柔模泵注混凝土支护沿空留巷技术研究与应用

魏有贵，王俊超，罗代洪，任 伟，张延良，赵志刚

(1.四川广旺能源发展(集团)有限责任公司，四川 广元 628000； 2.四川广旺集团 代池坝煤矿，四川 广元 628000)

·试验研究·

柔模泵注混凝土支护沿空留巷技术研究与应用

魏有贵1,2，王俊超2，罗代洪2，任 伟2，张延良2，赵志刚2

(1.四川广旺能源发展(集团)有限责任公司，四川 广元 628000； 2.四川广旺集团 代池坝煤矿，四川 广元 628000)

代池坝煤矿针对煤体与采空区瓦斯涌出量高、留巷矿压显现剧烈等问题，采用了柔模支护完全开采配套技术。介绍了柔模支护沿空留巷技术的原理，结合该矿31342工作面机巷具体地质条件，形成了巷内加强支护与超前隔离支护的总体方案,确定了柔性模板和混凝土浇筑参数,并对巷旁支护体特性与留巷支护效果进行监测和评估。工程实践表明，所设计的柔模支护能够控制住围岩变形,保证后期安全生产需要，有效地减少煤柱留设，提高了回采率。

巷旁支护；沿空留巷；柔模支护

代池坝煤矿是四川广旺集团的一个开采近40年的老矿井，资源已近枯竭，深部开采过程中，地质条件复杂、地压大，掘进困难，且该矿属于“高瓦斯矿井”，对采掘又有更为严格的要求，导致近年来该矿采掘衔接异常紧张。因此，如何缓解采掘关系，提高现有资源的回收率，成为代池坝煤矿的一个亟待解决的问题。

1 工作面开采技术条件

1.1 地质赋存情况

3(13)42工作面位于+320 m水平304采区，开采标高为+525～+425 m，工作面平均倾斜长度为155 m，走向长900 m. 工作面机巷、回风巷均为顺煤层走向布置的半煤巷，工作面机巷为机轨合一布置。

3(13)42工作面范围内13#煤层结构复杂，夹矸层数多，煤质偏硬。该煤层为单斜构造，走向近于东西，煤层倾角变化不大，一般为38°～40°，平均39°，煤层总厚均为1.75 m，纯煤厚均为0.86 m，厚度稳定，属不稳定煤层。13#煤层直接顶为灰色薄层状粉砂岩和粉砂质泥岩，直接底板为灰色薄层粉砂岩，局部煤层顶部有0.25 m泥岩含煤屑。底板富水性弱，局部顶、底板有淋水现象。正常涌水量0.1～0.3 m3/h，最大涌水量3.0 m3/h.

1.2 机巷支护方式

3(13)42机巷采用锚网索支护，顶板锚索规格为：d17.8 mm×6 000 mm，上帮锚索规格为：d17.8 mm×8 000 mm. 锚杆规格：顶部及帮部均采用d18 mm×2 400 mm树脂锚杆，顶板锚杆间距1 000 mm，一排4根；上帮两根，下帮1根。全断面采用菱形金属网护帮护顶。

2 柔模混凝土支护结构及参数设计

2.1 支护结构及工艺

注浆泵采用HBMD12/4-22S型矿用混凝土泵注浆，并且为柔模泵注混凝土支护结构。混凝土用泵注入预先固定在巷道帮部的纤维柔性模板中。模板采用一次性纤维柔性模板，由双层高强度纤维布缝制而成，模板端部设有向两侧伸出的侧翼，施工时将侧翼缠绕在托板上，托板由锚杆固定在巷道顶板上；并在柔性模板的顶部及底部进行植筋，使支护的混凝土与巷道顶、底板成为一个整体，形成一个锚杆、槽钢托梁与混凝土连续整体式巷旁支护体系。锚杆和模袋混凝土支护以及围岩形成一个整体，共同承受巷道压力。柔模泵注混凝土支护方法继承了水泥混凝土连续整体支护的刚性，为沿空留巷中的刚性巷旁支护；该护巷工艺一次施工面积大，混凝土整体性好、强度高，且机械化程度高，施工速度快。

2.2 巷旁柔模混凝土墙结构及参数设计

2.2.1 力学模型建立

通过理论推导及经验，深埋煤层沿空留巷力学模型主要内容如下：

1) 该问题是一个平面问题。

2) 把沿空留巷顶部岩层看作梁，即承载梁，其厚度为锚索加固厚度，一般为4～5 m.

3) 承载梁上覆荷载均布。

4) 巷旁支护采空区侧悬臂梁长度变化是引起巷旁支护动载的主要因素，通过调整悬臂梁长度来确定最小静荷载和最大动荷载，承载梁最大长度等于周期来压步距，采空区悬顶距=承载梁长度-伸入煤壁长度-留巷宽度-墙体宽度。

5) 承载梁两边的剪切角相同。

6) 承载梁上覆荷载取值断裂带高度，裂隙高度为冒落高度的2～3倍，根据岩性取值，一般取为采高的14～16倍。还可近似按工作面液压支架支撑强度取值。

力学模型图见图1.

图1 建立的力学模型图

2.2.2 参数设计

根据图1所示力学模型对柔模混凝土墙体厚度进行计算：

1) 支护体载荷计算。

Q=[0.5(Htgθ+Bb+x+Bc+0.5BM)q(Bb+x+

式中：

Q—墙体载荷，MPa；

q—上覆岩层荷载，m，取14倍采高，采高取1.8 m，q=14γh=14×27×1.8=680.4 kN/m2；

Bb—墙体内侧到煤壁的距离，墙体浇筑于采空区内，其中心点距上帮0.6 m，则Bb=0.6+3.8=4.4 m；

x—墙体宽度，m，取1.2；

H—承载梁厚度，m，取6；

Bc—墙外侧悬顶距，m，取1；

BM—顶板断裂线距煤壁距离，巷道宽度3.8 m，墙体浇筑于采空区内，墙体外侧距上帮煤壁垂直距离1.9 m，故BM取5.7 m；

代入数据计算可得，支护厚度为1.2 m时支护体的载荷为:

Q=14.3MPa

从上述计算结果可知，混凝土墙体1.2 m厚时，墙体稳定压力为14.3 MPa.

2) 承载能力计算。

将单位长度、厚度1.2 m的支护体视为轴心受压柱模型，可计算出支护体的正截面承载能力。

模型柱高1.8 m，短边长1.2 m，构件的长细比为1.8/1.2=1.5，构件的稳定系数φ取1.0.

模型柱承载能力计算：

N2=0.9φ×fcA

式中：

N2—支护体的承载能力；

φ—构件的稳定系数，取1.0；

fc—混凝土的轴心极限抗压设计强度，C30时为22.5 N/mm2；

A—截面面积，为1 000 mm×1 200 mm.

支护体的承载能力为：

N2=24 300 kN，可承受强度为24.3 MPa>14.3 MPa，可认为墙体处于安全状态。

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根据上述计算，选定墙体厚度为1.2 m，混凝土设计强度C30.

柔模墙上设置锚栓，锚栓的主要作用是增强混凝土，形成钢筋混凝土，增加混凝土残余强度，同时有利于柔模成型，控制侧向变形。锚栓规格为：d20 mm×1 300 mm树脂锚杆(两端各有长度不低于100 mm的丝扣)，托板采用锚杆托板或木托板。

3 巷旁柔模混凝土墙体位态设计

3.1 柔模混凝土墙体垂直煤层浇筑

该位态时，顶板留设顶煤长度较少，深入采空区长度较小，3 m左右，单体及木点柱等容易打设，柔模也容易挂设。但混凝土浇筑时将对靠巷内侧产生较大的侧压力，不利于混凝土墙体成型，同时柔模墙体成型后，抗倾覆稳定性及抗冲击能力较弱。

3.2 柔模混凝土墙体垂直巷道底板浇筑

该位态时，顶板留设顶煤长度较多，深入采空区长度较大，为4.1 m左右，单体及木点柱等不容易打设。但混凝土浇筑时将对靠巷内侧产生的侧压力较小，有利于混凝土墙体成型，同时柔模墙体成型后，抗倾覆稳定性及抗冲击能力较前一种位态要好。

综上,在实际施工时,使柔模混凝土墙体位态介于两者之间,使其倾角为20°左右,在实际施工时进行调整，这样既有利于施工,同时墙体受力性能也较好。

沿空留巷支护断面图见图2.

图2 沿空留巷支护断面图(采用位态)

3.3 挡矸系统及参数设计

由于工作面倾角较大，为防止采空区矸石下窜，冲击巷旁支护墙体，需进行挡矸支护。沿空留巷挡矸系统包括金属网、木点柱、顶底板植筋及挡矸板。

1) 金属网在工作面液压支架前方连续铺设，起护顶挡矸作用。

2) 在金属网下部打设木点柱，既可以进行挡矸，又可以用来挂设柔模，木点柱直径200 mm，间距0.5 m.

3) 在1#支架掩护梁处加设挡矸板，挡矸板高度1 m，长度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，进行挡矸。

4) 在巷旁墙体浇筑区域的顶底板上植筋，采用树脂锚杆作为植筋，植筋长度1 m，外露出顶底板0.5 m，巷旁混凝土墙体浇筑时将其刺入柔模内和混凝土浇筑为一体，防止墙体下滑，同时起到挡矸作用。

3.4 临时滞后支护方式及长度设计

在沿空留巷过程中，受剧烈采动影响的仅是工作面前后方的某一地段，随着工作面采过一定距离，采动影响也逐渐减弱，需要进行临时滞后支护。

根据代池坝煤矿实际情况及其他矿的实际工程经验，滞后支护选用单体带帽支护，单体排距1 m，每排3根。若在留巷过程中，后巷压力显现较为明显则采用单体柱配π型梁(长钢梁)支护，一梁三柱，排距1 m，每排3根，滞后工作面支护距离80 m，根据矿压选择合适的滞后支护长度，防止回采过程中矿压显现对留巷巷道造成破坏。

4 沿空留巷施工设计

代池坝煤矿沿空留巷巷旁浇筑工艺流程为：地面制备干混料→运输至3(13)42工作面机巷柔模混凝土制备输送机组后方→通过上料机将干混料运输至搅拌机→加水、搅拌均匀→通过混凝土泵和管路将混凝土输送至柔性模板内。

柔模混凝土沿空留巷主要施工流程见图3.

图3 柔模混凝土施工工艺流程图

5 护巷效果分析

5.1 柔模泵注混凝土技术分析

1) 巷旁1 200 mm混凝土墙刚性支护条件下，其所受压力高达350～400 MPa，远高出混凝土的承载能力，爆破切顶能够降低混凝土墙的压力约5 000 kN，也能减少巷内煤壁处顶板的塑性区，有利于巷内顶板的完整性，降低巷内顶板支护难度。

2) 巷旁1 200 mm混凝土墙柔性支护并切顶条件下，混凝土墙所受应力大幅度减少，减少至10～20 MPa，小于混凝土强度，满足安全要求。

3) 柔模泵注混凝土增阻快、强度高。

4) 柔模泵注混凝土支护工艺，设备简单，机械化程度高，施工速度快，不影响工作面正常推进。

5.2 社会效益

经过对回采前、沿空留巷过程中巷道观测，巷道的规格由原来的4 000 mm×2 100 mm收缩到3 000 mm×1 850 mm,满足运输行人和回风的需要。

安全效益：节省一组采掘队伍,减少了掘进设备的投入，降低了安全事故几率，促进原煤生产实现稳产高产。

时间效益：按代池坝矿半煤岩巷道掘进施工速度9 m/天计算,掘进900 m巷道需要100天，大幅度缓解了衔接紧张的局面。

5.3 经济效益

1) 代池坝矿半煤巷道的掘进成本为1 923元/m，柔模泵注混凝土沿空留巷设计留巷成本为1 125元/m，每米节约798元；按留巷长度900 m来计算，节约71.82万元。

2) 沿空留巷减少煤柱损失20 m，按多回收煤炭38 000 t，增收资金：1 140万元，经济效益十分显著，总计经济效益1 211.82万元。

6 结 论

柔性模板泵注混凝土沿空留巷技术通过在代池坝煤矿31342工作面的应用，对比该矿原护巷工艺有着比较明显的优势，大大提升了该矿护巷的水平。该技术实现了工作面之间无煤柱开采,提高了煤炭回收率；减少了巷道掘进工程量,降低了巷道掘进率,提高了经济效益。同时，采用HBMD12/4-22S煤矿用混凝土泵,输料距离达1 000 m,实现了井下远距离混凝土泵送,技术先进,适应性强,解决了混凝土泵在起伏不平和向下泵送材料易堵管的技术难题,降低了工人劳动强度。

综上所述，柔性模板泵注混凝土沿空留巷技术具有广泛的发展和应用前景。

[1] 杨俊哲.厚煤层机械化柔模快速沿空留巷技术应用研究[J].煤炭科学技术,2015(S2):1-5.

[2] 魏 朝.柔模似膏体充填开采沿空留巷技术应用研究[D].西安科技大学,2014:18-25.

[3] 张正斌.柔模支护沿空留巷技术在高河矿的应用[J].中国煤炭,2014(8):53-56.

[4] 张海彬.柔模混凝土沿空留巷技术应用效果分析[J].煤,2014(8):76-78.

[5] 李 飞.大倾角薄煤层复合顶板沿空留巷技术的应用[J].煤炭科技,2014(2):22-28.

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

魏有贵(1963—)，男，四川达县人，1981年毕业于重庆煤炭工业学校，高级工程师，主要从事软岩巷道支护以及岩层控制方面的研究工作，(E-mail)136554061@qq.com

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1672-0652(2017)02-0023-04