柔模混凝土沿空留巷技術研究與應用

劉英明

摘 要：本文結合榆家梁煤礦52403工作面回風順槽實際工程情況，詳細介紹了柔模混凝土沿空留巷技術的支護方式、施工方法及技術措施，并做出經濟效益分析，對柔模混凝土沿空留巷技術的進一步推廣具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：柔模；沿空留巷；技術研究

中圖分類號：TD263 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）17-0134-03

在沿空留巷支護方案中柔模支護技術是目前比較廣泛應用的支護方式一項國內外比較先進的支護方案，柔模支護的本質是在進行沿空留巷時，利用柔模支護技術在巷道采空區一側形成一個具有較好密封性和穩定性的巷旁支護體，防止采空區瓦斯涌入巷道，保證礦井的通風要求和留巷的圍巖穩定性，進而確保礦井安全，提高煤炭回采率。

施工中使用的柔模實際為纖維材料制作而成的柔性模板，類似于柔模通過相對較短的錨桿和鋼筋網固定在施工巷道的外側，柔模具有透水不透混凝土漿的特性，這樣便可以將多余的水分排到柔模袋外面，增加袋內混凝土的強度，柔模支護與普通的混凝土噴射工藝相比具有支護厚度大、支護強度高、施工速度快、施工成本低等特點，因此被廣泛應用于現代化煤礦企業中。下文筆者將結合榆家梁52403工作面實際工程狀況，詳細介紹柔模混凝土沿空留巷技術施工方案及工藝。

1 工作面概況

52403工作面位于榆家梁井田東南部，工作面北部為52煤回風、膠運及輔運三條大巷，南部為井田邊界及燕溝扶貧煤礦52煤老塘，西部為52402備采工作面，東部為52404綜采工作面采空區；工作面切眼672m向北上覆為43煤43310工作面及43310旺采采空塌陷區，層間距58-64m。52403綜采面長280m，推進長度2053.4m，可采面積574952m2，可采儲量270萬t，工作面回采率為93%。預計工作面正常涌水量為20m3/h，最大涌水量為100m3/h；工作面內排水能力以不小于100m3/h設防。52403綜采面煤層厚度3.10-4.67m，平均厚度3.70m，局部有一層夾矸，夾矸巖性為灰色泥巖，厚度0.05-0.10m；煤厚變異系數5.5%，可采性指數1，為穩定煤層。工作面老頂為粉砂巖及中粒砂巖，厚度約為18.8-19.2m，灰色及灰白色，泥質膠結，水平層理。直接頂為泥巖，厚度約為1.1-1.3m，黑灰色，塊狀，結構致密，含炭屑，直接底為粉砂巖。

在52403綜采工作面回采期間，采用柔模混凝土沿空留巷的方式，將52403回風順槽保留下來作為52402綜采工作面的運輸順槽。綜合考慮相鄰工作面的礦壓觀測數據和砼墻經濟性，經計算在52403回風順槽正幫側施工1m厚（切眼至進入43煤位置，約670m）、1.2m厚（進入43煤后，約1418m）、3.5-3.7m高的柔模混凝土墻，施工至52403回撤通道口處，共計留巷2087.6m。

2 巷道支護方式

2.1 巷道參數

52403回風順槽原寬度5.5m、設計留巷寬度4.8m，高3.5 -3.7m，留巷長度2087.6m。

2.2 巷道補強支護

巷道補強支護頂部采用全斷面鋼筋網+螺紋鋼錨桿+錨索的支護方式，正幫采用一茬雙層1.8m寬塑料網+玻璃鋼錨桿的支護方式，副幫采用一茬雙層2.2m寬塑料網+玻璃鋼錨桿的支護方式。各部位支護參數如下：

頂部：錨桿5套/m，錨索3套/2m；正幫：一茬1.8m寬塑料網，錨桿“五花”布置，3套/1.5m；副幫：一茬2.2m寬塑料網，錨桿“五花”布置，3套/1.5m。

支護材料規格：Φ18×2100mm螺紋鋼錨桿、Φ6.5×1100×5200mm鋼筋網（網孔120×120mm）、Φ22×8000mm錨索、8×140×4600mmπ型鋼帶、8×140×3400mmπ型鋼帶、1.8（2.2）m×20m塑料網（網格40×40mm）、Φ20×2100mm玻璃鋼錨桿。

2.3 留巷滯后支護

在沿空留巷過程中，工作面滯后段將受采動影響，為防止回采過程中礦壓顯現對預留巷道的破壞，留巷滯后支護采用DW3.5型外注式單體液壓支柱配金屬鋼梁的“一梁四柱”支護，排距1000mm，每排單體間距從副幫到采空側為1200（1400）、800（800）、600。根據墻體受壓情況，受壓較大時，離墻200mm的位置補強支護一排單體，間距500mm，掛模單體不拆除，兼作墻體的補強支護。

隨著工作面推進一定距離，采動影響也逐漸減弱，所以僅需對受劇烈采動影響區域進行滯后支護，根據榆家梁煤礦實際情況及其他礦的實際工程經驗，在初期滯后工作面支護距離確定為150m，隨后根據礦壓顯現監測情況選擇合適的滯后支護長度。因本工作面采高較大，采空區冒落矸石堆積范圍大，將經歷強放和初采過程，所以初采期間支護方式將“一梁四柱”變更為步距800mm。

3 柔模砼墻支護

3.1 支護形式

巷旁采用柔模混凝土支護，考慮到施工誤差以及柔性模板的接頂富余量，主要選擇柔性模板高度為3.8m（局部巷高變化區選擇相應尺寸柔模）；考慮到施工進度、施工水平等相關條件，選擇每一模長度為3m或2m，厚度1m或1.2m。在模板立面與側翼持平位置縫制混凝土泵注口，泵注口直徑為250mm，即泵注口上邊緣距柔性模板頂部400mm，泵注口內外層長度不小于400mm。

為提高混凝土強度，在柔性模板上預留錨栓孔，掛好模后將錨栓穿過模板，錨栓兩端上托板及螺母，并注意保持兩端托板之間的距離，以確保泵注混凝土的厚度。沿每一模豎向方向設置4排共12根錨栓來提高混凝土強度。

3.2 泵注混凝土

柔模泵注混凝土支護技術利用了柔性模板的透水不透漿特性，混凝土必須有很大的流動性，同時必須達到相應的強度，所以在保證流動性的同時水泥的用量將加大。endprint

柔模泵注混凝土設計與普通混凝土設計相比，第一，砂率要比普通混凝土大，通常情況下為45%～50%；第二，石子的最大粒徑要與輸送管的直徑及柔模厚度相適應，通常最大粒徑小于20mm，一般采用5～16mm；第三，攪拌的混凝土水灰比取0.5～0.6為宜；第四，坍落度宜為180～200mm。本支護中，混凝土設計標號C30，配合比如下：水泥450kg/m3、砂700kg/m3、碎石980kg/m3、水216kg/m3、粉煤灰60kg/m3、柔模專用外加劑1.6kg/m3。

4 施工方法及安全技術措施

4.1 施工材料

柔模泵注混凝土沿空留巷施工中需要多種原材料，現將主要的幾種羅列如下：42.5R硅酸鹽水泥、柔性模板、砂、石子、外加劑、粉煤灰、水、錨栓、鐵托板、圓鋼、DW3.5m外注式單體和10#鉛絲網等。

4.2 施工設備選型及布置

4.2.1 混凝土攪拌要求

在柔模泵注混凝土沿空掘巷施工過程中需要大量使用混凝土。所使用的混凝土必須經過兩次攪拌工藝才可使用，第一次攪拌干料需要在地面攪拌站完成，第二次攪拌需要將干料通過無軌膠輪車運輸到工作面再加水攪拌，由于工藝中采用的是二次攪拌，因此在選擇干料的原材料時，應保證原材料的含水量不宜過高，避免混凝土在使用前過早硬化。

4.2.2 混凝土輸送泵設備選型及布置方案

在柔模泵注混凝土支護施工過程中最關鍵的設備為混凝土輸送泵，由于井下施工環境非常惡劣，因此在選擇混凝土輸送泵時應當滿足以下幾個要求：

（1）由于井巷窄長的特點，要求設備寬度要盡量短小，以寬度小于1.5m為宜；（2）高壓；因煤礦巷道斷面一般較小，一次泵注量不大，泵可隨工作面移動，以高壓小排量為宜。高壓輸送距離遠。由于接頂時混凝土即將飽滿，大排量泵每一次油缸推送距離長，泵送量大。（3）滿足混凝土強度要求。長距離輸送混凝土易堵管，如降低石子粒徑及含量，會降低混凝土強度，滿足不了設計要求，影響巷道安全及效果。短距離輸送易保證混凝土質量，堵管后易于處理。輸送距離一般在200-350m較為合適。

混凝土泵的主要技術參數作為試驗優化。

（1）輸送量。混凝土泵的輸送量在一定程度上決定了施工速度，單位時間輸送量越大，施工速度也就越快，但要求的配套上料運輸要及時。設備尺寸的大小根據輸送管直徑的大小來確定。據井下工作環境及斷面大小輸送量一般在15m3/h～35m3/h。（2）泵送壓力。目前使用的混凝土泵的壓力一般為16MPa。混凝土泵的壓力過高在施工過程中容易損壞柔模，如果壓力達不到要求的話，混凝土輸送距離將較短并且容易造成堵管事故的發生，經試驗井下使用一般10～16MPa為宜。（3）輸送管直徑。對于輸送管管徑的選擇，試驗選用φ125、φ100和φ80三種規格，經過現場試驗情況對比，φ125輸送管輸送最通暢，但由于管徑較粗在安裝過程中比較笨重，φ80雖然安裝簡便但使用過程中經常造成堵管事故，因此選定采用φ125管道。

4.2.3 施工設備布置

柔模混凝土制備輸送機組布置在52403回風順槽正幫側，利用無軌膠輪車將干料輸送至泵后方調車硐室內，上料機將地面干料轉入混凝土制備機的攪拌槽內攪拌，通過混凝土泵送管路將混凝土注入端頭柔模內。混凝土泵距工作面距離200-350m。

4.3 柔性模板掛設要求及安全技術措施

4.3.1 柔性模板掛設要求

（1）掛設柔模時，先要將柔模掛設位置處散落矸石等雜物清理干凈，柔模混凝土要落在實底上。先掛設采空區側部分，將穿有圓鋼的翼緣用雙股8#鉛絲綁扎在巷道頂部的錨桿上，綁扎必須牢靠。（2）巷道外側掛模通過單體將翼緣夾持在巷道頂板上，單體間距500mm，單體必須打設牢靠，防止灌注過程中柔模下滑或鼓肚。綁扎時需有專人監護，以防綁扎時支柱支設不牢而傾倒傷人。（3）柔模掛設好以后，將控制厚度的錨栓穿過模板，并在錨栓兩端上好托板及螺母，以防泵注過程中柔性模板脹破。在掛好柔模的側面（靠回撤通道方向），打設3根單體，用于支撐柔模，防止泵注時向此處鼓肚。

4.3.2 柔性模板掛設安全技術措施

（1）掛模前，必須確保機尾段割161-164#支架不拉架和推溜，161-164#支架拉架或推溜期間，嚴禁架后有人作業。必須指定專人觀察頂板和采空區情況，發現異常及時進行處理后方可掛模。（2）支護澆注空間必須考慮巷道和混凝土墻的凈寬。要求混凝土墻凈寬為1.2m，墻內側（即掛模單體外側）距巷道副幫為4.8m。固定靠巷內側的柔模用單體支柱支設，單體液壓支柱如有卸壓必須及時更換，并且使用好防倒繩，防止單體液壓支柱倒下傷人。（3）掛模單體按柱距0.5m打設，必須升夠初撐力，確保在澆筑混凝土過程中柔模不發生下沉的現象，并且單體不會被擠出巷道內部。巷內用單體掛模，打設掛柔模單體時必須上激光線，保證澆注空間凈寬度為1.2m，留巷寬度為4.8m，每打一根測量一次凈寬度。（4）掛模完畢后，在掛好柔模的側面（靠通道方向），打設3根單體，用于支撐柔模，防止泵注時向此處鼓肚。掛模單體必須至少泵注完48h后再回撤。泵注1h后，使用專用工具將錨栓螺絲擰緊。掛模單體時必須掛線打設，誤差不得大于±100mm。

5 混凝土的泵注施工要求

（1）混凝土泵送施工時，規定聯絡信號和配備通訊設備，可采用有線或無線通訊設備等進行混凝土泵、攪拌運輸車和攪拌站與澆筑地點之間的通訊聯絡。泵送混凝土時混凝土泵的支腿應完全伸出，并插好安全銷。將泵固定牢靠，防止泵注過程中擺動。（2）混凝土泵啟動后應先泵送適量水以濕潤混凝土泵的料斗活塞及輸送管的內壁等直接與混凝土接觸部位。經泵送水檢查確認混凝土泵和輸送管中無異物后應采用下列方法之一潤滑混凝土泵和輸送管內壁：泵送水泥漿；泵送1：2水泥砂漿；泵送與混凝土內除粗骨料外的其他成份相同配合比的水泥砂漿。（3）開始泵送時，混凝土泵應處于慢速勻速并隨時可反泵的狀態。泵送速度，應先慢后快，逐步加速。同時應觀察混凝土泵的壓力和各系統的工作情況，待各系統運轉順利后，方可以正常速度進行泵送。（4）當輸送管被堵塞時應采取下列方法排除：重復進行反泵和正泵，逐步吸出混凝土至料斗中，重新攪拌后泵送；用鐵錘敲擊等方法查明堵塞部位，將混凝土擊松后重復進行反泵和正泵，排除堵塞；當此兩種方法無效時，應在混凝土卸壓后拆除堵塞部位的輸送管，排出混凝土堵塞物后方可接管，重新泵送前應先排除管內空氣后方可擰緊接頭。endprint

6 階段性礦壓分析

6.1 墻體壓力觀測

墻體壓力觀測設有兩個測站1號和2號，分別距離切眼約320m、755m。礦壓設備受力面積74cm×13cm（96200mm2），儀器讀數單位kN，最大量程2800kN。

將1號、2號測站觀測的值換算為墻體應力。考慮到礦壓監測儀器受安裝影響及其他未知因素，導致得到的觀測數據的準確性，在實際觀測計算的墻體應力的基礎上，取該組測力計最大值的80%（試其余6個測力計的值為該組最大值的80%）所計算的墻體應力作為參考。

經計算可得礦壓顯現穩定后：1號測站觀測所得的墻體應力為1.1MPa，取該組測力計最大值的80%所計算的墻體應力為3.4MPa；2號測站觀測所得的墻體應力為4.6MPa，取該組測力計最大值的80%所計算的墻體應力為20.3MPa。

6.2 巷道頂底板移近量觀測

巷道頂底板移近量觀測共設有三個測站1號、2號和3號，分別距離切眼712m、753m和818m。每個測站分別觀測墻體側、巷中和副幫側巷道高度。

對測算結果進行分析得出：1號測站巷道最大頂底板移近量為34mm，2號測站巷道最大頂底板移近量為31mm；3號測站觀測所得的墻體應力為11mm，巷道變形很小，留巷效果良好。

6.3 礦壓監測結論

（1）墻體壓力及混凝土礦壓強度。1號測站觀測所得的墻體應力為1.1MPa，取該組測力計最大值的80%所計算的墻體應力為3.4MPa；2號測站觀測所得的墻體應力為4.6MPa，取該組測力計最大值的80%所計算的墻體應力為20.3MPa。混凝土1天強度最高達6.7MPa，7天強度可達23.4MPa。混凝土強度可滿足礦壓顯現要求。（2）巷道變形。1號測站巷道最大頂底板移近量為34mm，2號測站巷道最大頂底板移近量為31mm；3號測站觀測所得的墻體應力為11mm，巷道變形很小，留巷效果良好。（3）周期來壓步距小，頂板垮落及時，沒有大的老頂來壓跡象，留巷圍巖穩定。

7 經濟效益分析

52403工作面回順柔模混凝土沿空留巷經濟效益分析。52煤雙巷掘進，按1500m/月進尺計算，掘進成本2678.9元/m；52煤單巷掘進，按1200m/月進尺計算，掘進成本3712.1元/m。52煤車板結算價按370元/噸計取，52煤采掘成本按111.16元/噸計取。

經現場實際測算，52403工作面回順留巷投入2306.53萬；沿空留巷可提高資源回收率4.2%，本項可多回收煤量增加效益3714.91萬元；沿空留巷相比傳統工藝少掘一條巷道，52403工作面回順少掘巷道可節約333.63萬元；與掘雙巷道相比，沿空留巷可減少勞務工程費用約169.36萬元；綜上，沿空留巷總利潤約為2011.36萬元，為礦井創造了較好的經濟效益。

8 結語

柔模混凝土沿空留巷的應用改善了礦井安全生產條件，解決了工作面瓦斯積聚超限的問題，確保了礦井安全生產。在生產過程中減少了一條巷道的掘進工作量，提高了資源回收率，不僅減輕了職工的勞動強度也增加了礦井的經濟效益。因此沿空留巷技術值得進一步推廣使用。

參考文獻

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