史红邈

(潞安集团余吾煤业有限责任公司,山西省长治市,046102)



高瓦斯矿井瓦排巷墩柱式支护技术研究

史红邈

(潞安集团余吾煤业有限责任公司,山西省长治市,046102)

摘 要高瓦斯矿井综采工作面的瓦排巷二次支护采用木垛支护,存在承载力低、巷道变形严重、通风效果差等一系列问题,针对这些问题提出采用聚苯乙烯泡沫(EPS)混凝土墩柱式巷道支护技术,并在余吾煤业N2202工作面的外错瓦排巷进行了工业现场试验。结果表明采用墩柱式支护的巷道顶底板移近量较小,巷道围岩变形小,支护效果明显强于木垛支护;墩柱式支护具有重量轻、承载力大、抗压强度大的特性,且其耐久性和耐燃性都强于木垛支护。介绍了墩柱的结构、材料、抗压性能及应用效果。

关键词高瓦斯矿井 巷道支护 瓦排巷二次支护 墩柱式 轻质混凝土

Research on pier column supporting technology for gas discharge laneway of high gas mine

Shi Hongmiao
(Yuwu Mining Industry Co.,Ltd.,Lu＇an Group,Changzhi,Shanxi 046102,China)

Abstract Currently,wood cribs were used for the secondary support of gas discharge laneway in fully mechanized working face of high gas mine,but their bearing capacity was low,the roadway deformation was serious and the ventilation effect was bad.Aiming at these problems,the roadway supporting technology of concrete pier with expandable polystyrene foam was put forward,and the industrial field test was carried out in outward located gas discharge laneway of N2202 working face of Yuwu Coal Mine.The results showed that the displacement between roof and floor in pier column supporting roadway was less,the surrounding rock deformation was little,and the supporting effect was obviously better than wood crib supporting.The pier column supporting method had light weight,large bearing capacity and big compressive strength,and its durability and flame resistance were stronger than wood crib supporting.Besides,the structure,compressive property and application effects of pier column were introduced.

Key words high gas mine,roadway supporting,secondary support of gas discharge laneway,pier column type,lightweight concrete

在高瓦斯矿井中,工作面常用的U形通风方式不仅使采空区上隅角容易积聚大量瓦斯,而且采空区内的瓦斯极易通过上隅角漏到回风巷中,使回风巷中瓦斯浓度升高甚至超标,威胁矿井生产安全,工作面产量也会因此受到影响.在回风巷外侧掘进一条瓦斯排放巷(以下简称“瓦排巷”)是治理工作面采空区上隅角积聚瓦斯的重要措施之一,瓦排巷还可以为开采邻近工作面时服务,因此瓦排巷应具有强度高、通风好、变形小、低成本等特点.余吾煤业N2202工作面瓦排巷一次支护往往达不到支护效果,常采用木垛支护进行二次补强加固,而木垛因压裂和潮湿空气浸蚀会出现承载力大大降低,致使巷道变形严重、断面减小、耐久性降低,这不仅影响巷道正常通风、降低瓦斯排放效果,而且不能为开采邻近工作面时服务,降低了瓦排巷的使用价值.

鉴于木垛支护遇到的难题,余吾煤业创新性地提出一种采用聚苯乙烯泡沫混凝土的墩柱式支护技术,以期实现对瓦排巷进行理想的二次支护.

1　工程概况

余吾煤业位于山西沁水煤田东部中段,井田面积160.24 km2,可采储量6.79亿t,主采3＃煤层平均厚度6 m,矿井整体瓦斯含量较高.N2202工作面布置如图1所示,倾向长280 m,走向长度1461.1 m,回风巷与瓦排巷、胶运巷道与进风巷道之间煤柱均为40 m,工作面回风巷道与瓦排巷每40 m布置一条联络巷,胶运巷道与进风巷道每240 m布置一条联络巷,工作面开切眼采用主辅切眼方式布置.N2202工作面前方的16＃～23＃联络巷之间的瓦排巷作为墩柱式支护的试验段.

图1　N2202工作面布置

2　墩柱结构及抗压性能

墩柱式支护借鉴了岩土工程中应用较多的钢管混凝土支护技术.墩柱采用空心的无缝钢管作为外壳,钢管外径650 mm,壁厚3 mm,钢管内密实填装研发的轻质聚苯乙烯泡沫(以下简称EPS)混凝土材料,钢管两端密闭封装.墩柱剖面结构见图2.

轻质EPS混凝土材料包括水泥、膨胀性聚苯乙烯(EPS)泡沫颗粒、可再分散乳胶粉、发泡剂、聚丙烯纤维和水.水泥、EPS颗粒、胶粉、发泡剂、聚丙烯纤维、水,他们的配比为174∶9.6∶3.4∶0.12∶0.2∶34.8.选用聚苯乙烯泡沫作为轻骨料可以减轻墩柱的重量,成型墩柱高2.5 m、直径0.65 m,总重仅为435 kg;EPS混凝土在成型过程中配制胶粉作为粘合剂,改良EPS颗粒与水泥浆的粘合性,改善混凝土的力学性能;原料中需加入一定量的发泡剂,通过搅拌使EPS颗粒之间的水泥浆形成细密的气泡,降低浆体流动性,改善混凝土性状;适当掺入一定量的纤维,并搅拌使纤维能够错综分布于混凝土中,可以改善混凝土在承载时的力学特性,这样不仅增加了抗压强度,还可提高劈裂抗拉强度,使混凝土在压缩时具有良好的塑性.

图2　墩柱剖面结构示意图

成型的墩柱抗压强度－形变曲线如图3所示,墩柱承载能力最大约为300 t,不仅具有较大的承载能力,相当于木垛承载力的十几倍;且还具备良好的延性,当墩柱持续承受最大荷载时,能够继续保持变形.

图3　抗压强度－形变示意图

3　巷道墩柱式支护技术

3.1墩柱安设布置

本次试验墩柱安装于北二采区的N2202工作面外错瓦排巷中,巷道顶板为岩层,底板为煤层,试验支护段自23＃联络巷处至16＃联络巷处.试验段长约280 m,巷高大部为3.2～3.4 m,局部段低至3 m、高至3.8 m,在墩柱上下垫支木板(视巷道高低不同,垫1层枕木或2层枕木),将成型的墩柱竖立于巷道中,墩柱外包有木垛,墩柱与木垛间隔布置,每隔10 m安装一墩柱,共安装28根墩柱,两墩柱中间打设一木垛,平面布置示意图如图4所示.

图4　瓦排巷墩柱与木垛支护平面布置

3.2墩柱的运输及安装

墩柱的运输安装工艺十分简便,从井口至回风巷有运输系统,可借助于运输系统将墩柱运至回风巷,而在瓦排巷中没有轨道运输系统,因此设计了墩柱运输车和吊立支架,见图5所示.墩柱从回风巷运至瓦排巷可采用运输车运输,墩柱运输到安装地点后,采用吊立支架将墩柱竖立稳定.墩柱运输车移动方便,可采用人力方式进行驱动,转向盘可以任意控制转向,并在轮子边缘安装有刹车装置;吊立支架应用滑轮滚动原理制作,可以较轻便地将墩柱吊立竖起.

图5　墩柱运输车及吊立支架

3.3支护效果检测

当工作面回采至16＃联络巷后进行支护效果观测,此时工作面与瓦排巷中23＃联络巷处的1＃墩柱之间的距离为280 m,1＃墩柱处的瓦排巷变形已进入稳定期.由于前7根墩柱承压期较长,具备较大的观测价值,因此选择1＃～7＃墩柱所在处为观测点.检测巷道底鼓变形情况如图6所示,巷道变形尺寸如表1所示.

图6　巷道走向方向底鼓示意图

表1　巷道变形尺寸

检测结果可知,安装墩柱的位置变形量较小,且墩柱无压缩变形现象;而木垛位置处顶底板移近量较大,底鼓较明显,在两个墩柱之间的木垛处形成一隆起的坡面,且木垛向一侧歪斜、有劈裂现象.结果表明,墩柱的位置处断面平均收缩22.2％,木垛位置处平均收缩34.3％,两者相差12.1％,因此采用墩柱式支护达到了理想的支护状态.

3.4墩柱式支护优点

(1)承载极限力大,是木垛的十几倍,现场应用中墩柱未变形,承载力大于所受矿山压力.

(2)断面收缩情况和底部巷道的平整程度,墩柱都明显优于木垛.

(3)巷道断面收缩下导致整体通风阻力小,能有效改善风流状况,比木垛增大通风面积,改善通风条件.

(4)耐潮湿、不腐烂,耐久性好,可以为开拓邻近巷道时服务.

(5)重量轻、便于运输安装.

4　结论

(1)现场观测数据结果和支护效果表明墩柱式支护效果明显优于木垛支护,采用墩柱式二次支护瓦排巷可以有效控制围岩变形,增大巷道的通风面积,有助于上隅角瓦斯的顺利排放.

(2)与木垛支护技术相比,墩柱具有重量轻、强度高、耐久性强、成本低、施工工艺简单等优点,工业现场试验证实可以用其代替木垛二次支护瓦排巷.

参考文献:

[1]国家安全生产监督管理总局.防治煤与瓦斯突出规定[M].北京:煤炭工业出版社,2009

[2]贾民,马纪安.煤矿井下巷旁充填早强混凝土沿空留巷技术[J].煤炭科学技术,2013(5)

[3]苏海.高瓦斯矿井煤柱内沿空掘巷围岩稳定性分析[J].中国煤炭,2015(5)

[4]蔡绍怀.现代钢管混凝土结构(修订版)[M].北京:人民交通出版社,2007

[5]高延法,冯绍伟,刘珂铭等.极软岩返修巷道钢管混凝土支架支护方案研究[J].中国煤炭,2014 (11)

[6]刘珂铭,高延法,郭贺等.深井软岩巷道钢管混凝土支架复合支护技术[J].中国煤炭,2015(6)

[7]何晓升,于广龙,孙晓彤等.极软岩巷道钢管混凝土支架结构优化设计[J].中国煤炭,2015(12)

[8]刘力红,贾北华,刘华民等.磨料水射流井下切割钢管装置的设计[J].中国煤炭,2015(6)

[9]史国跃.高瓦斯矿井高水材料充填墩柱沿空留巷技术[J].煤炭科学技术,2014(7)

[10]刘国磊.动压巷道钢管混凝土支架支护技术应用研究[J].煤炭技术,2015(5)

(责任编辑 张毅玲)

作者简介:史红邈(1975－),男,山西省武乡人,工程师,从事矿井生产管理方面的研究和工作。

中图分类号TD353

文献标识码A