評價留巷效果。

  巷道頂板離層觀測區:以工作面切眼為起始位置(第1根鋼混支柱處),每間隔15m設5個觀測站,分別位于切眼前方15、30、45、60、75m處并開始對其編號。在每個測點頂板上安裝頂板離層指示儀,用以檢測頂板離層量。巷道表面位移監測測區:在巷道頂板離層觀測區附近布置巷道表面位移觀測點,分別位于工作面前方(以第1根鋼混支柱為起始位置)15、30、45、60、75 m…左右的巷道表面對巷道位移變形特征進行觀測,包括頂底板移近量、兩幫移近量等,觀測方法為十字布點法。取12號測點(距開切眼180m左右)作全變形典型曲線,該測點超前工作面25m起測,至工作面推進后159m后停止監測,因此能較好的描述在整個回采影響下的巷道變形的全過程。

  由圖可知,隨著工作面的推進,留巷圍巖變形可以分為以下3個階段,第1階段:工作面推進0~25 m后,直接頂受到前方煤層和采空區下側未開采煤層、鋼管混凝土墩柱及單體液壓支柱的支撐,直接頂未發生破斷,圍巖變形較為平緩,移近速度相對較小,最大僅為1~2 mm/d,直接頂與基本頂尚未發生分離,頂板離層量為0;第2階段:工作面推采25~75 m后,關鍵塊體回轉、破斷,上覆巖層運動劇烈,巷道圍巖變形速度大,頂底板最大變形速度為20mm/d,圍巖變形速度在該范圍內達到最大,頂底板移近量達到112mm,與此同時基本頂與直接頂迅速分離,基本頂鉸接巖梁“給定變形”的位態控制得到實行。第3階段:工作面推采75m以后,巷道圍巖變形趨于穩定,最終頂底板和兩幫變形速度降至1mm/d以下,基本頂的位態控制取得成功。

7. 結論

1)不銹鋼管混凝土墩柱巷旁支護沿空留巷技術具有支護阻力高、支護效率高、支護工序簡單的技術優勢。

2)針對魯西煤礦下工作面巷道及頂底板圍巖情況,設計了“不銹鋼管混凝土墩柱+柔性墊層+控頂錨索+巷內加強支護+防風措施”的新型沿空留巷技術方案,并合理優化設計了沿空留巷的技術參數。

3)對不銹鋼管混凝土墩柱沿空留巷技術的現場施工工藝流程進行了合理設計研究,重點解決了墩柱架設、灌注、輔助加強支護等關鍵技術環節。

4)使用不銹鋼管混凝土墩柱巷旁支護技術,再不影響工作面的正常工作進度要求的前提下,巷道完整性較好,未出現巖體突出等情況,達到了較好地沿空留巷效果。

 
 

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