柔模泵注混凝土支護沿空留巷技術研究與應用

魏有貴，王俊超，羅代洪，任 偉，張延良，趙志剛

(1.四川廣旺能源發(fā)展(集團)有限責任公司，四川 廣元 628000； 2.四川廣旺集團 代池壩煤礦，四川 廣元 628000)

·試驗研究·

柔模泵注混凝土支護沿空留巷技術研究與應用

魏有貴1,2，王俊超2，羅代洪2，任 偉2，張延良2，趙志剛2

(1.四川廣旺能源發(fā)展(集團)有限責任公司，四川 廣元 628000； 2.四川廣旺集團 代池壩煤礦，四川 廣元 628000)

代池壩煤礦針對煤體與采空區(qū)瓦斯涌出量高、留巷礦壓顯現(xiàn)劇烈等問題，采用了柔模支護完全開采配套技術。介紹了柔模支護沿空留巷技術的原理，結合該礦31342工作面機巷具體地質條件，形成了巷內加強支護與超前隔離支護的總體方案,確定了柔性模板和混凝土澆筑參數(shù),并對巷旁支護體特性與留巷支護效果進行監(jiān)測和評估。工程實踐表明，所設計的柔模支護能夠控制住圍巖變形,保證后期安全生產需要，有效地減少煤柱留設，提高了回采率。

巷旁支護；沿空留巷；柔模支護

代池壩煤礦是四川廣旺集團的一個開采近40年的老礦井，資源已近枯竭，深部開采過程中，地質條件復雜、地壓大，掘進困難，且該礦屬于“高瓦斯礦井”，對采掘又有更為嚴格的要求，導致近年來該礦采掘銜接異常緊張。因此，如何緩解采掘關系，提高現(xiàn)有資源的回收率，成為代池壩煤礦的一個亟待解決的問題。

1 工作面開采技術條件

1.1 地質賦存情況

3(13)42工作面位于+320 m水平304采區(qū)，開采標高為+525～+425 m，工作面平均傾斜長度為155 m，走向長900 m. 工作面機巷、回風巷均為順煤層走向布置的半煤巷，工作面機巷為機軌合一布置。

3(13)42工作面范圍內13#煤層結構復雜，夾矸層數(shù)多，煤質偏硬。該煤層為單斜構造，走向近于東西，煤層傾角變化不大，一般為38°～40°，平均39°，煤層總厚均為1.75 m，純煤厚均為0.86 m，厚度穩(wěn)定，屬不穩(wěn)定煤層。13#煤層直接頂為灰色薄層狀粉砂巖和粉砂質泥巖，直接底板為灰色薄層粉砂巖，局部煤層頂部有0.25 m泥巖含煤屑。底板富水性弱，局部頂、底板有淋水現(xiàn)象。正常涌水量0.1～0.3 m3/h，最大涌水量3.0 m3/h.

1.2 機巷支護方式

3(13)42機巷采用錨網索支護，頂板錨索規(guī)格為：d17.8 mm×6 000 mm，上幫錨索規(guī)格為：d17.8 mm×8 000 mm. 錨桿規(guī)格：頂部及幫部均采用d18 mm×2 400 mm樹脂錨桿，頂板錨桿間距1 000 mm，一排4根；上幫兩根，下幫1根。全斷面采用菱形金屬網護幫護頂。

2 柔?；炷林ёo結構及參數(shù)設計

2.1 支護結構及工藝

注漿泵采用HBMD12/4-22S型礦用混凝土泵注漿，并且為柔模泵注混凝土支護結構。混凝土用泵注入預先固定在巷道幫部的纖維柔性模板中。模板采用一次性纖維柔性模板，由雙層高強度纖維布縫制而成，模板端部設有向兩側伸出的側翼，施工時將側翼纏繞在托板上，托板由錨桿固定在巷道頂板上；并在柔性模板的頂部及底部進行植筋，使支護的混凝土與巷道頂、底板成為一個整體，形成一個錨桿、槽鋼托梁與混凝土連續(xù)整體式巷旁支護體系。錨桿和模袋混凝土支護以及圍巖形成一個整體，共同承受巷道壓力。柔模泵注混凝土支護方法繼承了水泥混凝土連續(xù)整體支護的剛性，為沿空留巷中的剛性巷旁支護；該護巷工藝一次施工面積大，混凝土整體性好、強度高，且機械化程度高，施工速度快。

2.2 巷旁柔?；炷翂Y構及參數(shù)設計

2.2.1 力學模型建立

通過理論推導及經驗，深埋煤層沿空留巷力學模型主要內容如下：

1) 該問題是一個平面問題。

2) 把沿空留巷頂部巖層看作梁，即承載梁，其厚度為錨索加固厚度，一般為4～5 m.

3) 承載梁上覆荷載均布。

4) 巷旁支護采空區(qū)側懸臂梁長度變化是引起巷旁支護動載的主要因素，通過調整懸臂梁長度來確定最小靜荷載和最大動荷載，承載梁最大長度等于周期來壓步距，采空區(qū)懸頂距=承載梁長度-伸入煤壁長度-留巷寬度-墻體寬度。

5) 承載梁兩邊的剪切角相同。

6) 承載梁上覆荷載取值斷裂帶高度，裂隙高度為冒落高度的2～3倍，根據(jù)巖性取值，一般取為采高的14～16倍。還可近似按工作面液壓支架支撐強度取值。

力學模型圖見圖1.

圖1 建立的力學模型圖

2.2.2 參數(shù)設計

根據(jù)圖1所示力學模型對柔?；炷翂w厚度進行計算：

1) 支護體載荷計算。

Q=[0.5(Htgθ+Bb+x+Bc+0.5BM)q(Bb+x+

式中：

Q—墻體載荷，MPa；

q—上覆巖層荷載，m，取14倍采高，采高取1.8 m，q=14γh=14×27×1.8=680.4 kN/m2；

Bb—墻體內側到煤壁的距離，墻體澆筑于采空區(qū)內，其中心點距上幫0.6 m，則Bb=0.6+3.8=4.4 m；

x—墻體寬度，m，取1.2；

H—承載梁厚度，m，取6；

Bc—墻外側懸頂距，m，取1；

BM—頂板斷裂線距煤壁距離，巷道寬度3.8 m，墻體澆筑于采空區(qū)內，墻體外側距上幫煤壁垂直距離1.9 m，故BM取5.7 m；

代入數(shù)據(jù)計算可得，支護厚度為1.2 m時支護體的載荷為:

Q=14.3MPa

從上述計算結果可知，混凝土墻體1.2 m厚時，墻體穩(wěn)定壓力為14.3 MPa.

2) 承載能力計算。

將單位長度、厚度1.2 m的支護體視為軸心受壓柱模型，可計算出支護體的正截面承載能力。

模型柱高1.8 m，短邊長1.2 m，構件的長細比為1.8/1.2=1.5，構件的穩(wěn)定系數(shù)φ取1.0.

模型柱承載能力計算：

N2=0.9φ×fcA

式中：

N2—支護體的承載能力；

φ—構件的穩(wěn)定系數(shù)，取1.0；

fc—混凝土的軸心極限抗壓設計強度，C30時為22.5 N/mm2；

A—截面面積，為1 000 mm×1 200 mm.

支護體的承載能力為：

N2=24 300 kN，可承受強度為24.3 MPa>14.3 MPa，可認為墻體處于安全狀態(tài)。

張自立回到五連至今，一直和母親住在一起。他和愛人申學群于2002年相識相愛，進而走進幸福的婚姻生活，兒子張睿健今年也9歲了，上小學三年級?，F(xiàn)如今，他們是三世同堂的幸福家庭。

根據(jù)上述計算，選定墻體厚度為1.2 m，混凝土設計強度C30.

柔模墻上設置錨栓，錨栓的主要作用是增強混凝土，形成鋼筋混凝土，增加混凝土殘余強度，同時有利于柔模成型，控制側向變形。錨栓規(guī)格為：d20 mm×1 300 mm樹脂錨桿(兩端各有長度不低于100 mm的絲扣)，托板采用錨桿托板或木托板。

3 巷旁柔?；炷翂w位態(tài)設計

3.1 柔?；炷翂w垂直煤層澆筑

該位態(tài)時，頂板留設頂煤長度較少，深入采空區(qū)長度較小，3 m左右，單體及木點柱等容易打設，柔模也容易掛設。但混凝土澆筑時將對靠巷內側產生較大的側壓力，不利于混凝土墻體成型，同時柔模墻體成型后，抗傾覆穩(wěn)定性及抗沖擊能力較弱。

3.2 柔?；炷翂w垂直巷道底板澆筑

該位態(tài)時，頂板留設頂煤長度較多，深入采空區(qū)長度較大，為4.1 m左右，單體及木點柱等不容易打設。但混凝土澆筑時將對靠巷內側產生的側壓力較小，有利于混凝土墻體成型，同時柔模墻體成型后，抗傾覆穩(wěn)定性及抗沖擊能力較前一種位態(tài)要好。

綜上,在實際施工時,使柔?；炷翂w位態(tài)介于兩者之間,使其傾角為20°左右,在實際施工時進行調整，這樣既有利于施工,同時墻體受力性能也較好。

沿空留巷支護斷面圖見圖2.

圖2 沿空留巷支護斷面圖(采用位態(tài))

3.3 擋矸系統(tǒng)及參數(shù)設計

由于工作面傾角較大，為防止采空區(qū)矸石下竄，沖擊巷旁支護墻體，需進行擋矸支護。沿空留巷擋矸系統(tǒng)包括金屬網、木點柱、頂?shù)装逯步罴皳蹴钒濉?/p>

1) 金屬網在工作面液壓支架前方連續(xù)鋪設，起護頂擋矸作用。

2) 在金屬網下部打設木點柱，既可以進行擋矸，又可以用來掛設柔模，木點柱直徑200 mm，間距0.5 m.

3) 在1#支架掩護梁處加設擋矸板，擋矸板高度1 m，長度3～4 m，厚度4 cm，采用螺栓固定或焊接方式固定在1#支架尾部或底座上，進行擋矸。

4) 在巷旁墻體澆筑區(qū)域的頂?shù)装迳现步?，采用樹脂錨桿作為植筋，植筋長度1 m，外露出頂?shù)装?.5 m，巷旁混凝土墻體澆筑時將其刺入柔模內和混凝土澆筑為一體，防止墻體下滑，同時起到擋矸作用。

3.4 臨時滯后支護方式及長度設計

在沿空留巷過程中，受劇烈采動影響的僅是工作面前后方的某一地段，隨著工作面采過一定距離，采動影響也逐漸減弱，需要進行臨時滯后支護。

根據(jù)代池壩煤礦實際情況及其他礦的實際工程經驗，滯后支護選用單體帶帽支護，單體排距1 m，每排3根。若在留巷過程中，后巷壓力顯現(xiàn)較為明顯則采用單體柱配π型梁(長鋼梁)支護，一梁三柱，排距1 m，每排3根，滯后工作面支護距離80 m，根據(jù)礦壓選擇合適的滯后支護長度，防止回采過程中礦壓顯現(xiàn)對留巷巷道造成破壞。

4 沿空留巷施工設計

代池壩煤礦沿空留巷巷旁澆筑工藝流程為：地面制備干混料→運輸至3(13)42工作面機巷柔?；炷林苽漭斔蜋C組后方→通過上料機將干混料運輸至攪拌機→加水、攪拌均勻→通過混凝土泵和管路將混凝土輸送至柔性模板內。

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圖3 柔模混凝土施工工藝流程圖

5 護巷效果分析

5.1 柔模泵注混凝土技術分析

1) 巷旁1 200 mm混凝土墻剛性支護條件下，其所受壓力高達350～400 MPa，遠高出混凝土的承載能力，爆破切頂能夠降低混凝土墻的壓力約5 000 kN，也能減少巷內煤壁處頂板的塑性區(qū)，有利于巷內頂板的完整性，降低巷內頂板支護難度。

2) 巷旁1 200 mm混凝土墻柔性支護并切頂條件下，混凝土墻所受應力大幅度減少，減少至10～20 MPa，小于混凝土強度，滿足安全要求。

3) 柔模泵注混凝土增阻快、強度高。

4) 柔模泵注混凝土支護工藝，設備簡單，機械化程度高，施工速度快，不影響工作面正常推進。

5.2 社會效益

經過對回采前、沿空留巷過程中巷道觀測，巷道的規(guī)格由原來的4 000 mm×2 100 mm收縮到3 000 mm×1 850 mm,滿足運輸行人和回風的需要。

安全效益：節(jié)省一組采掘隊伍,減少了掘進設備的投入，降低了安全事故幾率，促進原煤生產實現(xiàn)穩(wěn)產高產。

時間效益：按代池壩礦半煤巖巷道掘進施工速度9 m/天計算,掘進900 m巷道需要100天，大幅度緩解了銜接緊張的局面。

5.3 經濟效益

1) 代池壩礦半煤巷道的掘進成本為1 923元/m，柔模泵注混凝土沿空留巷設計留巷成本為1 125元/m，每米節(jié)約798元；按留巷長度900 m來計算，節(jié)約71.82萬元。

2) 沿空留巷減少煤柱損失20 m，按多回收煤炭38 000 t，增收資金：1 140萬元，經濟效益十分顯著，總計經濟效益1 211.82萬元。

6 結 論

柔性模板泵注混凝土沿空留巷技術通過在代池壩煤礦31342工作面的應用，對比該礦原護巷工藝有著比較明顯的優(yōu)勢，大大提升了該礦護巷的水平。該技術實現(xiàn)了工作面之間無煤柱開采,提高了煤炭回收率；減少了巷道掘進工程量,降低了巷道掘進率,提高了經濟效益。同時，采用HBMD12/4-22S煤礦用混凝土泵,輸料距離達1 000 m,實現(xiàn)了井下遠距離混凝土泵送,技術先進,適應性強,解決了混凝土泵在起伏不平和向下泵送材料易堵管的技術難題,降低了工人勞動強度。

綜上所述，柔性模板泵注混凝土沿空留巷技術具有廣泛的發(fā)展和應用前景。

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Research and Application of the Flexible Formwork and Pumped Concrete Supporting along Gob-side Entry Retaining Technology

WEI Yougui, WANG Junchao, LUO Daihong, REN Wei, ZHANG Yanliang, ZHAO Zhigang

In order to solve the problem of high gas emission in coal seam and goa in DaiChiBa coal mine, the technology of flexibility support with wholly mining are adopted. The paper introduces the principle of flexible formwork supporting along the gob side entry retaining technology, combined with the specific geological conditions in No.31342 working face, formed the overall scheme of strengthening support in current roadway and independently support ahead of the current roadway, and parameters for the flexible support and concrete pouring are collected, and the aftermath monitoring and evaluation also carried out. Engineering practice shows that the design of the flexible support can effectively control the deformation of the surrounding rock , ensure the safety, reduce the size of coal pillars, lift the recovery rate.

Roadside support; Gob-side entry retaining; Flexible support

2017-01-05

魏有貴(1963—)，男，四川達縣人，1981年畢業(yè)于重慶煤炭工業(yè)學校，高級工程師，主要從事軟巖巷道支護以及巖層控制方面的研究工作，(E-mail)136554061@qq.com

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1672-0652(2017)02-0023-04