CN104763434B - 一种无煤柱双巷掘进方法 - Google Patents
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Abstract
一种无煤柱双巷掘进方法是在工作面回风顺槽与尾巷掘进中留出隔离墙宽度掘进尾巷，在滞后尾巷掘进工作面后，在掘巷内帮构筑砼墩柱及其留有联络通道的混凝土隔离墙，并预埋瓦斯抽放管，墙体强度达标后，将墙体作为工作面回风顺槽的一帮进行掘进，在下一联络通道形成之后即将前一通道进行临时密闭，尾巷与回风巷间通过联络通道形成双巷掘进的通风效果。本方法以隔离墙为保护煤柱，从根本上解决了传统形式的留巷方法给工作面回采带来的不利影响，巷道一次掘进断面小，掘进施工与巷道支护简单易行，成本低廉，安全高效。
Description
背景技术
无煤柱开采是合理开发煤炭资源，改善巷道维护，减少巷道掘进量，有利于矿井安全生产和改善矿井技术经济效果的一项先进的地下开采方法。推行无煤柱开采，不仅对生产矿井进行技术改造、缓和采掘关系和延长矿井寿命具有现实意义，而且也是使煤炭企业改善安全条件和技术经济指标，增产、增盈减亏的重要途径之一。作为一种无煤柱护巷技术，沿空留巷是合理的开发现有煤炭资源、提高煤炭资源采出率的一种有效途径。目前沿空留巷巷道掘进与后期留巷方法诸多，但是很多方法都有一些不足之处。
公开号为CN 102392642 A公开了“一种无煤柱回采工作面的巷道布置方法”，此方法从巷道掘进和巷旁充填隔离墙的构筑来看，是一种常规的沿空留巷方式，回采巷道形成Y型通风系统，能有效解决工作面上隅角瓦斯积聚的问题。在此方法中，隔离墙的构筑滞后于回采工作面，工作面推进速度要与隔离墙的构筑速度相适应，这就给回采工作面的推进速度形成影响，从而制约了矿井的高效生产；在此方法中，将回采工作面回采前的巷道掘进与回采后的留巷相互独立，未能统筹考虑，顺槽掘进之后由于回采期间动压影响，顶板的下沉比较大，巷道变形严重，很有可能使留巷效果达不到预期目标，甚至失败；隔离墙的施工是在采空区内进行的，施工位置人机密集，工人和设备的安全无法得到有效保障；顺槽以单巷方式掘进，局部通风尤其是在顺槽较长情况下的局部通风比较困难。
公开号为CN 102287212A公开了“一种Y型通风的方法”，以及公开号为CN102337904 A公开了一种“沿空留巷的方法”，在采面运输顺槽掘进时，将运输顺槽与沿空留巷“合二为一”进行掘进，二者之间构筑“巷中砼墩柱”，回采时，随工作面的推进在工作面之后的墩柱之间构筑隔离墙，将回采工作面回采前的巷道掘进与回采后的留巷统筹考虑，如附图7所示。砼墩柱的提前构筑，作为巷中支护，可以有效降低顶板的下沉，加快隔离墙的施工速度，降低因隔离墙的施工而给回采工作带来的不利影响，增加了构筑隔离墙时的安全性。但是此两种方法在巷道掘进的时候，将运输顺槽与沿空留巷“合二为一”掘进，致使巷道宽度达两条巷道的宽度，超过了开切眼，超大断面巷道掘进和支护都很困难，容易造成事故隐患；另巷道的掘进是以单巷方式进行，掘进通风特别是在顺槽长度大的情况下的掘进通风困难；隔离墙的构筑仍然是滞后于工作面，未能在根本上解决隔离墙的构筑给回采工作带来的影响。
公开号为CN 102587933 A公开了“一种采用预制墙体的沿空留巷方法”专利，在巷道的一侧固定预制墙体的模板后，将混凝土提前注入其中，凝固后形成具有较强承压能力的混凝土墙体组块，随回采工作的进行，在巷道内靠近采空区，将这些组块拖移至巷旁支护位置形成支护墙体，用密封材料浇注组块与组块之间以及组块与顶板之间的缝隙。这种留巷方法极大的提高了隔离墙的施工速度以及施工安全性。但是此方法有单巷掘进通风困难的不足。另外工作面回采前的巷道掘进与回采后的留巷相互独立，未能统筹考虑，很可能由于后期巷道变形过大而导致后期的留巷工作无法达到预期目标甚至是失败。
因此，寻求一种隔离墙构筑的最佳方法，已是改善无煤柱开采生产技术条件和煤炭工业和谐发展的迫切要求。
发明内容
基于上述现有技术，本发明要解决的具体技术问题是如何寻求一种构筑巷旁充填体隔离墙的最佳方法，以提前形成巷道并构成双巷通风，进一步提高留巷工程与工作面生产效率，进而提供一种无煤柱双巷掘进方法。
上述所提供的一种无煤柱双巷掘进方法是通过以下技术方案实现的。
一种无煤柱双巷掘进方法，其所述方法是在U+L通风方式工作面将巷道掘进与回采后留巷一并进行，回采后留尾巷，具体方法如下：
在工作面回风顺槽与尾巷掘进时，预先留出隔离墙设计宽度掘进尾巷，用锚网支护边掘边支巷道顶板和外帮；
在滞后尾巷掘进工作面紧贴内帮采用堆喷方法构筑砼墩柱，按设计要求宽度在砼墩柱间间隔留空作为尾巷与回风顺槽联络通道构筑混凝土隔离墙，以及预埋管路开闭可控的瓦斯抽放管贯通墙体；
在墙体强度达标后沿墙体按设计宽度掘进回风顺槽，对顶板及内帮及时支护，尾巷与回风巷间通过联络通道形成双巷掘进通风道，并在下一联络通道形成后对上一联络通道进行临时密闭；
在工作面回采前，从切眼开始，视工作面日推进度超前工作面一定距离，沿隔离墙对巷旁顶板钻孔，注入胀裂剂进行深孔预裂；
在工作面回采时， U+L通风系统中回风顺槽是主要回风巷道，尾巷是辅助回风巷道，随工作面的推进，由内向外依次打开临时密闭的联络通道，并在打开下一通道后，即对上一通道进行永久密闭。
在上述技术方案中，所述堆喷方法是水泥、水、沙子、石子、TWK外加剂按照1:0.4:2:1.8:0.22的重量比混合，并采用混凝土喷射方法由下至上进行喷射堆砌成形。
在上述技术方案中，所述U+L通风系统是工作面运输顺槽进风，新鲜风流经工作面后在其上隅角处分为两路，一路作为主回风经工作面回风顺槽进入回风巷；另一路作为辅助回风经隔离墙的通道进入尾巷，然后进入回风巷。
实现上述一种无煤柱双巷掘进方法的技术方案，与现有技术相比，其优点与积极效果是本方法进行沿空留巷，实际上是以隔离墙作为保护煤柱，实现了无煤柱开采和作为巷中支护有效支撑顶板，有效减少了巷道变形。
本无煤柱双巷掘进方法是在工作面回采之前就构筑了留巷隔离墙，从根本上解决了传统形式的留巷方法给工作面回采带来的干扰，以及巷旁隔离墙的施工在采空区进行存在安全隐患的不利影响，巷道一次掘进不仅断面小，而且形成了双巷掘进的积极效果，使得掘进施工、巷道支护以及掘进通风互不干扰，有效推进，进一步提高了煤矿的生产效率。
本无煤柱双巷掘进方法沿空留巷更重要的是合理地开发了现有煤炭资源，改善了巷道维护，减少了巷道掘进量，使煤炭资源采出率得以进一步提高，而且方法简单易行，成本低廉，安全可靠。
附图说明
图1是本发明尾巷与回风顺槽掘进以及隔离墙结构示意图。
图2是本发明巷道支护方案设计图。
图3是本发明工作面回风通道结构示意图。
图4是本发明混凝土隔离墙三视结构示意图。
图5是现有留煤柱开采结构示意图。
图6是现有传统沿空留巷结构示意图。
图7是现有宽巷一次掘进巷中提前构筑砼墩柱沿空留巷结构示意图。
图中：1：尾巷；2：混凝土隔离墙；3：临时密闭；4：回风顺槽 ；5：联络通道； 6：回采工作面；7：采空区；8：永久密闭；9：井田边界煤柱；10：砼墩柱；11：筋。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
采用本发明上述提供的一种无煤柱双巷掘进方法，在现有煤矿井下进行开采掘进，具体方法如下。
(1) 在工作面回风顺槽4与尾巷1掘进时，预先留出隔离墙的宽度掘进尾巷。
(2) 为满足施工需要，滞后尾巷掘进工作面一段距离紧邻掘巷靠近回采工作面的煤帮构筑砼墩柱11，在砼墩柱之间浇注混凝土隔离墙2，并且每隔一段距离在隔离墙体内留下一定宽度的缺口5。砼墩柱和隔离墙的构筑采用堆喷工艺能保证其有效接顶，形成隔离墙早期强度高，显著缩短施工时间。在隔离墙的构筑过程中，可以视煤层瓦斯涌出量的大小预埋瓦斯抽放管以备后期的瓦斯抽放工作之用。
(3) 待隔离墙强度达到要求以后，以之为一帮掘进回采工作面回风顺槽4，亦即尾巷1和回风顺槽4的掘进以隔离墙2隔开，通过隔离墙内预留的缺口5作为联络通道形成双巷掘进的有利效果。下一联络通道形成后对前一个联络通道及时补齐临时封闭3。
(4) 工作面开始回采后，随着工作面的推进，从内向外依次打开之前临时密闭的联络口，并且要做到在下一个联络口打开之后，即对上一个联络口进行永久密闭。工作面通风方式为“U+L”通风，即工作面运输顺槽进风，新鲜风流经过工作面之后在其下端头处分为两路，一路作为主回风经工作面回风顺槽进入回风顺槽；另一路作为辅助回风经隔离墙的联络口5进入尾巷1，也就是所需留下的巷道，接替工作面运输顺槽，然后进入总回风巷。
下面通过具体实施例对本方法作出进一步的说明。
实施例1
以阳煤集团平舒煤矿81号为例，该煤位于太原组顶部，上距6号煤15m左右。煤层厚0.90～2.50m，平均1.67m。结构简单，不含或含一层夹矸。顶板岩性多为泥岩、砂质泥岩，抗压强度20.0～49.2MPa，抗拉强度0.5～2.1MPa，顶板稳定性较好；底板岩性多为砂质泥岩、泥岩，抗压强度26.1～86.2MPa，抗拉强度0.6～5.2MPa。据井下对81号煤层顶底板观察，其顶板为黑色泥岩及砂质泥岩，致密细腻节理较发育，巷道中顶板稳定性好，容易维护。其底板为黑色泥岩及砂质泥岩，未有底鼓等现象发生，稳定性好，容易维护。
掘进巷道断面为矩形，沿掘进的尾巷全长间隔设置巷中砼墩柱隔离墙，沿隔离墙滞后尾巷掘面掘进轨道顺槽，将尾巷和轨道顺槽的掘进一分为二，左侧为回采工作面的尾巷，右侧为回采工作面的轨道顺槽。巷道顶板有锚杆、锚索支护，巷道两帮有锚杆支护。巷中砼墩柱隔离墙与锚网索共同支护顶板。
步骤一、回风顺槽和尾巷分别掘进，中间以混凝土隔离墙隔开。两条巷道总掘进断面既要满足回风巷和尾巷各自的使用要求，又要满足巷中隔离墙的要求，根据现场具体条件确定两巷总掘进断面宽为10000mm，回风巷3600mm，隔离墙1500mm，尾巷4900mm。
步骤二、从采面开切眼至停采线沿巷中布置隔离墙，每隔49.5m，留设一个宽度为2.5m的联络通道，作为行人、通风通道，下一联络通道形成后对前一个联络通道及时补齐临时封闭。
步骤三、巷中隔离墙的横断面选择矩形。根据混凝土所受载荷、混凝土强度计算决定巷中隔离墙的横断面为1500×3150mm。
（1）由于巷道侧为煤体，属于松软岩层，根据普氏冒落拱原理，顶板冒落拱高度可由以下公式计算：
巷道宽度L=10m，巷道高度3.15m，顶板泥岩内摩擦角取20°，单轴抗压强度取23MPa。计算得巷道顶板冒落拱高度：
则顶板压力为：
以上是在静压状态下的顶板压力。回采过程中，巷道要受到本工作面采动形成的超前支承压力作用，同时受到采空侧的残余支承压力的影响，工作面超前支承压力与采空区残余支承压力的叠加作用会在巷道围岩及其支护物上形成较高的应力集中，应力集中系数可达7～10。由此可知，在动压状态下，顶板压力为：
在开采过程中，本工作面的顶板及采空区顶板会放生断裂、回转，所以设计的隔离墙必须具有较强的抗压与抗弯能力。因此，所设计的隔离墙中主要的承载体的强度要具有足够高的安全系数，此处安全系数取为4（在动压状态下），即：隔离墙中钢筋混凝土支柱的承载能力设计应大于31330kN。
（2）混凝土隔离墙支柱设计。
①设计要求:
构件组装后实际高度：H=3350mm
混凝土强度等级: C30
纵向钢筋等级: HRB335
螺旋箍筋等级: HRB235
纵向钢筋直径：φ=24mm
螺旋箍筋直径: φ=10 mm
螺旋箍筋间距：S=100mm
矩形截面直径：d=1500mm
钢筋合力点至截面近边的距离：a=30mm
纵向钢筋面积：As=5425.92.92mm2
②计算参数:
根据设计要求查规范得
混凝土C30的参数为:配置强度一般38～40Mpa
混凝土轴心抗压强度设计值：
钢筋HRB335的参数为:Φ14，Ⅱ级螺纹钢
普通钢筋抗拉强度设计值：
③计算过程:
计算长度：
计算比值：
构件核心截面直径：
构件核心截面面积：A cor=d 2 con =2131600(mm2)
单根φ10间接钢筋的截面面积：A ss1= 78.5(mm2)
箍筋的换算截面面积:,故不考虑间接钢筋的影响。
轴压力:
配筋率：
故由计算得混凝土支柱所能承受的最大载荷为33803kN，满足实际要求。
④选用钢筋数量和规格
ⅰ纵筋数量和规格
直径：φ=24 mm
横截面积：A ss1= 452.16mm2
钢筋数量：28根；
总面积：A s =12666.9mm2；
ⅱ间接钢筋规格
直径：φ=10 mm
截面积：A=78.5mm2
在巷道掘进期间边掘进边构筑。在上一段砼墩柱隔离墙凝固后，进行下一个巷中砼墩柱隔离墙的施工。
巷中隔离墙构筑方法：
在巷道设定位置安装钢筋笼、安设墩柱模具、泵送砼至墙模具内喷射砼，采用集中备料集中构筑施工方式。
巷中隔离墙具体施工步骤：
①清理：在确定构筑隔离墙的位置，为保证混凝土隔离墙的稳定性，在混凝土墙所在位置的底板处需卧底200mm，同时清理顶板上的浮矸。
②安装隔离墙模具：将钢筋笼装入钢模具，把钢模具置于柱窝，调整钢筋笼和钢模具的高度；利用上端模具的上连接架，用细钢丝或铁丝把上端模具固定到巷道顶网上，使上端模具与顶板的间隙≯100mm，上下端模具搭接段≮200mm。将浇注管路和隔离墙模具的喷浆口连接牢固。在隔离墙模具旁临时支设摩擦支柱或单体支柱并用细钢丝绳或铁丝固定，以防喷射砼对模具冲击造成错位。
③砼搅拌：首先测定要每车料所用的砂子、石子、水泥用量，然后将石子隔离加水，石子本身不吸水，待石子润湿后加入TWK外加剂充分搅拌，最后将砂子、水泥按配合比加入石子中，搅拌均匀。即：拌料要潮拌，均匀，使喷浆为潮喷。采用潮拌工艺补充水分，更能抑制粉尘发生，同时水泥可得到充分水化。
所述TWK外加剂是采用机械研磨法进行细化的无机纳米级材料，由太原鑫砼威科技助剂有限公司生产。究其物理、化学作用具有以下几种特性。
ⅰ、TWK外加剂掺入水泥，加快了水泥诱导期和加速期的水化反应，提高界面的粘结的浓度、梯度、改善了弱势区的强度，增加了和易性。
ⅱ、TWK与Ca(OH)2反应，生成了新的C—S—H凝胶。
ⅲ、粒径小10±5nm；布朗运动活泼，改善了砼的堆积密度，增加了硅酸盐的链长（常规2.6，TWK3.0），缩小了水泥砼的孔隙率，使耐久性成倍提高。
ⅳ、TWK外加剂掺入水泥，加速水泥水化反应，使气—固—液三相饱和度达到相应的浓度梯度，改善了水泥凝固的三维结构。
④砼堆喷：转子式—Ⅱ型喷浆机，双水环锥形喷头， 风压、水压：风压0.12—0.17Mpa，水压0.18—0.21Mpa。喷枪设置双水环，环上钻有微孔，经水压射出细的水流，水流呈交叉网状，充分润湿物料，在模具内从下到上逐层堆喷，在接顶处要加强喷射施工，使其充分接顶。
巷中隔离墙在水平巷道要竖直构筑，允许偏差角度±2°，倾斜巷道施工隔离墙时，要有2～3°的迎山角度。为保证混凝土隔离墙的稳定性，在混凝土墙所在位置的底板处需卧底200mm，故混凝土隔离墙高度设计为3350mm。隔离墙堆喷完成后，要及时在其上肩角处喷一层0.5cm厚的弹性防漏风材料，防止接顶不严漏风。
Claims (3)
1.一种无煤柱双巷掘进方法，其所述方法是在U+L通风方式工作面将巷道掘进与回采后留巷一并进行，回采后留尾巷，具体方法如下：
在工作面回风顺槽与尾巷掘进时，预先留出隔离墙设计宽度掘进尾巷，用锚网支护边掘边支巷道顶板和外帮；
在滞后尾巷掘进工作面紧贴内帮采用堆喷方法构筑砼墩柱，按设计要求宽度在砼墩柱间间隔留空作为尾巷与回风顺槽联络通道构筑混凝土隔离墙，以及预埋管路开闭可控的瓦斯抽放管贯通墙体；
在墙体强度达标后沿墙体按设计宽度掘进回风顺槽，对顶板及内帮及时支护，尾巷与回风巷间通过联络通道形成双巷掘进通风道，并在下一联络通道形成后对上一联络通道进行临时密闭；
在工作面回采前，从切眼开始，视工作面日推进度超前工作面一定距离，沿隔离墙对巷旁顶板钻孔，注入胀裂剂进行深孔预裂；
在工作面回采时， U+L通风系统中回风顺槽是主要回风巷道，尾巷是辅助回风巷道，随工作面的推进，由内向外依次打开临时密闭的联络通道，并在打开下一通道后，对上一通道进行永久密闭。
2.如权利要求1所述的无煤柱双巷掘进方法，其所述堆喷方法是水泥、水、沙子、石子、TWK外加剂按1:0.4:2:1.8:0.22的重量比混合，并采用混凝土喷射方法由下至上进行喷射堆砌成形。
3.如权利要求1所述的无煤柱双巷掘进方法，其所述U+L通风系统是工作面运输顺槽进风，新鲜风流经工作面后在其上隅角处分为两路，一路作为主回风经工作面回风顺槽进入回风巷；另一路作为辅助回风经隔离墙的通道进入尾巷，然后进入回风巷。
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