充填采场巷道端头模袋式快速成型密闭挡墙结构的研究与应用

田锦州，颜丙双，孙凯华

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.国家能源充填采煤技术重点实验室，北京 100013)

充填采场巷道端头模袋式快速成型密闭挡墙结构的研究与应用

田锦州1, 2，颜丙双1, 2，孙凯华1, 2

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.国家能源充填采煤技术重点实验室，北京 100013)

为解决连采充填工作面充填与采煤接续较快，充填采场巷道端头密闭挡墙的快速修建等问题，提升连采工作面产能，提出了模袋式快速成型密闭挡墙的设计理念，进行了模袋式快速成型密闭挡墙结构的分析、研究与设计。现场试验表明，模袋式密闭挡墙提高了施工效率，降低了生产成本。

充填开采；采场巷道；模袋；密闭挡墙

充填采煤是解放“三下”压煤的重要途径之一，近年来东部各矿区在“三下”压煤区域进行了较多充填法试验开采的有益尝试。试验结果表明，连采工作面充填法开采出煤效率高，系统运行简单，设备投资规模较小，灵活性高，地表减沉控制效果较好，适用于各种不规则压煤区域的开采，得到了较多地推广应用[1]。

连采充填工作面主要有采煤与充填2个环节。连采机生产能力大，运煤梭车效率高，锚杆钻车支护速度快，采煤环节不是限制连采工作面产能提升的主要问题，主要的制约因素是充填能力的提升，而正常充填工作耗时并不长，限制充填效率提升的主要环节是充填准备工作耗时太长，即采场巷道采出后，其两端头密闭挡墙修建速度太慢，制约了充填效率的提高。如何快速高效地修建采场巷道密闭挡墙成为解决工作面产能提升的一大难题[2-3]。

1 模袋式快速成型密闭挡墙设计理念的提出

模袋式快速成型密闭挡墙设计理念的提出，主要源于模袋混凝土围堰护坡技术[4-8]。该种密闭挡墙的设计思路是：利用高强度防火纤维布缝制成模袋，将模袋吊挂至采场巷道端头顶板上，对前后两立面进行侧支撑处理，然后向模袋内灌注高水充填料浆，同时混入速凝早强剂，令其速凝成墙。

2 模袋式快速成型密闭挡墙的结构设计

2.1 模袋整体结构设计

考虑到模袋墙的可靠性与稳定性，模袋设计为长方体形状，由六面高强度防火纤维布、吊挂耳朵、模袋内纵向拉筋等几部分组成，详见图1。

1—吊挂耳朵；2—模袋充填口；3—采场巷道充填孔；4—采场巷道排气孔；5—模袋强筋孔

吊挂耳朵用于将模袋吊挂至顶板上；模袋充填口则利用该口向模袋内注浆；采场巷道充填孔是模袋内通长孔，充填管路穿入该孔至采场巷道内进行充填；采场巷道排气孔是模袋内通长孔，排气管路穿入该孔用于充填过程中采场巷道的排气；模袋强筋孔是模袋内通长孔，用于穿强筋以限制充填浆液时模袋前后立面的侧向变形。

2.2模袋受力分析

模袋充填时，充填浆液在凝固之前对模袋有侧压力，该侧压力通过模袋布传递给软拉筋与加强筋，拉筋将两侧立面模袋布连接在一起，从而平衡压力控制厚度。

充填浆液混合均匀，属于均质材料，将其视为各向同性材料进行拉力计算。浆液产生的垂直拉力通过模袋布传递至吊挂耳朵结构上，模袋受到浆液的垂直拉力与横向压力相等，其受力结构如图2所示。图中，F为顶板的吊挂力；W为模袋内浆液的自重力；T为模袋吊挂处对浆液侧压力的反作用力；P为掏槽对模袋侧压力的反作用力。

图2 模袋受力示意

2.3 模袋布选型设计

加工模袋时，模袋布上织有纵向加筋绳和横向加强带，并在其节点上绑扎模袋厚度控制拉筋，提高模袋布的抗拉强度，防止模袋充填浆液时变形过大。

模袋布的性能参数有：单位面积质量、断裂强度、断裂伸长率等，应根据采场巷道开口断面尺寸、顶底板及两帮煤壁形态等条件选用，主要性能参数详见表1。

2.4 模袋拉筋拉力计算

2.4.1 软拉筋拉力计算

模袋在纵向方向提供了2种受力体：一是模袋内部的软拉筋；二是模袋附加的强筋结构。在进行拉筋受力计算时，将软筋与强筋受力平分考虑。

表1 模袋布的性能参数

当模袋充满且充填浆液全部为液相时，模袋底部压强最大，同时该处的软拉筋受力也最大，根据模袋的结构特点，设计单根软筋的控制面积为0.2m×0.2m，则其受力为：

Frj=P·S

式中，Frj为软拉筋受力，kN；P为底部压强，Pa；S为控制面积，m2；K为侧压系数，取1.0；ρ为浆液密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；H为浆液高度；n为高度折减系数，取0.6。计算过程中，初步按照模袋尺寸为宽度×高度×厚度=9m×3m×1.5m考虑。计算得Frjmax为525.5N。

按局部的应力集中系数k=2计算，则每条软拉筋所能承受的拉力Frj≥1051N。因此，模袋内软拉筋选用时，单条软拉筋抗拉强度必须在1051N以上。

2.4.2 强筋拉力计算

强筋孔是指在模袋上留设的用于穿入条丝的水平孔洞，强筋的主要作用是提供水平拉力，限制模袋侧向变形，其拉力计算与软筋相同。强筋孔的列距与巷道断面大小、充填浆液侧向压力有关，一般取800mm或1000mm。强筋孔的行距根据模袋的受力特点进行布置，底层间距选择为800mm，上层间距选择为1000mm，共3层强筋孔。按照行列距800mm计算，则每个强筋孔承受的水平拉力为：

式中，Fqjmax为每根强筋承受的拉力，kN。经计算得每个强筋所承受的拉力为8.4kN。

2.4.3 强筋选型

强筋的选择应满足模袋的拉力要求，同时应安装方便，在此对条丝进行计算。条丝的抗拉强度一般为30～50kg/mm2，保守按30 kg/mm2计算，则应使用的条丝直径：

式中，φ为条丝直径，mm；Fh为水平压力，N；N为条丝根数；P为条丝抗拉强度，Pa。

经计算得φ≥4.2mm，即使用条丝作为强筋时，每个强筋孔里的条丝直径应不小于4.2mm。考虑到应力集中系数，底部一排强筋孔应进行双条丝对拉处理，上面的孔可用单条丝。

2.5 模袋吊挂耳朵设计

模袋吊挂耳朵是指模袋顶部用于与顶板吊挂构件相连接的部分，承受着模袋的所有拉力。当模袋充满浆液时，模袋所受到的垂直拉力最大。

Fz1=Fx

Fx=P·S

式中，Fz1为垂直拉力，kN；Fx为侧压力，kN；P为平均压强，Pa；S为密闭挡墙断面积，m2。则有

即模袋承受的总垂直拉力为Fz=2Fz1=591.3kN。

模袋的内外侧均设计了吊挂耳朵，则每米耳朵上受到的最大拉力为：

按局部的应力集中系数k=2计算，则单位长度上最大拉应力为65.8 kN。根据模袋材料参数，其断裂强度≥65.8kN，因此，模袋吊挂耳朵应进行加强处理，可用2层以上托底布加强缝制设计。另外，吊挂耳朵内径应大于钢带宽度，并留出1.2倍的余量，便于钢带穿入安装。

2.6 模袋密闭挡墙安全性计算

在采场巷道进行充填之前，模袋密闭挡墙内的充填材料已经凝固且具备了一定的强度，因此可以将其视为墙体结构进行力学验算，考虑到浆液在充填过程中不断凝固，取高度折减系数0.6计算。

2.6.1 不掏槽情况下抗倾覆能力计算

墙体所受倾覆因素主要是采场巷道内浆液侧压力，其反作用力是墙体自重力以及顶板锚杆对模袋的吊挂力。根据土力学研究中对墙体抗倾覆稳定安全系数要求Kt≥1.6[9]。

以1m为计算单元，墙体自重：

W=DHγ墙=1.5×3×16 =72(kN)

式中，W为墙体自重，kN；D为墙体厚度，m；H为墙体高度，m；γ墙为墙体容重，16kN/m3。

充填浆液对墙体侧压力：

式中，Pa为充填浆液对墙体的侧向压力，kN；γ为浆液容重，14.6kN/m3。

模袋吊挂于顶板上，受到锚杆的吊挂拉力阻止墙体倾覆，通常情况下，模袋布的撕裂强度为0.8kN。

经计算，抗倾覆稳定安全系数：

Kt=(WL1+FL2)/(PaL3)=(72×0.75+0.8×3)/(43.8×1.5)=0.86<1.6

式中，Kt为抗倾覆稳定安全系数；F为模袋撕裂强度，kN；L1为重力力臂，m；L2为模袋撕裂力臂，m；L3为充填浆液侧压力臂，m。

由上述计算可知，单纯靠模袋墙自重力及模袋布抗撕裂强度，难以抵御采场巷道充填浆液的侧压力，密闭挡墙有倾覆的危险。

2.6.2 掏槽情况下抗倾覆能力计算

假定掏槽深度为500mm，掏槽距外侧煤壁距离1m，根据王台铺煤矿井下实测，取煤体抗剪切强度2MPa，则煤壁一侧的抗剪切力为：

F剪=τS=2×103×(1×3)=6×103(kN)

式中，F剪为煤壁抗剪切力，kN；τ为煤体抗剪切强度，MPa；S为掏槽外侧煤体侧面积，m2。

根据井下实测，模袋内充填体抗剪切强度取为1.6MPa，则充填体沿掏槽一侧抗剪切破坏能力为：

煤壁抗剪切力较小，可按该力进行抗倾覆计算：

Kt=(WL1+FL2+F剪L3)/PaL3

=(72×0.75+0.8×3+6×103×1.5)/(43.8×1.5)=137.8>1.6

由上述计算结果可知，掏槽在防止密闭墙倾覆中起到至关重要的作用，掏槽深度应根据煤体形态具体考虑，一般应至少掏至实底以下300mm。

3 井下应用试验

模袋式密闭挡墙在陕西中能公司榆阳煤矿、晋煤集团王台铺煤矿进行了井下应用试验，并进行了多次改进与完善，模袋安装与充填后成型效果分别见图3与图4。

图3 模袋安装后效果

图4 模袋充填后成型效果

井下应用试验表明：模袋布具有阻燃防静电性能，符合井下安全应用要求；模袋重量轻，井下运输、安装简便高效；模袋布抗顶破、抗撕破能力强，施工过程中不易被煤块刺破而损坏；模袋抗拉伸、抗变形能力强，灌浆后不易变形，不会破裂；充填采场巷道时，直接利用地面充填站浆液对备充采场巷道端头模袋灌浆，不需要单独配制浆液，充填采场巷道充填时间长，在此期间足以将模袋灌满；模袋布柔韧性高，对煤壁主动贴合适应能力强，密闭效果好；模袋布本身有透水不漏浆的特性，可析出少量水分，提高了浆液浓度，且经过速凝与早强方面改性后， 充填浆液可在5min内凝固，缩短了凝结时间，减轻了对模袋的压力，提高了密闭挡墙的施工效率；模袋密闭墙综合成本较密闭砖墙降低30%以上。

4 结论

针对连采充填工作面采场巷道端头的模袋式快速成型密闭挡墙实现思路，对模袋的受力进行了分析与计算，对模袋的结构进行了系统的设计，对模袋密闭墙的安全性进行了验算，试制了模袋并于井下进行了现场应用试验。井下试验表明，模袋式快速成型密闭挡墙技术上是可行的，模袋结构是合理的。模袋式快速成型密闭挡墙劳动强度低，施工速度快，整体密闭性好，使用安全，综合成本较现行的密闭砖墙降低30%以上，满足井下应用要求，可进一步推广应用。

[1]崔 锋，刘鹏亮，张华兴，等. 建筑物下巷式充填开采研究[A]. 全国“三下”采煤学术会议论文集[C].2010：87-90.

[2]刘鹏亮，田锦州，颜丙双，等. 王台铺煤矿XV2308工作面充填开采方案设计[R]. 天地科技股份有限公司开采设计事业部.2013.

[3]田锦州，刘鹏亮，颜丙双. 王台铺煤矿充填开采快速成型密闭挡墙试验研究[R]. 天地科技股份有限公司开采设计事业部.2013.

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[7]张 弛. 大型土工织物充灌袋在天津港围埝工程中的应用[A].全国第六届土工合成材料学术会议论文集[C].北京：中国水力发电工程学会.2004：59-71.

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[9]陈希哲，叶 菁. 土力学地基基础[M].北京：清华大学出版社，2013.

[责任编辑：徐乃忠]

DevelopmentofRapid-moldingInclosedRetaining-wallStructureforStowingMining-fieldandItsApplication

TIAN Jin-zhou1,2,YAN Bing-shuang1,2,SUN Kai-hua1,2

(1.Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co.,Ltd.,Beijing 100013,China;2.Key Laboratory of State Energy Stowing Mining Technology,Beijing 100013,China)

In order to solve the difficult problem of short stowing and mining following time and fast constructing inclosed retaining-wall in stowing mining face with continuous miner and improve continuous mining capacity,a design idea of mold-bag rapid-molding inclosed retaining-wall was put forward and its analysis,research and design was made.Actual test showed that it improved construction efficiency and reduced mining cost.

stowing mining; mining-field roadway; mold bag; inclosed retaining-wall

2014-02-20

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.021

国家重大科技专项：大型油气田及煤层气开发(2011ZX05064)；天地科技股份有限公司开采设计事业部生产力转化基金项目：针对高水材料巷式充填的模袋式快速成型密闭挡墙的研发(KJ-2013-TDKC-10)

田锦州(1983-)，男，江苏连云港人，硕士，助理研究员，主要从事开采沉陷理论研究、煤矿充填开采工艺研究与工程实践。

田锦州，颜丙双，孙凯华.充填采场巷道端头模袋式快速成型密闭挡墙结构的研究与应用[J].煤矿开采，2014，19(5)：73-76.

TD823.7

A

1006-6225(2014)05-0073-04