松軟煤層留底煤巷道沿空留巷底板加固技術(shù)研究

徐 兵，雷平博，席春輝，羅厚林

(1.霍爾辛赫煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)子 046600；2.陜西開(kāi)拓建筑科技有限公司，陜西 西安 710000)

沿空留巷具有可回收煤柱，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限等優(yōu)點(diǎn)；在高瓦斯以及瓦斯突出礦井，可以實(shí)現(xiàn)Y型通風(fēng)，消除回風(fēng)隅角瓦斯積聚，改善礦井安全條件；可降低巷道掘進(jìn)率，減少空頂作業(yè)，降低冒頂、片幫幾率，提高礦井安全生產(chǎn)水平；可改善礦井技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[1-4]。目前柔模混凝土沿空留巷在我國(guó)煤層厚度0.8～7.0 m的條件下進(jìn)行了廣泛應(yīng)用[5-7]，留巷效果好，取得了良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。通常情況下厚煤層在開(kāi)采掘進(jìn)工作面兩條巷道時(shí)，會(huì)沿著煤層底板掘進(jìn)留頂煤，這樣利于工作面采煤。但是當(dāng)煤體硬度較低，沿底板掘進(jìn)留頂煤的情況下，一方面掘進(jìn)過(guò)程中易出現(xiàn)頂煤垮落，另一方面由于頂煤較軟支護(hù)困難。因此，在該類條件下巷道掘進(jìn)時(shí)，一般選擇沿頂掘進(jìn)留底煤，若采用沿空留巷技術(shù)，由于巷旁支護(hù)體底部為松軟的煤體，極大影響到其穩(wěn)定性，在這種情況下，通常采取底板注漿加固、全斷面錨網(wǎng)索加固等技術(shù)措施，而此類措施施工難度大，對(duì)于柔?；炷裂乜樟粝镞m用性較低。因此，亟需尋找一套可行的底板加固方案，以實(shí)現(xiàn)柔?；炷裂乜樟粝锛夹g(shù)在沿頂巷道條件下的進(jìn)一步推廣。

本文以霍爾辛赫煤礦3605綜放工作面回風(fēng)巷道柔模混凝土沿空留巷為工程背景進(jìn)行研究，提出了底板加固方案，并進(jìn)行理論論證與現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)。

1 工程條件

3605綜放工作面為北一盤(pán)區(qū)首采工作面，地面標(biāo)高：+915.4～+940.2 m。底板標(biāo)高：巷道底板最高點(diǎn)標(biāo)高+491.166 m，最低點(diǎn)標(biāo)高為+431.5 m，最高點(diǎn)和最低點(diǎn)高差為59.666 m，埋藏深度：442.4～502.8 m?；夭?號(hào)煤層，煤層厚度6.15～7.20 m，普氏硬度f(wàn)=0.7，直接底厚0～2.45 m，為砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部為粉砂巖。老底為厚0.45～7.50 m的細(xì)砂巖。直接頂為0～7.45 m的泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部為粉砂巖。老頂為厚0～20.10 m的中-細(xì)粒砂巖。工作面采用走向長(zhǎng)壁、后退式低位放頂煤一次采全高全部垮落式綜合機(jī)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。循環(huán)進(jìn)度0.8 m，日循環(huán)進(jìn)度3.2 m，工作面作業(yè)方式為：“三八”制作業(yè)。

回風(fēng)巷道為矩形斷面，凈寬5 200 mm，凈高3 600 mm；沿煤層頂板掘進(jìn)，頂板每排6根錨桿，間排距900 mm×900 mm，左、右肩角錨桿均與垂直成15°外斜布置，距巷幫均為350 mm，其他錨桿全部垂直頂板布置；錨索間排距1 600 mm×1 800 mm，每排布置3根，中間錨索在巷道中心垂直頂板打設(shè)，左、右肩角錨索均與垂線成15°外斜布置，支護(hù)緊跟迎頭。兩幫各4根錨桿，間排距950 mm×900 mm，幫上部錨桿上斜15°布置，距頂350 mm，幫下部錨桿下斜10°布置，距底400 mm。

沿空留巷總長(zhǎng)度2 150 m，巷道底煤厚度2.5 m。生產(chǎn)班架前鋪網(wǎng)、木點(diǎn)柱圍護(hù)采空區(qū)、待澆筑空間“一梁兩柱”臨時(shí)支護(hù)，檢修班在木點(diǎn)柱的圍護(hù)下完成掛模、注模工作。柔?；炷翂w厚度1 500 mm，留巷寬度3 700 mm。

2 底板加固方案

結(jié)合3605綜放工作面回風(fēng)巷道地質(zhì)條件以及地面建筑地基基礎(chǔ)理論，提出鋼筋混凝土灌注樁加固底板方案。鋼筋混凝土灌注樁加固技術(shù)的原理：鋼筋混凝土灌注樁是用鉆孔機(jī)成孔或用鋼管成孔，后者先用打樁機(jī)將帶有活瓣樁尖的鋼管沉入土層，使管壁四周的土壤擠實(shí)，然后在鋼管內(nèi)灌入混凝土后，馬上把鋼管拔出，使灌入的混凝土形成一根混凝土樁。當(dāng)天然地基上部的軟弱土層較厚，淺基礎(chǔ)沉降量過(guò)大或地基穩(wěn)定性不能滿足建筑要求時(shí)，常常采用樁基礎(chǔ)，將荷載通過(guò)樁傳給堅(jiān)硬土層或巖石，或通過(guò)樁周圍的摩擦力傳給地基，以提高地基的承載力。

2.1 加固參數(shù)設(shè)計(jì)

參考地面樁基工程的一般設(shè)計(jì)理論，將類比法引用到煤礦井下基礎(chǔ)工程中。方案總體思路：在超前工作面柔?；炷翂w下方的底煤上利用螺旋鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，鉆孔深入底板500 mm，然后在孔內(nèi)放置鋼筋籠，最后澆筑混凝土形成鉆孔灌注樁[8]，作為巷旁柔模混凝土墻體基礎(chǔ)。施工工藝與參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

1) 鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)。鉆孔直徑600 mm，深度3 000 mm，樁體伸入底板500 mm。

2) 鋼筋籠加工及鉆孔布置方式選擇。鋼筋籠：直徑500 mm，高度2 800 mm，鋼筋籠主筋為HRB335D22 mm建筑螺紋鋼，箍筋為HRB335D12 mm建筑螺紋鋼。沿鋼筋籠一周間隔均勻布置8根主筋，主筋環(huán)向間距190 mm，箍筋沿主筋長(zhǎng)度方向間隔布置，間距200 mm，與主筋之間采用綁扎法[9]進(jìn)行連接。

鉆孔布置方式：沿巷道走向打設(shè)兩排，走向孔距中對(duì)中1 200 mm、橫向中對(duì)中900 mm。

3) 施工工藝。用螺旋鉆機(jī)成孔灌注混凝土而成樁，施工時(shí)無(wú)振動(dòng)、不擠巖層。使用螺旋鉆機(jī)時(shí)，鉆削下來(lái)的巖層碎塊沿鉆桿上的螺旋葉片上升排出孔外，孔徑約600 mm，鉆孔深度3 000 mm，根據(jù)底板煤質(zhì)和巖層情況選擇鉆桿。鉆孔打設(shè)完成后，把預(yù)先制作好的鋼筋籠放入鉆孔中，通過(guò)井下柔?；炷林苽漭斔蜋C(jī)組泵送C40混凝土澆筑至放置好的鋼筋籠鉆孔中，在超前工作面連續(xù)施工、澆筑。施工工藝如圖1所示。鋼筋混凝土灌注樁施工平剖面，如圖2、圖3所示。

圖1 鋼筋混凝土鉆孔灌注樁施工工藝

圖2 底板加固斷面(mm)

圖3 底板加固平面(mm)

2.2 鋼筋混凝土灌注樁可行性分析

1) 技術(shù)可行性分析。技術(shù)可行性分析見(jiàn)表1。

表1 鋼筋混凝土灌注樁技術(shù)可行性分析

2) 經(jīng)濟(jì)性分析。延米工程預(yù)算見(jiàn)表2。

表2 鋼筋混凝土灌注樁延米工程預(yù)算

根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，鋼筋混凝土灌注樁技術(shù)上安全可行，為實(shí)現(xiàn)沿空留巷奠定了基礎(chǔ)，經(jīng)濟(jì)上延米工程費(fèi)用995元。同時(shí)，延米增加出煤量2.7 m3，噸煤利潤(rùn)按100元計(jì)算，延米利潤(rùn)378元，即延米總投入617元，總體方案可行。

3 鋼筋混凝土灌注樁承載力驗(yàn)算

3.1 灌注樁承載力計(jì)算

用鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件模型的受壓承載力計(jì)算公式[3]計(jì)算樁的承載力，其正截面受壓極限承載力按下式計(jì)算：

N=0.9φ(fcA+f'yA's)。

式中：N為軸向壓力極限承載值；φ為鋼筋混凝土構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，取1；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa；f'y為鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa；A為構(gòu)件截面面積，m2；A's為全部縱向普通鋼筋的截面面積，m2。

計(jì)算可得：

N=0.9φ(fcA+f'yA's)

=0.9×(19.1×0.197+300×0.002 7)

=4 570 kN/m。

則每延米灌注樁承載力：

4 570×2÷1.2=7 616.7 kN/m。

3.2 沿空留巷圍巖壓力計(jì)算

1) 采用“分離巖塊法”計(jì)算沿空留巷壓力。沿空留巷分離巖塊法礦壓計(jì)算模型[10]見(jiàn)圖4。

圖4 分離巖塊法沿空留巷礦壓計(jì)算模型

式中：q為支護(hù)體載荷，bB為支護(hù)體內(nèi)側(cè)到煤壁的距離,本次支護(hù)中,支護(hù)體左側(cè)邊緣與巷道右?guī)驮谝粭l鉛垂線上,為4 m；x為支護(hù)的寬度，本次支護(hù)1.5 m；bc為支護(hù)體外側(cè)懸頂距，該距離為0.2 m；γs為頂板巖塊容重，取25 kN/m3；h為有效采高，本次采高為5.5 m；θ為剪切角，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取26°；α為煤層傾角，為2°。

計(jì)算可得巷旁支護(hù)承受的壓力為：

q=3.58 MPa。

即單位長(zhǎng)度巷旁支護(hù)承受的最大壓力為：

3.58×1 000×1.5=5 370 kN/m。

2) 經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算沿空留巷圍巖壓力。巷旁支護(hù)的受力來(lái)源于直接頂巖柱的重量和老頂轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)直接頂造成的擠壓變形壓力[11]?；趯⒅苯禹斠暈椴豢勺陨砥胶獾膸r體，它的重量W將全部由巷旁支護(hù)承擔(dān)，工程經(jīng)驗(yàn)得出巷旁支護(hù)最大工作載荷相當(dāng)于4～8倍采高巖柱的重量，本著偏于安全的角度，取8倍采高巖柱的重量作為設(shè)計(jì)荷載。3605工作面的有效采高為5.5 m，留巷控頂寬度為5.2 m，頂板巖/石容重為25 kN/m3。留巷的最大載荷為：

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

綜上計(jì)算，分離巖塊法(5 370 kN/m)、傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算圍巖壓力(5 720 kN/m)，偏于安全考慮，沿空留巷的最大載荷為5 720 kN/m。鋼筋混凝土灌注樁延米承載力為7 616.7 kN/m，大于留巷的最大載荷，安全系數(shù)1.3，視為基礎(chǔ)支護(hù)有效。

4 工程實(shí)踐

3605工作面回風(fēng)巷道留巷全長(zhǎng)2 150 m，超前切眼150 m未進(jìn)行底板加固，150～850 m進(jìn)行鋼筋混凝土灌注樁底板加固，在兩段分別進(jìn)行了沿空巷道位移收斂變形監(jiān)測(cè)。1號(hào)測(cè)點(diǎn)未進(jìn)行底板加固(距切眼120 m)、2號(hào)測(cè)點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)行底板加固(距切眼750 m)。圍巖收斂數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖5、圖6所示。

圖5 1號(hào)測(cè)點(diǎn)圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)

圖6 2號(hào)測(cè)點(diǎn)圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)

通過(guò)圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)對(duì)比得出：初期在沒(méi)有進(jìn)行底板加固的范圍內(nèi)，圍巖收斂變形中主要表現(xiàn)為底鼓，達(dá)到350 mm，其他三項(xiàng)變化量也相對(duì)較大；后階段通過(guò)鋼筋混凝土灌注樁加固底板，圍巖收斂變形控制在110 mm范圍內(nèi)，主要體現(xiàn)在頂?shù)装逡平?，與霍爾辛赫煤礦正常地質(zhì)條件下沿空留巷變形量基本一致，實(shí)踐證明霍爾辛赫煤礦異形柔?；炷翂w+底板注漿技術(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)合理，達(dá)到了預(yù)期效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

沿頂留底煤巷道條件下沿空留巷的巷旁支護(hù)體處于底煤之上，后期頂板來(lái)壓，壓力通過(guò)巷旁支護(hù)體傳遞至底煤之上，而底煤受壓后被迫向卸壓區(qū)(沿空巷道)移動(dòng)，導(dǎo)致巷道底鼓量大并且會(huì)影響支護(hù)體的穩(wěn)定性。因此，若想有效控制沿空巷道底鼓量并提高支護(hù)體的穩(wěn)定性，就要對(duì)支護(hù)體下方的底煤進(jìn)行加固?；魻栃梁彰旱V3605工作面回風(fēng)巷道采用鋼筋混凝土灌注樁加固底板技術(shù)，來(lái)增強(qiáng)支護(hù)體下方的強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)未采用該加固技術(shù)的測(cè)點(diǎn)和使用該加固技術(shù)的測(cè)點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比，圍巖變形量由最大350 mm降低到110 mm以內(nèi)，表明該頂板加固技術(shù)有效控制了圍巖變形量，提高了沿空留巷巷旁支護(hù)體的穩(wěn)定性，保證沿空留巷技術(shù)的順利開(kāi)展。