柔模混凝土沿空留巷安全开采成套技术
刘英明
摘 要：本文结合榆家梁煤矿52403工作面回风顺槽实际工程情况，详细介绍了柔模混凝土沿空留巷技术的支护方式、施工方法及技术措施，并做出经济效益分析，对柔模混凝土沿空留巷技术的进一步推广具有一定的借鉴意义。
关键词：柔模；沿空留巷；技术研究
中图分类号：TD263 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）17-0134-03
在沿空留巷支护方案中柔模支护技术是目前比较广泛应用的支护方式一項国内外比较先进的支护方案，柔模支护的本质是在进行沿空留巷时，利用柔模支护技术在巷道采空区一侧形成一个具有较好密封性和稳定性的巷旁支护体，防止采空区瓦斯涌入巷道，保证矿井的通风要求和留巷的围岩稳定性，进而确保矿井安全，提高煤炭回采率。
施工中使用的柔模实际为纤维材料制作而成的柔性模板，类似于柔模通过相对较短的锚杆和钢筋网固定在施工巷道的外侧，柔模具有透水不透混凝土浆的特性，这样便可以将多余的水分排到柔模袋外面，增加袋内混凝土的强度，柔模支护与普通的混凝土喷射工艺相比具有支护厚度大、支护强度高、施工速度快、施工成本低等特点，因此被广泛应用于现代化煤矿企业中。下文笔者将结合榆家梁52403工作面实际工程状况，详细介绍柔模混凝土沿空留巷技术施工方案及工艺。
1 工作面概况
52403工作面位于榆家梁井田东南部，工作面北部为52煤回风、胶运及辅运三条大巷，南部为井田边界及燕沟扶贫煤矿52煤老塘，西部为52402备采工作面，东部为52404综采工作面采空区；工作面切眼672m向北上覆为43煤43310工作面及43310旺采采空塌陷区，层间距58-64m。52403综采面长280m，推进长度2053.4m，可采面积574952m2，可采储量270万t，工作面回采率为93%。预计工作面正常涌水量为20m3/h，最大涌水量为100m3/h；工作面内排水能力以不小于100m3/h设防。52403综采面煤层厚度3.10-4.67m，平均厚度3.70m，局部有一层夹矸，夹矸岩性为灰色泥岩，厚度0.05-0.10m；煤厚变异系数5.5%，可采性指数1，为稳定煤层。工作面老顶为粉砂岩及中粒砂岩，厚度约为18.8-19.2m，灰色及灰白色，泥质胶结，水平层理。直接顶为泥岩，厚度约为1.1-1.3m，黑灰色，块状，结构致密，含炭屑，直接底为粉砂岩。
在52403综采工作面回采期间，采用柔模混凝土沿空留巷的方式，将52403回风顺槽保留下来作为52402综采工作面的运输顺槽。综合考虑相邻工作面的矿压观测数据和砼墙经济性，经计算在52403回风顺槽正帮侧施工1m厚（切眼至进入43煤位置，约670m）、1.2m厚（进入43煤后，约1418m）、3.5-3.7m高的柔模混凝土墙，施工至52403回撤通道口处，共计留巷2087.6m。
2 巷道支护方式
2.1 巷道参数
52403回风顺槽原宽度5.5m、设计留巷宽度4.8m，高3.5 -3.7m，留巷长度2087.6m。
2.2 巷道补强支护
巷道补强支护顶部采用全断面钢筋网+螺纹钢锚杆+锚索的支护方式，正帮采用一茬双层1.8m宽塑料网+玻璃钢锚杆的支护方式，副帮采用一茬双层2.2m宽塑料网+玻璃钢锚杆的支护方式。各部位支护参数如下：
顶部：锚杆5套/m，锚索3套/2m；正帮：一茬1.8m宽塑料网，锚杆“五花”布置，3套/1.5m；副帮：一茬2.2m宽塑料网，锚杆“五花”布置，3套/1.5m。
支护材料规格：Φ18×2100mm螺纹钢锚杆、Φ6.5×1100×5200mm钢筋网（网孔120×120mm）、Φ22×8000mm锚索、8×140×4600mmπ型钢带、8×140×3400mmπ型钢带、1.8（2.2）m×20m塑料网（网格40×40mm）、Φ20×2100mm玻璃钢锚杆。
2.3 留巷滞后支护
在沿空留巷过程中，工作面滞后段将受采动影响，为防止回采过程中矿压显现对预留巷道的破坏，留巷滞后支护采用DW3.5型外注式单体液压支柱配金属钢梁的“一梁四柱”支护，排距1000mm，每排单体间距从副帮到采空侧为1200（1400）、800（800）、600。根据墙体受压情况，受压较大时，离墙200mm的位置补强支护一排单体，间距500mm，挂模单体不拆除，兼作墙体的补强支护。
随着工作面推进一定距离，采动影响也逐渐减弱，所以仅需对受剧烈采动影响区域进行滞后支护，根据榆家梁煤矿实际情况及其他矿的实际工程经验，在初期滞后工作面支护距离确定为150m，随后根据矿压显现监测情况选择合适的滞后支护长度。因本工作面采高较大，采空区冒落矸石堆积范围大，将经历强放和初采过程，所以初采期间支护方式将“一梁四柱”变更为步距800mm。
3 柔模砼墙支护
3.1 支护形式
巷旁采用柔模混凝土支护，考虑到施工误差以及柔性模板的接顶富余量，主要选择柔性模板高度为3.8m（局部巷高变化区选择相应尺寸柔模）；考虑到施工进度、施工水平等相关条件，选择每一模长度为3m或2m，厚度1m或1.2m。在模板立面与侧翼持平位置缝制混凝土泵注口，泵注口直径为250mm，即泵注口上边缘距柔性模板顶部400mm，泵注口内外层长度不小于400mm。
为提高混凝土强度，在柔性模板上预留锚栓孔，挂好模后将锚栓穿过模板，锚栓两端上托板及螺母，并注意保持两端托板之间的距离，以确保泵注混凝土的厚度。沿每一模竖向方向设置4排共12根锚栓来提高混凝土强度。
3.2 泵注混凝土
柔模泵注混凝土支护技术利用了柔性模板的透水不透浆特性，混凝土必须有很大的流动性，同时必须达到相应的强度，所以在保证流动性的同时水泥的用量将加大。endprint
柔模泵注混凝土设计与普通混凝土设计相比，第一，砂率要比普通混凝土大，通常情况下为45%～50%；第二，石子的最大粒径要与输送管的直径及柔模厚度相适应，通常最大粒径小于20mm，一般采用5～16mm；第三，搅拌的混凝土水灰比取0.5～0.6为宜；第四，坍落度宜为180～200mm。本支护中，混凝土设计标号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、柔模专用外加剂1.6kg/m3。
4 施工方法及安全技术措施
4.1 施工材料
柔模泵注混凝土沿空留巷施工中需要多种原材料，现将主要的几种罗列如下：42.5R硅酸盐水泥、柔性模板、砂、石子、外加剂、粉煤灰、水、锚栓、铁托板、圆钢、DW3.5m外注式单体和10#铅丝网等。
4.2 施工设备选型及布置
4.2.1 混凝土搅拌要求
在柔模泵注混凝土沿空掘巷施工过程中需要大量使用混凝土。所使用的混凝土必须经过两次搅拌工艺才可使用，第一次搅拌干料需要在地面搅拌站完成，第二次搅拌需要将干料通过无轨胶轮车运输到工作面再加水搅拌，由于工艺中采用的是二次搅拌，因此在选择干料的原材料时，应保证原材料的含水量不宜过高，避免混凝土在使用前过早硬化。
4.2.2 混凝土输送泵设备选型及布置方案
在柔模泵注混凝土支护施工过程中最关键的设备为混凝土输送泵，由于井下施工环境非常恶劣，因此在选择混凝土输送泵时应当满足以下几个要求：
（1）由于井巷窄长的特点，要求设备宽度要尽量短小，以宽度小于1.5m为宜；（2）高压；因煤矿巷道断面一般较小，一次泵注量不大，泵可随工作面移动，以高压小排量为宜。高压输送距离远。由于接顶时混凝土即将饱满，大排量泵每一次油缸推送距离长，泵送量大。（3）满足混凝土强度要求。长距离输送混凝土易堵管，如降低石子粒径及含量，会降低混凝土强度，满足不了设计要求，影响巷道安全及效果。短距离输送易保证混凝土质量，堵管后易于处理。输送距离一般在200-350m较为合适。
混凝土泵的主要技术参数作为试验优化。
（1）输送量。混凝土泵的输送量在一定程度上决定了施工速度，单位时间输送量越大，施工速度也就越快，但要求的配套上料运输要及时。设备尺寸的大小根据输送管直径的大小来确定。据井下工作环境及断面大小输送量一般在15m3/h～35m3/h。（2）泵送压力。目前使用的混凝土泵的压力一般为16MPa。混凝土泵的压力过高在施工过程中容易损坏柔模，如果压力达不到要求的话，混凝土输送距离将较短并且容易造成堵管事故的发生，经试验井下使用一般10～16MPa为宜。（3）输送管直径。对于输送管管径的选择，试验选用φ125、φ100和φ80三种规格，经过现场试验情况对比，φ125输送管输送最通畅，但由于管徑较粗在安装过程中比较笨重，φ80虽然安装简便但使用过程中经常造成堵管事故，因此选定采用φ125管道。
4.2.3 施工设备布置
柔模混凝土制备输送机组布置在52403回风顺槽正帮侧，利用无轨胶轮车将干料输送至泵后方调车硐室内，上料机将地面干料转入混凝土制备机的搅拌槽内搅拌，通过混凝土泵送管路将混凝土注入端头柔模内。混凝土泵距工作面距离200-350m。
4.3 柔性模板挂设要求及安全技术措施
4.3.1 柔性模板挂设要求
（1）挂设柔模时，先要将柔模挂设位置处散落矸石等杂物清理干净，柔模混凝土要落在实底上。先挂设采空区侧部分，将穿有圆钢的翼缘用双股8#铅丝绑扎在巷道顶部的锚杆上，绑扎必须牢靠。（2）巷道外侧挂模通过单体将翼缘夹持在巷道顶板上，单体间距500mm，单体必须打设牢靠，防止灌注过程中柔模下滑或鼓肚。绑扎时需有专人监护，以防绑扎时支柱支设不牢而倾倒伤人。（3）柔模挂设好以后，将控制厚度的锚栓穿过模板，并在锚栓两端上好托板及螺母，以防泵注过程中柔性模板胀破。在挂好柔模的侧面（靠回撤通道方向），打设3根单体，用于支撑柔模，防止泵注时向此处鼓肚。
4.3.2 柔性模板挂设安全技术措施
（1）挂模前，必须确保机尾段割161-164#支架不拉架和推溜，161-164#支架拉架或推溜期间，严禁架后有人作业。必须指定专人观察顶板和采空区情况，发现异常及时进行处理后方可挂模。（2）支护浇注空间必须考虑巷道和混凝土墙的净宽。要求混凝土墙净宽为1.2m，墙内侧（即挂模单体外侧）距巷道副帮为4.8m。固定靠巷内侧的柔模用单体支柱支设，单体液压支柱如有卸压必须及时更换，并且使用好防倒绳，防止单体液压支柱倒下伤人。（3）挂模单体按柱距0.5m打设，必须升够初撑力，确保在浇筑混凝土过程中柔模不发生下沉的现象，并且单体不会被挤出巷道内部。巷内用单体挂模，打设挂柔模单体时必须上激光线，保证浇注空间净宽度为1.2m，留巷宽度为4.8m，每打一根测量一次净宽度。（4）挂模完毕后，在挂好柔模的侧面（靠通道方向），打设3根单体，用于支撑柔模，防止泵注时向此处鼓肚。挂模单体必须至少泵注完48h后再回撤。泵注1h后，使用专用工具将锚栓螺丝拧紧。挂模单体时必须挂线打设，误差不得大于±100mm。
5 混凝土的泵注施工要求
（1）混凝土泵送施工时，规定联络信号和配备通讯设备，可采用有线或无线通讯设备等进行混凝土泵、搅拌运输车和搅拌站与浇筑地点之间的通讯联络。泵送混凝土时混凝土泵的支腿应完全伸出，并插好安全销。将泵固定牢靠，防止泵注过程中摆动。（2）混凝土泵启动后应先泵送适量水以湿润混凝土泵的料斗活塞及输送管的内壁等直接与混凝土接触部位。经泵送水检查确认混凝土泵和输送管中无异物后应采用下列方法之一润滑混凝土泵和输送管内壁：泵送水泥浆；泵送1：2水泥砂浆；泵送与混凝土内除粗骨料外的其他成份相同配合比的水泥砂浆。（3）开始泵送时，混凝土泵应处于慢速匀速并随时可反泵的状态。泵送速度，应先慢后快，逐步加速。同时应观察混凝土泵的压力和各系统的工作情况，待各系统运转顺利后，方可以正常速度进行泵送。（4）当输送管被堵塞时应采取下列方法排除：重复进行反泵和正泵，逐步吸出混凝土至料斗中，重新搅拌后泵送；用铁锤敲击等方法查明堵塞部位，将混凝土击松后重复进行反泵和正泵，排除堵塞；当此两种方法无效时，应在混凝土卸压后拆除堵塞部位的输送管，排出混凝土堵塞物后方可接管，重新泵送前应先排除管内空气后方可拧紧接头。endprint
6 阶段性矿压分析
6.1 墙体压力观测
墙体压力观测设有两个测站1号和2号，分别距离切眼约320m、755m。矿压设备受力面积74cm×13cm（96200mm2），仪器读数单位kN，最大量程2800kN。
将1号、2号测站观测的值换算为墙体应力。考虑到矿压监测仪器受安装影响及其他未知因素，导致得到的观测数据的准确性，在实际观测计算的墙体应力的基础上，取该组测力计最大值的80%（试其余6个测力计的值为该组最大值的80%）所计算的墙体应力作为参考。
经计算可得矿压显现稳定后：1号测站观测所得的墙体应力为1.1MPa，取该组测力计最大值的80%所计算的墙体应力为3.4MPa；2号测站观测所得的墙体应力为4.6MPa，取该组测力计最大值的80%所计算的墙体应力为20.3MPa。
6.2 巷道顶底板移近量观测
巷道顶底板移近量观测共设有三个测站1号、2号和3号，分别距离切眼712m、753m和818m。每個测站分别观测墙体侧、巷中和副帮侧巷道高度。
对测算结果进行分析得出：1号测站巷道最大顶底板移近量为34mm，2号测站巷道最大顶底板移近量为31mm；3号测站观测所得的墙体应力为11mm，巷道变形很小，留巷效果良好。
6.3 矿压监测结论
（1）墙体压力及混凝土矿压强度。1号测站观测所得的墙体应力为1.1MPa，取该组测力计最大值的80%所计算的墙体应力为3.4MPa；2号测站观测所得的墙体应力为4.6MPa，取该组测力计最大值的80%所计算的墙体应力为20.3MPa。混凝土1天强度最高达6.7MPa，7天强度可达23.4MPa。混凝土强度可满足矿压显现要求。（2）巷道变形。1号测站巷道最大顶底板移近量为34mm，2号测站巷道最大顶底板移近量为31mm；3号测站观测所得的墙体应力为11mm，巷道变形很小，留巷效果良好。（3）周期来压步距小，顶板垮落及时，没有大的老顶来压迹象，留巷围岩稳定。
7 经济效益分析
52403工作面回顺柔模混凝土沿空留巷经济效益分析。52煤双巷掘进，按1500m/月进尺计算，掘进成本2678.9元/m；52煤单巷掘进，按1200m/月进尺计算，掘进成本3712.1元/m。52煤车板结算价按370元/吨计取，52煤采掘成本按111.16元/吨计取。
经现场实际测算，52403工作面回顺留巷投入2306.53万；沿空留巷可提高资源回收率4.2%，本项可多回收煤量增加效益3714.91万元；沿空留巷相比传统工艺少掘一条巷道，52403工作面回顺少掘巷道可节约333.63万元；与掘双巷道相比，沿空留巷可减少劳务工程费用约169.36万元；综上，沿空留巷总利润约为2011.36万元，为矿井创造了较好的经济效益。
8 结语
柔模混凝土沿空留巷的应用改善了矿井安全生产条件，解决了工作面瓦斯积聚超限的问题，确保了矿井安全生产。在生产过程中减少了一条巷道的掘进工作量，提高了资源回收率，不仅减轻了职工的劳动强度也增加了矿井的经济效益。因此沿空留巷技术值得进一步推广使用。
参考文献
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