墩柱沿空留巷

高水材料墩柱沿空留巷技术研究

摘要：为了有效地控制了巷道围岩变形、降低工作面上隅角和回风顺槽的瓦斯浓度，减小回风顺槽的通风阻力，提出了采用高水材料构筑墩柱沿空留巷这一种新型的留巷方法。采用理论分析和现场实践相结合的方法，对墩柱沿空留巷力学模型、墩柱承载能力、墩柱抗侧推能力、巷内围岩控制、充填系统、施工工艺等关键技术进行了系统的研究。工业试验结果表明：高水材料墩柱沿空留巷技术取得了良好的经济、技术和社会效益，具有广阔的推广应用前景。

关键词：双U型通风；高水材料；墩柱；沿空留巷

沿空留巷具有突出的技术和安全优势，我国从薄煤层到厚煤层、从缓斜煤层到急倾斜煤层，均有沿空留巷的成功经验。沿空留巷的关键是沿空一侧巷旁支护体的材料和性能的选择,要求增阻速度快,并具有合理的支护阻力能切落一定高度的顶板,具有较大的变形量适应沿空留巷剧烈变形,同时希望巷旁支护成本低廉,这些特性推动着巷旁支护技术的发展。高水材料巷旁充填沿空留巷技术由于其在采煤生产中具有施工工艺简单、易于操作、支护强度高、巷道收敛变形小等优点，而愈来愈受到采矿界的高度重视, 并逐步得到推广应用。

本文基于对高河能源有限公司E1302工作面回风顺槽的变形破坏分析，以课题组采用高水材料巷旁充填沿空留巷工程实践为背景，重点研究墩柱沿空留巷围岩控制技术，取得了良好的工程试验效果。

1 工程条件分析

1.1 工程概况

高河能源有限公司为高瓦斯矿井，为降低工作面上隅角和回风顺槽的瓦斯浓度，在增加工作面配风量的同时，配备一条专用瓦斯排放巷，形成两进两回的“双U”型通风，“双U”型巷

图1-1 “双U”型巷道布置方式平面位置关系

道布置方式平面位置关系如图1-1所示。为避免工作面上隅角及回风顺槽瓦斯超标，在工作面采过后将工作面后方至联络巷之间的一段回风顺槽保留下来，分流回风顺槽中瓦斯含量，当工作面推进到下一个联络巷时，密闭原先采空区后方的联络巷、打开下一个联络巷，两个联络巷之间所保留的巷道即完成任务。

高河能源有限公司E1302回采工作面为东一盘区首采面，周边均为未采区，北面接+450m 水平东翼进风大巷、辅运大巷及胶带大巷。E1302工作面巷道布置如图1-2所示.

图1-2 E1302工作面巷道布置图

高河能源有限公司以往在工作面后方的回风顺槽留巷时，采用木垛进行护巷，导致坑木消耗量大，同时，在采空区后方回风顺槽顶板旋转下沉作用下，支护强度较低的木垛易发生失稳破坏，堵塞留巷，影响上隅角瓦斯向瓦排巷顺利排放。因此，在保证通风的情况下，研究采用凝结快、强度高、稳定性好的高水材料进行留巷，是十分必要的。

1.2 工程岩体特性

高河能源有限公司E1302工作面回采的3#煤层赋存于二叠系下统山西组（P1s），距9#煤层55.72 m～79.70m，为陆相湖泊型沉积。煤层厚度较稳定，局部出现煤层厚度增加、倾角变大现象，煤厚5.8m～7.2m，平均厚度6.5m。该工作面内煤层倾角3°～14°，工作面平均角度8°，工作面埋深400m左右。全煤间夹有一层炭质泥岩夹矸，厚度0.37m～1.00m。E1302工作面3#煤层顶底板围岩特征如表1-1所示，E1302工作面回风顺槽支护方案如图1-3所示。

表1-1 3#煤层顶底板围岩特征

图1-1 E1302工作面回风顺槽支护布置图

2 高水材料墩柱沿空留巷技术

2.1 高水材料简介

高水材料是一种能在高水灰比条件(W/C=1.3:1～3:1)下快速凝结的特种水泥，与一般的水泥类材料相比，高水材料凝结时间短，早期强度高并可调，通过改变水灰比和添加剂成分

就能获得不同强度的凝结体，可以满足不同工程的需要，且高水材料具有突出的塑性特征，在载荷达到峰值强度后，高水材料并不立即完全破坏丧失承载能力，而是随着应变的进一步加大，承载能力呈缓慢下降变化，承载能力随应变增加缓慢下降的速度远小于一般的混凝土和岩石材料，在压力作用下可以允许较大的塑性变形，强度衰减比较缓慢，可以维持较高的残余强度。

高水材料的这种水化硬化反应过程可描述如下：

2.2 墩柱支护技术

墩柱结构设计过程中采用钢筋网内放置充填袋，充填袋充填高水材料方式构筑而成，墩柱外套铁丝网结构及充填袋如图所示。

直径6.5mm

钢筋网

直径16mm 圆钢

图2-1 墩柱外套结构图

图2-2 充填袋

由于墩柱将承受顶底板移近传递的载荷，因此墩柱结构上必须具有一定的支护阻力和可缩性。高水材料形成的充填体结构本身就具有一定的可缩量，且钢筋网在结构上并没有形成

强度硬化体

胶凝固化 水化溶解 乙料

水化溶解 甲料

高水速凝材料

⇒ ⇒

一个封闭的空间结构，当顶板给予墩柱一定压力时，管内高水材料充填体发生碎胀变形，破碎后的充填体发生压缩变形，在钢筋网破断前的承载范围内，充填结构依然具有一定的可缩量。

设高水材料满足摩尔-库仑破坏准则，随着顶板压力的增加，管内充填料产生横向变形，材料与钢筋结构的相互作用力也相应增加，即材料围压增大，所带来的效应是材料的强度增加，当压力大到一定程度，钢筋结构发生冲切破坏（图2-3），这就说明其可缩性也是有一定限度的。

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图2-3 高水材料破坏原理

2.3墩柱参数确定

墩柱支护参数的选择应使本区段工作面回采稳定以后墩柱仍具有一定承载能力，且保证E1302工作面后方两个联络巷之间60m内回风顺槽具有一定的有效通风断面，保证工作面通风顺畅。

（1）墩柱强度确定

根据该工作面上覆岩层结构特点及井下施工条件，综合考虑E1302工作面回风顺槽试验巷道的巷旁墩柱支护体的抗压强度要求和经济效益，通过调节水灰比来改变巷旁支护体强度，满足工程强度要求，最终选用高水材料的水灰比为1.5：1。

（2）墩柱直径确定

墩柱直径选取应保证本区段工作面回采以后，E1302工作面回采稳定以后墩柱仍具有一定承载能力为宜，墩柱直径过小会造成墩柱承载能力减小，墩柱直径过大造成资源浪费，使支护成本增高，因此墩柱应具有一个合理的直径既能保证一定的承载能力又可以节约成本。

根据理论分析，采用直径为850mm、中心距为1650mm的墩柱能满足使要求。采用数值模拟在保持墩柱中心距为1650mm不变的情况下，分别模拟墩柱直径650mm、850mm、1050mm 时巷道围岩变形量及墩柱变形量如图2-4所示。考虑到生产成本，最终确定墩柱的合理直径应取850mm。