松軟煤層留底煤巷道沿空留巷底板加固技術研究

徐 兵，雷平博，席春輝，羅厚林

(1.霍爾辛赫煤業(yè)有限公司，山西 長子 046600；2.陜西開拓建筑科技有限公司，陜西 西安 710000)

沿空留巷具有可回收煤柱，延長礦井服務年限等優(yōu)點；在高瓦斯以及瓦斯突出礦井，可以實現(xiàn)Y型通風，消除回風隅角瓦斯積聚，改善礦井安全條件；可降低巷道掘進率，減少空頂作業(yè)，降低冒頂、片幫幾率，提高礦井安全生產(chǎn)水平；可改善礦井技術經(jīng)濟指標[1-4]。目前柔模混凝土沿空留巷在我國煤層厚度0.8～7.0 m的條件下進行了廣泛應用[5-7]，留巷效果好，取得了良好的經(jīng)濟社會效益。通常情況下厚煤層在開采掘進工作面兩條巷道時，會沿著煤層底板掘進留頂煤，這樣利于工作面采煤。但是當煤體硬度較低，沿底板掘進留頂煤的情況下，一方面掘進過程中易出現(xiàn)頂煤垮落，另一方面由于頂煤較軟支護困難。因此，在該類條件下巷道掘進時，一般選擇沿頂掘進留底煤，若采用沿空留巷技術，由于巷旁支護體底部為松軟的煤體，極大影響到其穩(wěn)定性，在這種情況下，通常采取底板注漿加固、全斷面錨網(wǎng)索加固等技術措施，而此類措施施工難度大，對于柔模混凝土沿空留巷適用性較低。因此，亟需尋找一套可行的底板加固方案，以實現(xiàn)柔模混凝土沿空留巷技術在沿頂巷道條件下的進一步推廣。

本文以霍爾辛赫煤礦3605綜放工作面回風巷道柔模混凝土沿空留巷為工程背景進行研究，提出了底板加固方案，并進行理論論證與現(xiàn)場工業(yè)性試驗。

1 工程條件

3605綜放工作面為北一盤區(qū)首采工作面，地面標高：+915.4～+940.2 m。底板標高：巷道底板最高點標高+491.166 m，最低點標高為+431.5 m，最高點和最低點高差為59.666 m，埋藏深度：442.4～502.8 m。回采3號煤層，煤層厚度6.15～7.20 m，普氏硬度f=0.7，直接底厚0～2.45 m，為砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部為粉砂巖。老底為厚0.45～7.50 m的細砂巖。直接頂為0～7.45 m的泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部為粉砂巖。老頂為厚0～20.10 m的中-細粒砂巖。工作面采用走向長壁、后退式低位放頂煤一次采全高全部垮落式綜合機械化采煤法，采高3.5±0.1 m，放煤高度2.55 m，采放比1∶0.729。循環(huán)進度0.8 m，日循環(huán)進度3.2 m，工作面作業(yè)方式為：“三八”制作業(yè)。

回風巷道為矩形斷面，凈寬5 200 mm，凈高3 600 mm；沿煤層頂板掘進，頂板每排6根錨桿，間排距900 mm×900 mm，左、右肩角錨桿均與垂直成15°外斜布置，距巷幫均為350 mm，其他錨桿全部垂直頂板布置；錨索間排距1 600 mm×1 800 mm，每排布置3根，中間錨索在巷道中心垂直頂板打設，左、右肩角錨索均與垂線成15°外斜布置，支護緊跟迎頭。兩幫各4根錨桿，間排距950 mm×900 mm，幫上部錨桿上斜15°布置，距頂350 mm，幫下部錨桿下斜10°布置，距底400 mm。

沿空留巷總長度2 150 m，巷道底煤厚度2.5 m。生產(chǎn)班架前鋪網(wǎng)、木點柱圍護采空區(qū)、待澆筑空間“一梁兩柱”臨時支護，檢修班在木點柱的圍護下完成掛模、注模工作。柔模混凝土墻體厚度1 500 mm，留巷寬度3 700 mm。

2 底板加固方案

結合3605綜放工作面回風巷道地質(zhì)條件以及地面建筑地基基礎理論，提出鋼筋混凝土灌注樁加固底板方案。鋼筋混凝土灌注樁加固技術的原理：鋼筋混凝土灌注樁是用鉆孔機成孔或用鋼管成孔，后者先用打樁機將帶有活瓣樁尖的鋼管沉入土層，使管壁四周的土壤擠實，然后在鋼管內(nèi)灌入混凝土后，馬上把鋼管拔出，使灌入的混凝土形成一根混凝土樁。當天然地基上部的軟弱土層較厚，淺基礎沉降量過大或地基穩(wěn)定性不能滿足建筑要求時，常常采用樁基礎，將荷載通過樁傳給堅硬土層或巖石，或通過樁周圍的摩擦力傳給地基，以提高地基的承載力。

2.1 加固參數(shù)設計

參考地面樁基工程的一般設計理論，將類比法引用到煤礦井下基礎工程中。方案總體思路：在超前工作面柔模混凝土墻體下方的底煤上利用螺旋鉆機進行鉆孔，鉆孔深入底板500 mm，然后在孔內(nèi)放置鋼筋籠，最后澆筑混凝土形成鉆孔灌注樁[8]，作為巷旁柔模混凝土墻體基礎。施工工藝與參數(shù)設計如下：

1) 鉆孔參數(shù)設計。鉆孔直徑600 mm，深度3 000 mm，樁體伸入底板500 mm。

2) 鋼筋籠加工及鉆孔布置方式選擇。鋼筋籠：直徑500 mm，高度2 800 mm，鋼筋籠主筋為HRB335D22 mm建筑螺紋鋼，箍筋為HRB335D12 mm建筑螺紋鋼。沿鋼筋籠一周間隔均勻布置8根主筋，主筋環(huán)向間距190 mm，箍筋沿主筋長度方向間隔布置，間距200 mm，與主筋之間采用綁扎法[9]進行連接。

鉆孔布置方式：沿巷道走向打設兩排，走向孔距中對中1 200 mm、橫向中對中900 mm。

3) 施工工藝。用螺旋鉆機成孔灌注混凝土而成樁，施工時無振動、不擠巖層。使用螺旋鉆機時，鉆削下來的巖層碎塊沿鉆桿上的螺旋葉片上升排出孔外，孔徑約600 mm，鉆孔深度3 000 mm，根據(jù)底板煤質(zhì)和巖層情況選擇鉆桿。鉆孔打設完成后，把預先制作好的鋼筋籠放入鉆孔中，通過井下柔模混凝土制備輸送機組泵送C40混凝土澆筑至放置好的鋼筋籠鉆孔中，在超前工作面連續(xù)施工、澆筑。施工工藝如圖1所示。鋼筋混凝土灌注樁施工平剖面，如圖2、圖3所示。

圖1 鋼筋混凝土鉆孔灌注樁施工工藝

圖2 底板加固斷面(mm)

圖3 底板加固平面(mm)

2.2 鋼筋混凝土灌注樁可行性分析

1) 技術可行性分析。技術可行性分析見表1。

表1 鋼筋混凝土灌注樁技術可行性分析

2) 經(jīng)濟性分析。延米工程預算見表2。

表2 鋼筋混凝土灌注樁延米工程預算

根據(jù)技術經(jīng)濟分析，鋼筋混凝土灌注樁技術上安全可行，為實現(xiàn)沿空留巷奠定了基礎，經(jīng)濟上延米工程費用995元。同時，延米增加出煤量2.7 m3，噸煤利潤按100元計算，延米利潤378元，即延米總投入617元，總體方案可行。

3 鋼筋混凝土灌注樁承載力驗算

3.1 灌注樁承載力計算

用鋼筋混凝土軸心受壓構件模型的受壓承載力計算公式[3]計算樁的承載力，其正截面受壓極限承載力按下式計算：

N=0.9φ(fcA+f'yA's)。

式中：N為軸向壓力極限承載值；φ為鋼筋混凝土構件的穩(wěn)定系數(shù)，取1；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值，MPa；f'y為鋼筋抗壓強度設計值，MPa；A為構件截面面積，m2；A's為全部縱向普通鋼筋的截面面積，m2。

計算可得：

N=0.9φ(fcA+f'yA's)

=0.9×(19.1×0.197+300×0.002 7)

=4 570 kN/m。

則每延米灌注樁承載力：

4 570×2÷1.2=7 616.7 kN/m。

3.2 沿空留巷圍巖壓力計算

1) 采用“分離巖塊法”計算沿空留巷壓力。沿空留巷分離巖塊法礦壓計算模型[10]見圖4。

圖4 分離巖塊法沿空留巷礦壓計算模型

式中：q為支護體載荷，bB為支護體內(nèi)側到煤壁的距離,本次支護中,支護體左側邊緣與巷道右?guī)驮谝粭l鉛垂線上,為4 m；x為支護的寬度，本次支護1.5 m；bc為支護體外側懸頂距，該距離為0.2 m；γs為頂板巖塊容重，取25 kN/m3；h為有效采高，本次采高為5.5 m；θ為剪切角，根據(jù)經(jīng)驗選取26°；α為煤層傾角，為2°。

計算可得巷旁支護承受的壓力為：

q=3.58 MPa。

即單位長度巷旁支護承受的最大壓力為：

3.58×1 000×1.5=5 370 kN/m。

2) 經(jīng)驗法計算沿空留巷圍巖壓力。巷旁支護的受力來源于直接頂巖柱的重量和老頂轉動對直接頂造成的擠壓變形壓力[11]。基于將直接頂視為不可自身平衡的巖體，它的重量W將全部由巷旁支護承擔，工程經(jīng)驗得出巷旁支護最大工作載荷相當于4～8倍采高巖柱的重量，本著偏于安全的角度，取8倍采高巖柱的重量作為設計荷載。3605工作面的有效采高為5.5 m，留巷控頂寬度為5.2 m，頂板巖/石容重為25 kN/m3。留巷的最大載荷為：

Qm=ηW=8lbh1ρ=8×5.5×1×5.2×25=5 720 kN/m。

綜上計算，分離巖塊法(5 370 kN/m)、傳統(tǒng)經(jīng)驗法計算圍巖壓力(5 720 kN/m)，偏于安全考慮，沿空留巷的最大載荷為5 720 kN/m。鋼筋混凝土灌注樁延米承載力為7 616.7 kN/m，大于留巷的最大載荷，安全系數(shù)1.3，視為基礎支護有效。

4 工程實踐

3605工作面回風巷道留巷全長2 150 m，超前切眼150 m未進行底板加固，150～850 m進行鋼筋混凝土灌注樁底板加固，在兩段分別進行了沿空巷道位移收斂變形監(jiān)測。1號測點未進行底板加固(距切眼120 m)、2號測點已經(jīng)進行底板加固(距切眼750 m)。圍巖收斂數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖5、圖6所示。

圖5 1號測點圍巖收斂變形監(jiān)測

圖6 2號測點圍巖收斂變形監(jiān)測

通過圍巖收斂變形監(jiān)測對比得出：初期在沒有進行底板加固的范圍內(nèi)，圍巖收斂變形中主要表現(xiàn)為底鼓，達到350 mm，其他三項變化量也相對較大；后階段通過鋼筋混凝土灌注樁加固底板，圍巖收斂變形控制在110 mm范圍內(nèi)，主要體現(xiàn)在頂?shù)装逡平浚c霍爾辛赫煤礦正常地質(zhì)條件下沿空留巷變形量基本一致，實踐證明霍爾辛赫煤礦異形柔模混凝土墻體+底板注漿技術設計參數(shù)合理，達到了預期效果。

5 結 語

沿頂留底煤巷道條件下沿空留巷的巷旁支護體處于底煤之上，后期頂板來壓，壓力通過巷旁支護體傳遞至底煤之上，而底煤受壓后被迫向卸壓區(qū)(沿空巷道)移動，導致巷道底鼓量大并且會影響支護體的穩(wěn)定性。因此，若想有效控制沿空巷道底鼓量并提高支護體的穩(wěn)定性，就要對支護體下方的底煤進行加固。霍爾辛赫煤礦3605工作面回風巷道采用鋼筋混凝土灌注樁加固底板技術，來增強支護體下方的強度。通過對未采用該加固技術的測點和使用該加固技術的測點的實際測量數(shù)據(jù)對比，圍巖變形量由最大350 mm降低到110 mm以內(nèi)，表明該頂板加固技術有效控制了圍巖變形量，提高了沿空留巷巷旁支護體的穩(wěn)定性，保證沿空留巷技術的順利開展。