松软煤层留底煤巷道沿空留巷底板加固技术研究

徐 兵，雷平博，席春辉，罗厚林

(1.霍尔辛赫煤业有限公司，山西 长子 046600；2.陕西开拓建筑科技有限公司，陕西 西安 710000)

沿空留巷具有可回收煤柱，延长矿井服务年限等优点；在高瓦斯以及瓦斯突出矿井，可以实现Y型通风，消除回风隅角瓦斯积聚，改善矿井安全条件；可降低巷道掘进率，减少空顶作业，降低冒顶、片帮几率，提高矿井安全生产水平；可改善矿井技术经济指标[1-4]。目前柔模混凝土沿空留巷在我国煤层厚度0.8～7.0 m的条件下进行了广泛应用[5-7]，留巷效果好，取得了良好的经济社会效益。通常情况下厚煤层在开采掘进工作面两条巷道时，会沿着煤层底板掘进留顶煤，这样利于工作面采煤。但是当煤体硬度较低，沿底板掘进留顶煤的情况下，一方面掘进过程中易出现顶煤垮落，另一方面由于顶煤较软支护困难。因此，在该类条件下巷道掘进时，一般选择沿顶掘进留底煤，若采用沿空留巷技术，由于巷旁支护体底部为松软的煤体，极大影响到其稳定性，在这种情况下，通常采取底板注浆加固、全断面锚网索加固等技术措施，而此类措施施工难度大，对于柔模混凝土沿空留巷适用性较低。因此，亟需寻找一套可行的底板加固方案，以实现柔模混凝土沿空留巷技术在沿顶巷道条件下的进一步推广。

本文以霍尔辛赫煤矿3605综放工作面回风巷道柔模混凝土沿空留巷为工程背景进行研究，提出了底板加固方案，并进行理论论证与现场工业性试验。

1 工程条件

3605综放工作面为北一盘区首采工作面，地面标高：+915.4～+940.2 m。底板标高：巷道底板最高点标高+491.166 m，最低点标高为+431.5 m，最高点和最低点高差为59.666 m，埋藏深度：442.4～502.8 m。回采3号煤层，煤层厚度6.15～7.20 m，普氏硬度f=0.7，直接底厚0～2.45 m，为砂质泥岩、泥岩，局部为粉砂岩。老底为厚0.45～7.50 m的细砂岩。直接顶为0～7.45 m的泥岩、砂质泥岩，局部为粉砂岩。老顶为厚0～20.10 m的中-细粒砂岩。工作面采用走向长壁、后退式低位放顶煤一次采全高全部垮落式综合机械化采煤法，采高3.5±0.1 m，放煤高度2.55 m，采放比1∶0.729。循环进度0.8 m，日循环进度3.2 m，工作面作业方式为：“三八”制作业。

回风巷道为矩形断面，净宽5 200 mm，净高3 600 mm；沿煤层顶板掘进，顶板每排6根锚杆，间排距900 mm×900 mm，左、右肩角锚杆均与垂直成15°外斜布置，距巷帮均为350 mm，其他锚杆全部垂直顶板布置；锚索间排距1 600 mm×1 800 mm，每排布置3根，中间锚索在巷道中心垂直顶板打设，左、右肩角锚索均与垂线成15°外斜布置，支护紧跟迎头。两帮各4根锚杆，间排距950 mm×900 mm，帮上部锚杆上斜15°布置，距顶350 mm，帮下部锚杆下斜10°布置，距底400 mm。

沿空留巷总长度2 150 m，巷道底煤厚度2.5 m。生产班架前铺网、木点柱围护采空区、待浇筑空间“一梁两柱”临时支护，检修班在木点柱的围护下完成挂模、注模工作。柔模混凝土墙体厚度1 500 mm，留巷宽度3 700 mm。

2 底板加固方案

结合3605综放工作面回风巷道地质条件以及地面建筑地基基础理论，提出钢筋混凝土灌注桩加固底板方案。钢筋混凝土灌注桩加固技术的原理：钢筋混凝土灌注桩是用钻孔机成孔或用钢管成孔，后者先用打桩机将带有活瓣桩尖的钢管沉入土层，使管壁四周的土壤挤实，然后在钢管内灌入混凝土后，马上把钢管拔出，使灌入的混凝土形成一根混凝土桩。当天然地基上部的软弱土层较厚，浅基础沉降量过大或地基稳定性不能满足建筑要求时，常常采用桩基础，将荷载通过桩传给坚硬土层或岩石，或通过桩周围的摩擦力传给地基，以提高地基的承载力。

2.1 加固参数设计

参考地面桩基工程的一般设计理论，将类比法引用到煤矿井下基础工程中。方案总体思路：在超前工作面柔模混凝土墙体下方的底煤上利用螺旋钻机进行钻孔，钻孔深入底板500 mm，然后在孔内放置钢筋笼，最后浇筑混凝土形成钻孔灌注桩[8]，作为巷旁柔模混凝土墙体基础。施工工艺与参数设计如下：

1) 钻孔参数设计。钻孔直径600 mm，深度3 000 mm，桩体伸入底板500 mm。

2) 钢筋笼加工及钻孔布置方式选择。钢筋笼：直径500 mm，高度2 800 mm，钢筋笼主筋为HRB335D22 mm建筑螺纹钢，箍筋为HRB335D12 mm建筑螺纹钢。沿钢筋笼一周间隔均匀布置8根主筋，主筋环向间距190 mm，箍筋沿主筋长度方向间隔布置，间距200 mm，与主筋之间采用绑扎法[9]进行连接。

钻孔布置方式：沿巷道走向打设两排，走向孔距中对中1 200 mm、横向中对中900 mm。

3) 施工工艺。用螺旋钻机成孔灌注混凝土而成桩，施工时无振动、不挤岩层。使用螺旋钻机时，钻削下来的岩层碎块沿钻杆上的螺旋叶片上升排出孔外，孔径约600 mm，钻孔深度3 000 mm，根据底板煤质和岩层情况选择钻杆。钻孔打设完成后，把预先制作好的钢筋笼放入钻孔中，通过井下柔模混凝土制备输送机组泵送C40混凝土浇筑至放置好的钢筋笼钻孔中，在超前工作面连续施工、浇筑。施工工艺如图1所示。钢筋混凝土灌注桩施工平剖面，如图2、图3所示。

图1 钢筋混凝土钻孔灌注桩施工工艺

图2 底板加固断面(mm)

图3 底板加固平面(mm)

2.2 钢筋混凝土灌注桩可行性分析

1) 技术可行性分析。技术可行性分析见表1。

表1 钢筋混凝土灌注桩技术可行性分析

2) 经济性分析。延米工程预算见表2。

表2 钢筋混凝土灌注桩延米工程预算

根据技术经济分析，钢筋混凝土灌注桩技术上安全可行，为实现沿空留巷奠定了基础，经济上延米工程费用995元。同时，延米增加出煤量2.7 m3，吨煤利润按100元计算，延米利润378元，即延米总投入617元，总体方案可行。

3 钢筋混凝土灌注桩承载力验算

3.1 灌注桩承载力计算

用钢筋混凝土轴心受压构件模型的受压承载力计算公式[3]计算桩的承载力，其正截面受压极限承载力按下式计算：

N=0.9φ(fcA+f'yA's)。

式中：N为轴向压力极限承载值；φ为钢筋混凝土构件的稳定系数，取1；fc为混凝土轴心抗压强度设计值，MPa；f'y为钢筋抗压强度设计值，MPa；A为构件截面面积，m2；A's为全部纵向普通钢筋的截面面积，m2。

计算可得：

N=0.9φ(fcA+f'yA's)

=0.9×(19.1×0.197+300×0.002 7)

=4 570 kN/m。

则每延米灌注桩承载力：

4 570×2÷1.2=7 616.7 kN/m。

3.2 沿空留巷围岩压力计算

1) 采用“分离岩块法”计算沿空留巷压力。沿空留巷分离岩块法矿压计算模型[10]见图4。

图4 分离岩块法沿空留巷矿压计算模型

式中：q为支护体载荷，bB为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,为4 m；x为支护的宽度，本次支护1.5 m；bc为支护体外侧悬顶距，该距离为0.2 m；γs为顶板岩块容重，取25 kN/m3；h为有效采高，本次采高为5.5 m；θ为剪切角，根据经验选取26°；α为煤层倾角，为2°。

计算可得巷旁支护承受的压力为：

q=3.58 MPa。

即单位长度巷旁支护承受的最大压力为：

3.58×1 000×1.5=5 370 kN/m。

2) 经验法计算沿空留巷围岩压力。巷旁支护的受力来源于直接顶岩柱的重量和老顶转动对直接顶造成的挤压变形压力[11]。基于将直接顶视为不可自身平衡的岩体，它的重量W将全部由巷旁支护承担，工程经验得出巷旁支护最大工作载荷相当于4～8倍采高岩柱的重量，本着偏于安全的角度，取8倍采高岩柱的重量作为设计荷载。3605工作面的有效采高为5.5 m，留巷控顶宽度为5.2 m，顶板岩/石容重为25 kN/m3。留巷的最大载荷为：

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

综上计算，分离岩块法(5 370 kN/m)、传统经验法计算围岩压力(5 720 kN/m)，偏于安全考虑，沿空留巷的最大载荷为5 720 kN/m。钢筋混凝土灌注桩延米承载力为7 616.7 kN/m，大于留巷的最大载荷，安全系数1.3，视为基础支护有效。

4 工程实践

3605工作面回风巷道留巷全长2 150 m，超前切眼150 m未进行底板加固，150～850 m进行钢筋混凝土灌注桩底板加固，在两段分别进行了沿空巷道位移收敛变形监测。1号测点未进行底板加固(距切眼120 m)、2号测点已经进行底板加固(距切眼750 m)。围岩收敛数据统计如图5、图6所示。

图5 1号测点围岩收敛变形监测

图6 2号测点围岩收敛变形监测

通过围岩收敛变形监测对比得出：初期在没有进行底板加固的范围内，围岩收敛变形中主要表现为底鼓，达到350 mm，其他三项变化量也相对较大；后阶段通过钢筋混凝土灌注桩加固底板，围岩收敛变形控制在110 mm范围内，主要体现在顶底板移近量，与霍尔辛赫煤矿正常地质条件下沿空留巷变形量基本一致，实践证明霍尔辛赫煤矿异形柔模混凝土墙体+底板注浆技术设计参数合理，达到了预期效果。

5 结 语

沿顶留底煤巷道条件下沿空留巷的巷旁支护体处于底煤之上，后期顶板来压，压力通过巷旁支护体传递至底煤之上，而底煤受压后被迫向卸压区(沿空巷道)移动，导致巷道底鼓量大并且会影响支护体的稳定性。因此，若想有效控制沿空巷道底鼓量并提高支护体的稳定性，就要对支护体下方的底煤进行加固。霍尔辛赫煤矿3605工作面回风巷道采用钢筋混凝土灌注桩加固底板技术，来增强支护体下方的强度。通过对未采用该加固技术的测点和使用该加固技术的测点的实际测量数据对比，围岩变形量由最大350 mm降低到110 mm以内，表明该顶板加固技术有效控制了围岩变形量，提高了沿空留巷巷旁支护体的稳定性，保证沿空留巷技术的顺利开展。