柔模泵注混凝土支護的沿空留巷技術研究

李宇龍

(陜煤韓城礦業有限公司下峪口煤礦，陜西 韓城 715400)

0 引言

沿空留巷技術在我國煤礦的應用已十分普遍，但巷旁支護是沿空留巷領域中一直沒有得到有效解決的難題，其核心是巷內支護與巷旁支護共同作用力，應與沿空巷道的頂板運動規律相適應，從而達到控制頂板的效果。文中以下峪口煤礦21210工作面沿空留巷為例，研究柔模泵注混凝土支護的沿空留巷技術。

1 柔模泵注混凝土支護技術

1.1 支護原理

柔模泵注混凝土支護實質是在工作面回采期間，工作面端頭支架支護效應消失前，利用混凝土輸送泵，把高性能自密實混凝土注入提前固定在巷道幫部的柔性模板中，在采空區和機巷之間砌筑一連續的密閉混凝土墻體，形成一新的支護體(巷旁支護)，并與原巷內支護形成一個整體，共同承載各類巷道壓力。同時還可以隔絕有害氣體，避免采空區自燃，為該巷道用于下一個工作面回采提供便利。

柔模泵注混凝土巷旁支護屬于沿空留巷中先柔后剛類巷旁支護，它充分利用了柔模混凝土初期具有的較大初撐力和一定的可縮量特性，以及后期的剛性支護特性。柔模混凝土后期剛性巷旁支護，實現了切頂卸載，減小了巷道變形量和巷道支架壓力，保障了巷道在服務期內斷面要求。

巷旁充填體支護的穩定性主要受巷旁充填體寬度的影響，一般情況下，充填體所受壓力主要來自于基本頂旋轉下沉產生的集中應力，一旦充填體的可縮量不能滿足沿空留巷整體變形量所產生的較高壓力就會變形破壞，破壞程度并隨著充填體寬度增加而增加。

1.2 支護結構及工藝

用混凝土輸送泵，在提前固定在巷道幫部的柔性模板中注入高性能自密實混凝土。為了使柔模透水不透漿，支護采用由雙層高強度纖維布縫制而成的一次性纖維柔性模板，將固定柔模的錨桿孔設在模板上端部兩側，掛設時，固定鋼筋從預留錨桿孔穿過，之后用單體支柱按規定尺寸把柔模縱向兩端伸出鋼筋余量緊撐于頂板上，最后將橫向錨栓穿入橫向預留孔洞兩端并固定來控制柔模的橫向變形。柔模支護局部結構如圖1所示。

a-頂部；b-幫部圖1 柔模支護局部結構示意圖

2 地質條件

21210進風聯巷及進風順槽位于二水平一采區上山北翼中部。該工作面煤層厚度0.2～1.5 m，一般厚度在0.7 m左右，屬不穩定的薄煤層。煤層偽頂為0.3～0.5 m的泥巖，直接頂為1.2～2.5 m的薄層狀粉砂巖，老頂為2.5～3.5 m的中厚層狀細砂巖。煤層底板為厚0.7～1.2 m的粉砂質泥巖，該層泥巖下部區域有一層煤線，煤線厚約0.1 m。地層結構總體呈一單斜構造，傾角2°～7°，平均4°，煤層傾角約為+4°。工作面發現的斷裂構造以小型正斷層為主，落差一般為1.0～3.0 m，工作面綜合柱狀圖如圖2所示。

圖2 工作面綜合柱狀圖

3 柔模泵注混凝土沿空留巷支護設計

根據工作面三機配套和回風要求，確定工作面沿空留巷的寬度為4 000 mm，沿空留巷支護斷面圖如圖3所示。

3.1 巷旁支護設計

巷幫混凝土支護厚度設計：采用“分離巖塊法”來計算混凝土支護體載荷，沿空巷道和支護體上方一定范圍內分離巖塊的重量是支護體載荷的主要來源，留巷礦壓計算模型如圖4所示。

式中：q—支護載荷；bB—支護體內側至煤壁的距離；x—支護體寬度；bC—支護體外側懸頂距；γs—巖塊容重；h—采高；θ—剪切角；α—煤層傾角；H—冒落高度。

本次支護采高為1.6 m；冒落高度取4倍采高，為6.4 m；bB設計取4 m，x取1 m；bC為0.5 m；γs為直接頂石灰巖的重度，取26.7 kN/m3；另外，據經驗選取剪切角為26°，煤層傾角為4°。

通過計算得到，1 m厚的支護體承載1 749 kPa的載荷(N1=1 750 kN)。由于采動影響，計算混凝土墻寬度：

式中：w—墻體寬度；k3—安全系數；k2—墻體強度降低系數；k1—采動影響壓力可靠系數；S—墻體凝固強度。

圖3 沿空留巷支護斷面圖

圖4 留巷礦壓計算模型

設計中取k3為2；取k2為0.25；取k1為3；取S為C20，極限設計強度為15 MPa。根據經驗和其他安全因素，取混凝土厚度為1 m。

支護體承載力驗算：模型柱高、短邊長分別為1.6 m和1.2 m，得到構件的長細比為1.6，并通過查詢有關軸心受壓構件的計算方式的資料，確定穩定系數φ為1.0。

計算模型柱的承載能力：

N2=0.9φ×fcA

式中：N2—支護體承載能力;φ—構件的穩定系數;fc—混凝土軸心抗壓強度;A—截面面積。

其中：混凝土軸心抗壓強度為15 N/mm2，A為1 000 mm×1 000 mm。將各參數代入計算可得，模型柱的承載能力為13 500 kN，即單位長度混凝土連續墻承載能力為N2=13 500 kN，顯然遠大于支護體的載荷5 250 kN，確定安全系數為2.5，故可認為該支護結構安全。

3.2 巷幫補強支護設計

巷旁煤體的變形特征對頂板巖層的控制：巷道開挖引起巷道圍巖應力的重新分布，一般把巷道圍巖由周邊向內依次分為極限平衡區(包括松動區和塑性區)、彈性區和原巖應力區。巷道圍巖的強度與變形特征由彈性變形、塑性軟化變形和流動3個階段構成，該特征可以在理想彈塑性軟化模型(圖5(a))中反映出來。同理，煤體中也相應地存在3個區域，分別為彈性區、塑性區和松動區(圖5(b))。

圖5 煤體變形分區與極限平衡區應力分布

煤幫采用錨桿支護：煤幫受到由錨固頭與托板共同作用的托錨力，可以對其作用范圍內的煤體提供軸向約束來阻止煤體松動，提供徑向約束力控制煤體內部的剪切破壞作用。煤幫錨桿可以起到控制煤體淺部的變形破壞的作用，與煤體一起組成一個既能承載頂壓，又能在水平方向上呈整體移動的承載層。

由此可知，因剪切破壞而造成巷幫煤體的松動和擠出會在煤幫錨桿的作用下受到抑制，因此，煤幫錨桿既應從巷旁煤體的松動區穿過，也要有充足的長度L。

L≥L1+x0+L2

式中：L1—錨桿外露長度；L2—錨桿通過松動區以外的最小錨固長度，取L2=350 mm。

副幫巖體內在未打設錨桿段補強錨桿支護：采用φ18 mm×1 600 mm圓鋼錨桿，間排距800 mm×800 mm，150 mm ×150 mm×10 mm鐵托板，一節Z2370型中速樹脂錨固劑錨固。

正幫巖體內補強φ20 mm×2 400 mm螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×800 mm，配14#槽鋼，長度1 200 mm，槽鋼豎向放置。

3.3 泵注混凝土設計

柔模泵注混凝土支護技術是充分利用了柔性模板透水不透漿特性的這一創新點。柔模泵注混凝土設計相比普通混凝土設計，差別較大。首先，砂率要比普通混凝土大，一般在45%～50%之間；其次，合理選擇石子的粒徑，最大粒徑要適應輸送管的直徑和柔模厚度，一般情況最大粒徑小于20 mm，一般在5～16 mm之間；另外，攪拌混凝土的最佳水灰比一般在0.5～0.6之間；坍落度最好是在180～220 mm之間。混凝土設計標號為C20，泵注混凝土各材料配合比見表1、表2。

表1 泵注混凝土配合比

表2 泵注混凝土施工材料

3.4 沿空留巷的滯后支護

為了防止回采過程中礦壓顯現破壞預留巷道，根據下峪口煤礦實際情況，選用單體支柱配π型梁作為21210工作面回順滯后支護，一梁三柱，排距和長度分別為0.8 m和3.5 m，并確定滯后工作面支護距離在40～60 m之間，如圖6所示。

4 經濟效果分析

下峪口煤礦21210工作面沿空留巷技術使工作面少掘一條巷道，回收20 m寬煤柱。煤密度1 400 kg/m3，采高0.8 m，留巷長度467 m，相當于1萬t煤，按噸煤效益300元計算，回收煤柱增收300萬元。留巷工程材料人工費3 031元/m(含單體π型梁)、留巷467 m；與掘一條巷道534 m(4 500元/m)相比，節省41萬元。直接創造經濟效益341萬元。

圖6 超前與滯后支護示意圖

5 結語

柔模泵注混凝土沿空留巷技術不僅節省了一條巷道，降低了巷道掘進率，提高了煤炭回收率，緩解了采掘接續關系，并為煤礦取得了明顯的經濟效益。