混凝土柔膜沿空留巷技术研究与应用.docx
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混凝土柔膜沿空留巷技术研究与应用
混凝土柔膜沿空留巷技术研究与应用
韩瑞军
（冀中能源峰峰集团新三矿，河北邯郸056200）
1矿井概况
冀中能源峰峰集团有限公司新三矿是集团公司第一个新井新制矿井，属于国有企业。
地处河北省南部，邯郸市峰峰矿区大峪镇。
新三矿自1995年11月5日投产以来，始终秉承创新管理，和谐发展，安全发展的理念。
矿井设计生产能力为年产45万吨，可采储量2900万吨，煤种为肥焦煤，是峰峰集团主要的入洗原料煤基地。
经过两次技术改造，目前矿井核定生产能力为95万吨。
2方案的提出
新三矿矿井井田范围：
北以F29号断层与泉头井田分界；南至F25号断层与梧桐桩井田相邻；西至煤层露头及技术边界与三矿井田相隔；东至F8号断层与九龙矿相望；井田南北平均长4.25km,东西平均宽3.25km，井田面积13.83km2。
现主采2号煤层，煤种为肥煤，2号煤层煤厚3.0米左右，全区可采，沉积较稳定。
地质条件复杂，断层较多，掘进速度受到很大限制，生产地区衔接紧张；另外，我国煤矿中,回采工作面两端的区段巷道,总长度要达到几百万米。
长期以来一直沿用保留煤柱的方法维护。
用煤柱维护区段巷道的煤炭损失量一般要占全矿煤损总量的40％左右。
区段巷道的开掘、准备和维修费用要占全矿开发、准备和维修费用总和的50％左右。
因此,研究区段间不留煤柱,实现无煤柱护巷,对提高矿井煤炭回采率,降低巷道掘进率，怎样才能解决工作面衔接紧张和回收这部分煤炭资源呢？
这也是我们一直在深思的问题，也是我们一直在努力研究的方向。
2010年11月以来，我们进行了混凝土柔膜支护的前期可行性论证、具体方案的制定，注浆系统的建设、注浆管路、注浆膏体的反复试验，于2011年3月1日正式在162502工作面进行了混凝土柔膜沿空留巷，时至2011年5月19日累计注膜40个，沿空留巷83m。
无论是前期论证，到井下沿空留巷都取得了宝贵经验与教训，目前，我矿在集团公司领导的大力支持下，正在积极进行沿空留巷试验，为解决工作面衔接紧张和解放煤柱呆滞煤量探索出一条创新之路。
3新三矿混凝土柔膜沿空留巷设计方案
3.1沿空留巷工作面条件
3.1.1煤层情况
本工作面煤层位于西固义背斜两翼，煤层走向NE27º---NW73º，倾向NE，倾角5-12º，平均为8º，煤层厚度3.9～4.9m，平均4.2m，煤层较稳定。
3.1.2煤层顶底板情况
顶底板
名称
岩石
名称
厚度（m）
岩性特征
老顶
粉砂岩
5.04
深灰色，薄层状，微波状层理及水平层理，富含科达木和羊齿化石。
直接顶
细砂岩
6.0
棕灰及浅灰色，薄层状，具微波状层理斜交层理发育，局部水平层理，底部粒度变细0.25m砂质泥岩。
伪顶
直接底
砂质泥岩
1.7
深灰色，薄层，夹细小砂质条带，微细水平层理及波状层理，含大量炭化根部化石。
老底
细砂岩
2.34
浅灰色，微薄层状，夹细小泥质粉砂条带，具断续水平层理。
上粗下细，含不完整的炭化植物化石。
3.1.3地质构造
本工作面位于F12断层下盘，地层为一背斜地层，构造较为复杂。
工作面内，共有10条断层：
地
质
构
造
情
况
构造名称
性质
走向
倾向
倾角
落差（m）
对回采影响程度
西河向斜
NE55°
NE
5°
影响较小
西固义背斜
NE39°
NE
6°
影响较大
F12
正断层
NE10-20°
NW
74°
17--45
影响较小
DF18
正断层
NE68-82°
NW
71°
3-8
影响较小
f1
正断层
NE80°
SE
50°
3
影响较大
f2
正断层
NE75°
SE
50°
3
影响较大
f3
正断层
NE80°
NW
60°
1.5
影响较大
f4
正断层
NE75°
SE
70°
1.2
影响较小
f5
正断层
NE20°
SE
60°
2
影响较大
f6
正断层
NE40°
SE
50°
8
影响较大
f7
正断层
NE60°
SE
60°
7
影响较大
f8
正断层
NE40°
NW
60°
1.5
影响较大
3.1沿空留巷平面图
4．支护设计
4.1原巷道支护参数
162502溜子道摸大煤顶板掘进，采用锚网带支护，巷道规格为宽×高：
3.6×2.5m，遇构造带顶板不平无法采用锚网带支护时采用U钢支护，巷道规格为4.0×2.75m。
支护材料规格为：
（1）锚杆：
顶锚杆采用Φ20×2000mm、帮锚杆采用Φ18×1800mm的左旋螺纹钢等强锚杆。
（2）锚固剂：
顶锚杆安装两支锚固剂：
CK2335。
帮锚杆安装一支锚固剂：
CK2835。
锚索安装四支锚固剂：
一支CK2335，四支K2335。
（3）w钢带：
采用W-260-3-3600型，用厚3mm的钢板滚压而成，宽度260mm，长度3600mm，其上有预留孔。
（4）顶锚杆间排距：
设计间排距为800×800mm，锚杆呈矩形布置。
（5）顶锚索间排距：
锚索间排距：
采用“五花”布置，即隔一排打两根再隔一排打一根，间距1600mm，排距1000mm。
锚索采用Φ15.24mm的钢绞线锚索，长度为5000mm。
（6）帮锚杆：
设计间排距为650×800mm，呈矩形布置，每排4根，第一根帮锚杆距顶板250mm，第二根距第一根650mm布置，第三根距第二根650mm布置，第四根距底板300mm。
（7）锚固力：
顶锚杆的设计锚固力64KN，预紧扭矩不小于100N.m；帮锚杆的设计锚固力50KN，预紧扭矩不小于80N.m；顶锚索张拉力为260KN。
（8）锚杆角度：
角锚杆与巷道轮廓线呈75°角布置，其余锚杆垂直于巷道轮廓线布置。
4.2沿空留巷支护体载荷计算
采用“分离岩块法”计算支护体载荷。
巷旁支护带处于未采动煤体的高压力区和冒落矸石之间，是一个降压区，岩块一边的采空区提供一个主要自由面，因岩块呈层状，可能在一定高度H上产生离层，导致岩块沿煤体以θ角断裂，进入完全自由状态，成为支护体的载荷。
图3-2分离岩块法计算支护体载荷的力学模型
（1）载荷计算如下式所示：
式中:
—支护体载荷；
—支护体内侧到煤壁的距离，本次支护中支护体左侧边缘与巷道右帮在一条铅垂线上，该距离为4m；
—支护体的宽度，1.2m；
—支护体外侧悬顶距，该距离取0.5m；
—岩块重度，取直接顶岩石的重度27kN/m3；
—采高，本次支护为2.4m；
—剪切角，根据经验选取为26°；
—冒落高度，根据经验选取4h，为10m。
计算可得支护厚度为1.2m时支护体的载荷为
q=8×2.4×tg26°+2×（4+1.2+0.5）/1.2×2.4×（4+1.2+0.5）×27/4+0.5×1.2==1.389MPa
即单位长度、支护厚度1200mm的支护体载荷为
=1389kN。
考虑采动影响系数3，则支护体荷载为4167kN。
考虑底板普氏系数为0.6，则抗压强度为6MPa，大于4167kN/m2。
。
混凝土厚度1200mm，标号C20。
（2）支护体承载能力计算
将单位长度、厚度1200mm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2.4m，长1.2m，构件的长细比为2.4/1=2.4，通过查阅轴心受压构件的计算方法，得构件的稳定系数
取1.0。
模型柱的承载能力计算如下式所示：
式中：
—支护体的承载能力；
—构件的稳定系数，取1.0；
—混凝土的轴心极限抗压设计强度，C20时为15.5N/mm2，考虑压缩后强度降低25%，即为11.6N/mm2；
—截面面积，为1000×1200mm2。
计算可得支护体的承载能力为
N2=0.9×1.0×11.6×1000×1200=12528kN
（3）支护体承载力验算
单位长度、厚度1200mm、标号C20的混凝土承载能力为12528kN，大于支护体的载荷4167kN，安全系数可达3，因此可视为支护结构安全。
4.3巷旁加固支护
原巷宽3.6m，要求留巷4m，在C20混凝土支护正上方打设一条长2600mW钢带，带距800mm，要求与原巷道钢带呈插间布置，交错距离500mm。
每根钢带打设4根锚杆，采用Φ20mm、L=2000mm，左旋无纵筋等强锚杆，每根锚杆配备两支CK2335型树脂锚固剂，锚杆间距750mm，锚杆垂直顶板打设。
原锚索呈“一二一”五花型布置，间距1.6m，排距1m，补打锚索，呈“三三”矩形布置，间距1.6m，排距1m，开始留巷10m段间距0.8m，并且在新打2.6m钢带上打设两排锚索，间距0.8m，排距1m，右排锚索距混凝土墙200mm。
4.1柔模泵注混凝土沿空留巷设计断面
4.2钢带、锚索、锚杆布置平面图
4.4筑留巷滞后支护
在沿空筑留巷过程中，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，所以没有必要对整条巷道都按剧烈采动影响的要求进行支护，这就只需要进行临时滞后支护。
滞后支护选用单体配铰接式长梁支护，一梁1柱，梁长1m，长梁打设4排，排距0.8m,滞后工作面支护距离40m。
后期根据矿压观测选择合适的滞后工作面支护距离。
4.5泵注混凝土设计
柔模泵注混凝土支护技术的最大创新就是利用了柔性模板的透水不透浆特性，这就要求混凝土必须有很大的流动性，但大的流动性又不能对设计强度有所削弱，这使得柔模泵注混凝土设计与普通的混凝土设计有所不同，在保证流动性的同时也要加大水泥的用量。
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%～55%；第二，石子的最大粒径要与输送管的直径、输送距离及柔模厚度相适应，长距离输送，一般采用5～16mm连续级配碎石；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180～220mm。
在本支护设计中，混凝土设计标号C20，初步配合比为：
表3-1柔模泵注混凝土配合比单位：
kg/m3
材料
水泥
砂
碎石
水
粉煤灰
泵送剂
质量（kg/m3）
450
700
800
250
100
2
现场根据初步配合比进行试验，后适当调整。
4.6柔性模板设计
柔性模板的尺寸必须结合巷道断面大小及施工条件综合考虑。
考虑到施工误差以及柔性模板的0.2m的富余量，选择柔性模板高度为3m；考虑到施工进度、施工水平等相关条件，选择每一模长度为2m，混凝土支护厚度1.2m。
支护结构为柔模泵注混凝土支护。
由双层高强度布缝制而成，柔性模板长度2m，高3m，厚度1.2m矩形；为提高混凝土强度，在柔性模板上预留锚栓孔，根据现场使用情况，在需要的情况下进行泵注混凝土之前将锚栓穿过模板，锚栓两端上托板及螺母，并注意保持两端托板之间的距离。
沿每一模横向方向需要有4根锚栓来提高混凝土强度。
5施工设计
5.1施工材料
柔模泵注混凝土沿空筑留巷设计中所需的施工材料如下表所示：
柔模泵注混凝土施工主要材料
序号
材料名称
规格
用途或作用
1
水泥
矿渣水泥
混凝土中起胶结作用
2
柔性模板
1.2×2.6×2m
控制混凝土体成型
3
水
淡水
用于拌和
4
砂
中、细砂
混凝土中起骨架作用
5
石子
5-16连续级配碎石
混凝土中起骨架作用
6
泵送剂
柔模混凝土专用泵送剂
获得和易性与强度
7
粉煤灰
二级
增强混凝土流动性
8
锚栓
直径20mm、长1.6m锚杆，通常丝扣
增加混凝土强度
9
光圆钢筋
直径20，长度2.2m
吊挂柔模
10
锚杆
直径20/18左旋螺纹钢锚杆，2.0/1.8m
护顶、帮
11
塑料网
顶板采用单层
护顶
12
木点柱
Φ160×2600，高度随煤厚调节
临时支护、挂网
14
树脂锚固剂
CK2335、K2335
锚固锚杆
15
钢筋网
Φ6，1100×1100
巷帮支护
16
W钢带
2600/3400×260×3
筑留巷/U钢段支护
17
单体液压点柱
DZ-2.5
巷旁支护
18
锚索
Φ18.92×7000
筑留巷支护
5.2施工流程
下机窝提前补打钢带支护---割煤---移架---挂柔模---泵注混凝土---留巷补强---回柱---下一循环
5.3施工要点
柔模泵注混凝土沿空筑留巷设计中的施工要点包括：
浇筑空间支护、柔性模板的施工和泵注混凝土施工三个部分。
5.3.1浇筑空间支护
下机窝处理时提前打设一条L=2600mm钢带后在挂梁，钢带带距800mm，最大控顶距不得大于1000mm，顶板破碎时带距500mm，最大控顶距不得大于700mm。
临时支护采用后路以挂好的铰接式长梁，不得少于两路。
5.3.2柔性模板施工
5.3.2.1柔性模板制作
按照巷道断面制作满足施工需要的柔性模板，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，泵注口上边缘距柔性模板顶部500mm，泵注口内外层长度不小于400mm。
5.3.2.2、柔性模板挂设
C20混凝土柔模两侧分别打设两排点柱，采空区一侧采用直径不小于160mm优质圆木，留巷侧采用DZ-2.5型单体液压支柱，两对四根单体支撑一个柔模，单体间距1200mm，对称布置，紧靠柔模打设，液压单体要求初撑力不小于6.5Mpa。
挂设柔性模板时，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；对于虚底要进行处理。
柔性模板挂设以后，将控制厚度的锚栓穿过模板，并在锚栓两端上小托板及螺母。
柔模之间用连接绳绑好，两柔模之间最大空隙不得大于100mm。
5.3.3泵注混凝土施工
5.3.3.1搅拌与运输混凝土
人工将砼拌合料铲入混凝土搅拌机，砼拌合料加水搅拌成混凝土后，顺溜槽溜入混凝土输送泵的料斗内。
5.3.3.2泵注混凝土
泵注混凝土前，混凝土输送管与灌注口外层绑扎，内层至于柔模内，起到自封闭的作用。
灌注完毕后处理好封口，尽量避免混凝土的流出。
混凝土浇注过程中要注意振捣，确保柔模充实，特别是边缘及顶部。
混凝土灌注近饱满时，应暂停5分钟，待柔模中的水析出后，再灌注至饱满。
柔模灌注成型后，应及时用水将柔模表面的灰渣冲洗，清理干净，并进行养护，7天内要保持表面湿润。
6柔模泵注混凝土支护的质量控制及标准是直接影响到工程建设成败的关键。
关键控制如下：
（1）开工前，要对施工段的断面进行测量，选用合适的柔模。
（2）柔模混凝土施工采用搅拌机拌和，以保证混凝土连续供应；混凝土泵进行输送，保证使混凝土产生足够的冲力，进入柔性模板内。
（3）围岩面的平整程度是直接影响柔模泵注混凝土成型后平整度的主要因素。
围岩面清削时要尽量保证是原岩面。
（4）检查模板浇注口缝制是否正确，一切正常后才可挂设柔性模板。
柔性模板固定要牢靠，防止泵注过程中走位。
（5）混凝土强制拌和时间不少于1分钟，以保证混凝土的和易性。
（6）泵注混凝土是施工中的一个重要环节，要尽量连续作业减少停歇时间，停歇时间尽量控制在10分钟以内。
每次泵注前要用砂浆和水润洗管道。
泵注过程中要与混凝土泵操作者及时联系，掌握停泵时机，以免出现注不饱或鼓包现象。
柔性模板的每一个小单元泵注将要完成时，要采用点送料方式，以便给泵注混凝土一个排水、排气时间，保证泵注混凝土充满、充饱。
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