CN111140280A - 一种沿空巷道煤柱帮堆喷混凝土墙加固堵水的方法 - Google Patents
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Abstract
一种沿空巷道煤柱帮堆喷混凝土墙加固堵水的方法，属于巷道加固技术领域，可解决煤矿井下采煤工作面沿空巷道低洼处煤柱帮渗流采空区水的问题，本发明在沿空巷道煤柱帮堆喷构筑混凝土墙，通过混凝土墙增强沿空巷道煤柱帮的承载能力和封堵采空区积水透过煤柱向巷道内渗流。本发明不仅能够阻隔采空区积水透过煤柱向巷道内渗流，起到堵水的目的，而且可以承载煤柱上方的载荷，对煤柱起到一定的加固作用。
Description
技术领域
本发明属于巷道加固技术领域，具体涉及一种沿空巷道煤柱帮堆喷混凝土墙加固堵水的方法。
背景技术
地层中富含水源，煤层采出后形成的采空区并不会因为上覆岩层垮落而被完全充填密实，采空区上方岩层中的地下水会沿着采动裂隙流向采空区，从而形成人为的储水空间。如果有水源补给，采空区内的积水量会不断增加。在已采空区域周边布置其他回采工作面时，首先需要沿着采空区边缘留设适当宽度的护巷煤柱掘进回采巷道，此类巷道被称为沿空巷道。埋藏于地下的煤层起伏变化，导致沿煤层布置的沿空巷道并不在同一高度水平。当采空区积水量大，而护巷煤柱的抗渗流能力较差时，在沿空巷道低洼处的煤柱帮会出现采空区积水向巷道内渗流的现象。
在巷道掘进及采煤工作面回采过程中，虽然会提前进行采空区积水探测，并采取埋管排放措施，但如果采空区积水有水源补给，则其不可能被排空，采空区积水会透过煤柱渗流到巷道内，不仅在回采巷道内低洼处形成积水，而且容易造成煤柱酥帮、垮塌、有效宽度减小，巷道变形量增大，不利于回采巷道围岩控制，给回采工作面超前顶板支护管理带来安全隐患。为了保证施工安全，必须采取措施对受采空区积水渗流影响范围的煤柱进行加固和封堵。
目前所采取的封堵采空区积水措施主要有两种，一是向渗水范围的煤柱内注浆，充填煤柱内的导水裂隙，达到堵水目的；二是增大护巷煤柱宽度，利用宽煤柱阻隔采空区积水。这两种方法虽然能够达到封堵采空区积水透过煤柱向巷道内渗流的目的，但方法一向渗水煤柱内所注的浆液一般为化学材料，需要先喷浆密封煤柱表面，然后打孔注浆，不仅工艺复杂，而且化学注浆材料价格昂贵，导致施工成本增加，限制其推广使用。方法二留宽度较大的煤柱会损失大量珍贵且不可再生的煤炭资源，与当前煤炭高采出率的要求相悖。
在公开文献中可以获得公开号为CN 201611026101.1的“一种煤矿采空区水探放方法”，该方法在采空区形成前布置多个传感器组，采空区形成后划分积水区段，并对每个积水区段进行探放水。该方法存在的缺点其一是探放水工程持续时间长，从采空区形成前布置传感器到形成采空区后分区段探放水，在煤矿井下这个过程会持续两年以上，如此长的持续时间，前期安装的传感器可能损毁失效；其二是没有具体说明放水方式，仍不能有效指导现场施工。
为了解决煤矿井下采煤工作面沿空巷道低洼处煤柱帮渗流采空区水的问题，简化施工工艺，在煤柱帮向采空区钻孔排水的基础上，加强煤柱的支护强度和整体稳定性，封闭渗流通道，达到安全回采的目的，迫切需要寻求一种用于采煤工作面沿空巷道煤柱帮堆喷混凝土墙加固堵水的方法。
发明内容
本发明针对煤矿井下采煤工作面沿空巷道低洼处煤柱帮渗流采空区水的问题，提供一种沿空巷道煤柱帮堆喷混凝土墙加固堵水的方法，在沿空巷道煤柱帮堆喷构筑混凝土墙，通过混凝土墙增强沿空巷道煤柱帮的承载能力和封堵采空区积水透过煤柱向巷道内渗流。
本发明采用如下技术方案：
一种沿空巷道煤柱帮堆喷混凝土墙加固堵水的方法，包括如下步骤：
第一步，在沿空巷道渗水范围的煤柱帮距离底板高度1m、沿巷道轴向间隔10m向采空区内打设直径为80mm的排水钻孔，排水钻孔打好后，在钻孔内安装外径为80mm的无缝钢管伸入到采空区并封孔，钢管外端伸出煤柱帮600mm并安装阀门，集中排放采空区积水；
第二步，清理去除沿空巷道煤柱帮渗水范围的杂物和已片帮或垮落的煤体，清除煤柱帮渗水范围底板的浮渣并找到硬底；
第三步，在渗水范围巷道内距煤柱帮200mm处打设一排起补强支护的贴帮圆木点柱，贴帮圆木点柱的排距为1200m，贴帮圆木点柱的直径为250mm，贴帮圆木点柱长度为放置位置巷道顶底板的高度；
第四步，在贴帮圆木点柱外侧从上至下挂设长×宽=1400mm×1000mm的Φ6mm钢筋网片，相邻钢筋网片之间的搭接长度为100mm，并用绑丝绑扎牢固；
第五步，在两根贴帮圆木点柱之间的煤柱帮上从上至下补打一排规格为Φ20×2400mm的螺纹钢锚杆，每排3根，第一根距底板500mm，第二根在煤柱帮中部，第三根距顶板500mm，排距1200mm；锚杆托盘在钢筋网片位置，锚杆钻孔深1.8m，钻孔直径28mm，每根锚杆使用一支K2335、一支Z2360树脂药卷锚固剂，安装扭矩50KN·m；
第六步，在地面拌料场称量堆喷混凝土用的石子，洒水充分浸湿后放入搅拌机内，按照石子：JCT-1堆喷混凝土外加剂的质量比为1 : 0.03的比例向搅拌机内添加JCT-1堆喷混凝土外加剂，启动搅拌机开始搅拌，使JCT-1堆喷混凝土外加剂均匀地包裹在石子表面；
第七步，按照石子：水泥：砂子的质量比为1 : 0.5 : 1的比例向搅拌机内添加水泥和砂子，继续搅拌至混合均匀，得到堆喷所用的混合料；
第八步，将搅拌均匀的堆喷混合料装车运输至井下堆喷筑墙堵水加固地点，连续向喷射机料斗内加入拌和好的混合料，打开喷射机喷头处的水管阀门和自动添加液体速凝剂管路阀门，调节阀门水管流量，控制喷枪出口处混凝土的水灰比为0.4~0.5，接通喷射机的压风管路，启动风动振动器和上料机，开始堆喷筑墙作业，堆喷筑墙过程中，喷头对着挂设好的钢筋网片做连续不断的螺旋状圆周运动，螺旋直径为20~30 cm，后一圈覆盖前一圈1/3，从下至上堆喷筑墙，一次堆喷达到墙体设计厚度500mm并完全覆盖贴帮圆木点柱、钢筋网片和补打锚杆的托盘；
第九步，堆喷筑墙作业连续进行，直至同一范围堆喷墙体全部形成，此时停止向喷射机料斗内加堆喷混合料，确认喷射机料斗内没有余料、喷头处不再有料喷出时，关闭自动添加速凝剂阀门，再关闭风动震动器；向喷射机料斗内加入水，将上料机和输送管路清洗干净，最后关闭压风、压水和电源，清洗自动添加液体速凝剂管路和清理喷射机周围杂物。
堆喷筑墙的标准是墙体表面的不平整度小于10 mm，墙体落在硬底，接顶严密不留空隙，弯曲覆盖松木圆柱、钢筋网片和补打锚杆的托盘，墙体厚度满足设计要求。
优选地，所述水泥为硅酸盐水泥，强度等级不低于32.5Mpa。
所述石子为粒径为5～15mm的碎石。
所述砂子为中砂，细度模数大于2.5，含水率为5～7%，含泥量小于3%。
所述喷射机为转子式—Ⅱ型喷浆机，喷枪为双水环锥形喷头；喷枪设置双水环，环上按间排距10mm布置有直径为1mm的微孔，经水压射出细水流，水流呈交叉网状，可充分润湿物料。
所述喷射机喷射过程中的风压为0.12～0.17MPa，水压为0.18～0.21MPa。
所述钢筋网片的网孔尺寸为100mm×100mm，钢筋搭接处点焊牢固；钢筋网片的具体尺寸也科根据巷道的高度作相应调整，但必须满足挂设的钢筋网片布满整个煤柱帮。
JCT-1堆喷混凝土外加剂是采用机械研磨法细化的无机纳米级材料，是一种集促凝、早强、减水为一体的多效多功能型外加剂，呈灰白色粉末状，无毒无味，不燃，容重为200～300Kg/m3，密度为2.1～2.3g/cm3，粒径为0.3～0.5μm，在使用过程中对人体无不良影响。试验使用JCT-1堆喷混凝土外加剂时，标准养护28天后的C35混凝土强度可达35MPa，没有降压损失。JCT-1堆喷混凝土外加剂是由山西吉昌泰矿山工程技术有限公司开发研制的一种喷射混凝土外加剂，使用JCT-1喷射混凝土外加剂可实现使喷射层粘结力增加且不收缩，提高混凝土早期强度和最终强度，减少喷溅回弹，成型快，增加喷层厚度，接顶密实、喷层厚度不受限制等效果。
堆喷筑墙作业至少配备两名施工人员，一人负责手持喷头进行堆喷，另一人辅助照明并负责联络供料等其他辅助工序，观察工作场所围岩安全和堆喷墙体质量。
堆喷筑墙需连续作业，必须保证堆喷混合料供应充足。
本发明的有益效果如下：
本发明的方法不需要支设模板，使用普通混凝土喷射机即可实现堆喷构筑混凝土墙，墙体易成形，初凝时间短，堆喷成形即具有较高的初期强度，不会滑移和坠落变形。堆喷过程中将挂设的钢筋网片覆盖，使得墙体内有一定的配筋率，可增强墙体的整体抗拉和抗剪强度。
与现有技术相比，本发明堆喷构筑混凝土挡水墙通过在配制混合料时加入一种具有高粘结性的JCT-1堆喷混凝土外加剂，使喷头处喷射出的混凝土粘结性提高，不支设模板即可自行压实成形，坐底接顶严密，抗渗能力强，凝结硬化强度高，可在沿空巷道煤柱帮形成保护层，不仅能够阻隔采空区积水透过煤柱向巷道内渗流，起到堵水的目的，而且可以承载煤柱上方的载荷，对煤柱起到一定的加固作用。
附图说明
图1为本发明采空区积水沿空巷道内渗流示意图；
图2为本发明的堆喷混凝土墙的方法的流程图；
图3为本发明的贴帮圆木点柱、钢筋网片和补打锚杆沿巷道轴向的示意图；
图4为本发明的贴帮圆木点柱、钢筋网片和补打锚杆垂直巷道轴向的示意图；
图5为本发明的钢筋网片示意图；
图6为本发明的堆喷混凝土墙的主视示意图；
图7为本发明的堆喷混凝土墙的侧视示意图；
其中：1-工作面Ⅰ回风巷道；2-工作面Ⅰ采空区；3-工作面Ⅰ运输巷道；4-停采线；5-工作面Ⅰ采空区积水；6-护巷煤柱；7-工作面Ⅱ回风巷道；8-工作面Ⅱ运输巷道；9-工作面Ⅱ采空区；10-采区运输大巷；11-采区轨道大巷；12-巷道顶板；13-巷道底板；14-钢筋网片；15-锚杆；16-圆木点柱；17-堆喷混凝土墙。
具体实施方式
实施例
某矿15103工作面采用综采工艺回采平均厚度为4.5m的15#煤层，回风巷道侧为邻近的15101工作面采空区。回风巷道与采空区之间的护巷煤柱宽度为10m，该巷道沿15#煤层顶板布置，断面为4m×3m的矩形，采用锚网索联合支护。
回采过程中，15103工作面回风巷道630～700m范围的煤柱帮出现挂汗情况，并有水从煤体内的裂隙渗出，因为该范围巷道低洼而形成积水，巷道内的积水深度达0.2m，同时该范围煤柱帮的煤体疏松、片帮现象严重，渗水对煤壁的整体稳定性造成一定破坏，给安全生产造成隐患。钻孔探测表明，该范围的邻近15102采空区积水并有水源补给，在巷帮中部每隔10m打设直径为80mm的排水钻孔并安装外径为80mm的无缝钢管进行排水。在回风巷道630～700m范围共打设了8个抽放水钻孔，其中位于中间位置的4个排放孔满孔出水，位于两端位置的4个排放孔半孔出水。排放水进行30天后，钻孔水量并没有减少，故采取上述本发明在煤柱帮堆喷混凝土墙封堵采空区积水向回风巷道内渗流并加固煤柱。具体施工步骤为：
（1）在15103工作面回风巷道630～700范围的煤柱帮距离底板高度1m、沿巷道轴向间隔10m向采空区内打设直径为80mm的排水钻孔，排水钻孔打好后，在钻孔内安装外径为80mm的无缝钢管伸入到采空区并封孔，钢管外端伸出煤柱帮600mm并安装阀门，共打设10个排放孔对采空区积水进行集中排放；
（2）清理去除15103工作面回风巷道620～710范围煤柱帮的杂物和已片帮垮落的煤体，清除该范围底板的浮渣并找到硬底；
（3）在15103工作面回风巷道620～710范围内距煤柱帮200mm处打设一排贴帮松木圆柱进行补强支护，贴帮松木圆柱的排距为1200m，松木圆柱的直径为250mm，松木圆柱长度为3m；
（4）在贴帮松木圆柱外侧挂设长×宽=1400mm×1000mm的Ф6mm钢筋网片，沿巷道高度方向挂设3片，布满煤柱帮；沿巷道轴向方向相邻网片之间的搭接100mm并用绑丝绑扎牢固；
（5）在两根贴帮柱之间的煤柱帮上补打一排规格为Ф20×2400mm的螺纹钢锚杆，每排3根，第一根距底板500mm，第二根在煤柱帮中部，第三根距顶板500mm，排距1200mm；锚杆托盘在钢筋网片位置，锚杆钻孔深1.8m，钻孔直径28mm，每根锚杆使用一支K2335、一支Z2360树脂药卷锚固剂，安装扭矩50KN·m；
（6）在地面拌料场称量堆喷混凝土用的石子，洒水充分浸湿后放入搅拌机内，按照石子：JCT-1堆喷混凝土外加剂的质量比为1 : 0.03的比例向搅拌机内添加JCT-1堆喷混凝土外加剂，启动搅拌机开始搅拌，使JCT-1堆喷混凝土外加剂均匀地包裹在石子表面；
（7）按照石子：水泥：砂子的质量比为1 : 0.5 : 1的比例向搅拌机内添加水泥和砂子，继续搅拌至混合均匀，得到堆喷所用的混合料；
（8）将搅拌均匀的堆喷混合料装车运输至井下15103工作面回风巷道内堆喷筑墙堵水加固地点，连续向喷射机料斗内加入拌和好的混合料，打开喷射机喷头处的水管阀门和自动添加液体速凝剂管路阀门，调节阀门水管流量，控制喷枪出口处混凝土的水灰比为0.4~0.5，接通喷射机的压风管路，启动风动振动器和上料机，开始堆喷筑墙作业。
堆喷筑墙过程中，喷头对着挂设好的钢筋网片做连续不断的螺旋状圆周运动，螺旋直径为20~30 cm，后一圈覆盖前一圈1/3，从下至上堆喷筑墙，一次堆喷达到墙体设计厚度500mm并完全覆盖松木圆柱、钢筋网片和补打锚杆的托盘；
（9）堆喷筑墙作业连续进行，在15103工作面回风巷道630～700m的渗水范围用时3个班堆喷墙体全部形成，此时停止向喷射机料斗内加堆喷混合料，确认喷射机料斗内没有余料、喷头处不再有料喷出时，关闭自动添加速凝剂阀门，再关闭风动震动器；向喷射机料斗内加入水，将上料机和输送管路清洗干净，最后关闭压风、压水和电源，清洗自动添加液体速凝剂管路和清理喷射机周围杂物。
堆喷结束后，墙体完全覆盖了煤柱帮的松木圆柱、钢筋网片和补打锚杆的托盘，表面平整。钻孔取芯并测定墙体的初凝强度达18MPa，7天后的强度达36MPa，支撑强度高，通过加固煤柱对巷道顶板起到了有效的支撑作用。
从堆喷墙体形成到工作面回采推过回风巷道630～700m范围，对该段巷道进行矿压及渗水观测，现场观测结果表明：堆喷墙体形成并凝结硬化后，墙体表面干燥，堆喷混凝土墙表面及坐底接顶部位均没有发现渗水迹象，巷道内也没有积水，说明堆喷墙体封闭了煤柱表面，阻断了采空区积水向巷道内渗流的路径，起到了堵水的作用；同时该段巷道的断面收缩率明显较小，在采动影响期间能保持安全稳定，说明堆喷墙体与煤柱共同承载上覆岩层载荷，对煤柱起到了一定的加固作用。
Claims (7)
1.一种沿空巷道煤柱帮堆喷混凝土墙加固堵水的方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，在沿空巷道渗水范围的煤柱帮距离底板高度1m、沿巷道轴向间隔10m向采空区内打设直径为80mm的排水钻孔，排水钻孔打好后，在钻孔内安装外径为80mm的无缝钢管伸入到采空区并封孔，钢管外端伸出煤柱帮600mm并安装阀门，集中排放采空区积水；
第二步，清理去除沿空巷道煤柱帮渗水范围的杂物和已片帮或垮落的煤体，清除煤柱帮渗水范围底板的浮渣并找到硬底；
第三步，在渗水范围巷道内距煤柱帮200mm处打设一排起补强支护的贴帮圆木点柱，贴帮圆木点柱的排距为1200m，贴帮圆木点柱的直径为250mm，贴帮圆木点柱长度为放置位置巷道顶底板的高度；
第四步，在贴帮圆木点柱外侧从上至下挂设长×宽=1400mm×1000mm的Φ6mm钢筋网片，相邻钢筋网片之间的搭接长度为100mm，并用绑丝绑扎牢固；
第五步，在两根贴帮圆木点柱之间的煤柱帮上从上至下补打一排规格为Φ20×2400mm的螺纹钢锚杆，每排3根，第一根距底板500mm，第二根在煤柱帮中部，第三根距顶板500mm，排距1200mm；锚杆托盘在钢筋网片位置，锚杆钻孔深1.8m，钻孔直径28mm，每根锚杆使用一支K2335、一支Z2360树脂药卷锚固剂，安装扭矩50KN·m；
第六步，在地面拌料场称量堆喷混凝土用的石子，洒水充分浸湿后放入搅拌机内，按照石子：JCT-1堆喷混凝土外加剂的质量比为1 : 0.03的比例向搅拌机内添加JCT-1堆喷混凝土外加剂，启动搅拌机开始搅拌，使JCT-1堆喷混凝土外加剂均匀地包裹在石子表面；
第七步，按照石子：水泥：砂子的质量比为1 : 0.5 : 1的比例向搅拌机内添加水泥和砂子，继续搅拌至混合均匀，得到堆喷所用的混合料；
第八步，将搅拌均匀的堆喷混合料装车运输至井下堆喷筑墙堵水加固地点，连续向喷射机料斗内加入拌和好的混合料，打开喷射机喷头处的水管阀门和自动添加液体速凝剂管路阀门，调节阀门水管流量，控制喷枪出口处混凝土的水灰比为0.4~0.5，接通喷射机的压风管路，启动风动振动器和上料机，开始堆喷筑墙作业，堆喷筑墙过程中，喷头对着挂设好的钢筋网片做连续不断的螺旋状圆周运动，螺旋直径为20~30 cm，后一圈覆盖前一圈1/3，从下至上堆喷筑墙，一次堆喷达到墙体设计厚度500mm并完全覆盖贴帮圆木点柱、钢筋网片和补打锚杆的托盘；
第九步，堆喷筑墙作业连续进行，直至同一范围堆喷墙体全部形成，此时停止向喷射机料斗内加堆喷混合料，确认喷射机料斗内没有余料、喷头处不再有料喷出时，关闭自动添加速凝剂阀门，再关闭风动震动器；向喷射机料斗内加入水，将上料机和输送管路清洗干净，最后关闭压风、压水和电源，清洗自动添加液体速凝剂管路和清理喷射机周围杂物。
2.根据权利要求1所述的一种沿空巷道煤柱帮堆喷混凝土墙加固堵水的方法，其特征在于：所述水泥为硅酸盐水泥，强度等级不低于32.5Mpa。
3.根据权利要求1所述的一种沿空巷道煤柱帮堆喷混凝土墙加固堵水的方法，其特征在于：所述石子为粒径为5～15mm的碎石。
4.根据权利要求1所述的一种沿空巷道煤柱帮堆喷混凝土墙加固堵水的方法，其特征在于：所述砂子为中砂，细度模数大于2.5，含水率为5～7%，含泥量小于3%。
5.根据权利要求1所述的一种沿空巷道煤柱帮堆喷混凝土墙加固堵水的方法，其特征在于：所述喷射机为转子式—Ⅱ型喷浆机，喷枪为双水环锥形喷头；喷枪设置双水环，环上按间排距10mm布置有直径为1mm的微孔，经水压射出细水流，水流呈交叉网状，可充分润湿物料。
6.根据权利要求1所述的一种沿空巷道煤柱帮堆喷混凝土墙加固堵水的方法，其特征在于：所述喷射机喷射过程中的风压为0.12～0.17MPa，水压为0.18～0.21MPa。
7.根据权利要求1所述的一种沿空巷道煤柱帮堆喷混凝土墙加固堵水的方法，其特征在于：所述钢筋网片的网孔尺寸为100mm×100mm。
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