下峪口薄煤层装备的调研（初稿）(1)1 - 图文

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下峪口煤矿21210工作面

柔模泵注混凝土沿空留巷设计及实施方案

Design and implementing scheme of gob-side intry retianing with flexible formwork concrete for xiayukou mine 21210 working face

韩城矿业有限公司下峪口煤矿 西

安

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二○一一年五月

目 录

目 录

1 概述 ................................................................................................................................... 1 1.1立项的目的及意义 .................................................................................................... 1 1.2矿井概况 ..................................................................................................................... 3 1.3沿空留巷区域采矿地质条件 ..................................................................................... 4

1.3.1煤层 ....................................................................................................................................... 4 1.3.2煤层顶底板 ............................................................................................................................. 4 1.3.4地质构造 ................................................................................................................................. 4 1.3.5水文情况 ................................................................................................................................. 4

2 国内外研究现状 ............................................................................................................... 6 2.1沿空留巷支护形式 ..................................................................................................... 6 2.2沿空留巷国内外研究现状 ......................................................................................... 8 3 研究内容及实施方案 ..................................................................................................... 10 3.1 柔模泵注混凝土沿空留巷技术简介 ....................................................................... 10 3.2 巷道布置 ................................................................................................................... 11 3.3 巷道断面设计 ........................................................................................................... 13

3.3.1原巷道支护 ........................................................................................................................... 13 3.3.2沿空留巷断面收缩量预测.................................................................................................... 14

3.4顶板补强支护设计 ................................................................................................... 15 3.5巷帮补强支护设计 ................................................................................................... 20

3.5.1巷旁煤体的变形特征与对顶板岩层的控制 ........................................................................ 20 3.5.2巷旁煤体加固 ....................................................................................................................... 23

3.6巷旁支护设计 ........................................................................................................... 24

3.6.1巷旁混凝土支护厚度设计.................................................................................................... 24 3.6.2 泵注混凝土设计 .................................................................................................................. 26 3.6.3 柔性模板规格 ...................................................................................................................... 30

3.7留巷滞后支护 ........................................................................................................... 31

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3.8相比桑树坪煤矿改进之处 ....................................................................................... 33 3.9 施工设计 ................................................................................................................... 33

3.9.1 施工材料 .............................................................................................................................. 33 3.9.2 施工工艺及流程 .................................................................................................................. 33 3.9.3 施工设备及布置 .................................................................................................................. 34 3.9.4 施工要点 .............................................................................................................................. 39 3.9.5 劳动组织 .............................................................................................................................. 44 3.9.6 检测 ...................................................................................................................................... 44 3.9.7 验收标准及质量评定 .......................................................................................................... 47 3.9.8 安全措施 .............................................................................................................................. 49

3.10其它注意问题 ......................................................................................................... 56 3.11 实施工作流程及进度安排 ..................................................................................... 56

3.11.1 实施工作流程 ..................................................................................................................... 56 3.11.2 总体工作安排 ..................................................................................................................... 56 3.11.3 人员培训............................................................................................................................. 57 3.11.4 地面试验............................................................................................................................. 58

4主要经济技术指标 .......................................................................................................... 60 5 研究开发的技术路线 ..................................................................................................... 61 6 技术经济可行性分析 ..................................................................................................... 61 6.1柔模泵注混凝土沿空留巷总体技术构思 ............................................................... 61 6.2工程应用实例 ........................................................................................................... 62 6.3柔性模板与钢性模板技术经济对比分析 ............................................................... 63 6.4经济可行性 ............................................................................................................... 64 7安全、环境、健康影响分析 .......................................................................................... 64 8 现有基础、技术条件，保证体系 ................................................................................. 65 8.1项目承担单位 ........................................................................................................... 65 8.2项目协作单位 ........................................................................................................... 65

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9 项目总体投资及经济、社会效益分析 ......................................................................... 66 9.1项目的各项投资分析 ............................................................................................... 66

9.1.1沿空留巷设备投入费用 ....................................................................................................... 66 9.1.2沿空留巷工程投入费用 ....................................................................................................... 67

9.2 经济效益分析 ........................................................................................................... 74 9.3社会效益分析 ........................................................................................................... 74 10 实施进度计划 ............................................................................................................... 74

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1 概述 1.1立项的目的及意义 沿空留巷的基本方式是将当上区段工作面采过后，将上工作面的运输机巷或回风巷用专门的支护材料进行维护，使此保留下来的巷道做为下区段工作面的运输机巷或回风巷，这样一条巷道可以得到两次利用。

沿空留巷是合理开发煤炭资源，提高煤炭回收率，改善巷道维护，减少巷道掘进量，有利于矿井安全生产和改善矿井技术经济效益的一项先进的地下开采技术。推行沿空留巷，不仅对生产矿井进行技术改造、缓和采掘关系和延长矿井寿命具有现实意义，而且也是使煤炭企业改善安全条件和技术经济指标，增产、增盈减亏的主要途径之一。

通过几十年来我国矿井的大量实践，可以认为沿空留巷主要具有以下几个优点： （1）有利于合理开发煤炭资源，提高煤炭回采率。由于沿空留巷可以不留煤柱，故大大提高了煤炭回采率。据多数矿井的经验，沿空留巷一般可使回采率提高10～20%，有些矿井甚至提高25～30%，回采率的提高相当于增加矿井的储量，延长了矿井寿命。

（2）有利于改善巷道维护。回采巷道由于受采动影响，巷道受压变形严重，维护困难，使劳动条件恶化，生产也不安全，这是长期未能解决的难题，大量现场经验表明，使用沿空留巷以后，矿井的巷道维护状况都有不同程度的改善。经过巷内浇注混凝土沿空留巷实践，沿空留巷后巷道维护量相对较小。

（3）有利于降低巷道掘进率。应用沿空留巷时，可在不同程度上降低巷道掘进量，因而可以降低巷道掘进率，可以根本上改善矿井采掘接替紧张的局面。根据对现有无煤柱开采系统的分析，一般情况下，采用沿空留巷可使巷道掘进率降低10～33%，有些矿井降低的幅度达到了40%以上。

（4）有利于矿井安全生产。由于沿空留巷大量降低了煤炭损失，故在很大程度上消除了自然发火的根源和机率，并且对瓦斯的涌出也有明显的降低作用。据研究，在正确进行通风管理的情况下，沿空留巷工作面回风流中的瓦斯含量与留煤柱时工作面相比可以减少30～50%，保证了安全生产。

沿空留巷可实现工作面Y型通风，采空区的漏风主要流向留巷，从根本上解决了

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上隅角瓦斯积聚难题；采空区内部易积存大量高浓度瓦斯，利于实现高浓度瓦斯抽采；实现留巷位置高位钻孔抽放被解放层瓦斯，最大限度的提前释放大煤瓦斯，为大煤安全开采提供了关键技术支持；有效解决了工作面的瓦斯超限问题，从而可成倍提高我国高瓦斯难抽放煤层工作面的单产水平，具有重大的社会经济效益与安全高效开采效益。

图1-1 U型通风示意图

图1-2 沿空留巷Y型通风示意图 2011年5月 2 下峪口煤矿21210工作面柔模泵注混凝土沿空留巷设计及实施方案

图1-3 沿空留巷相邻煤层瓦斯抽放示意图

（5）有利于改善矿井技术经济指标。由于无煤柱开采具有上述的一些优点，即多回收煤炭资源，节约支护材料，降低巷道维护费，减少掘进费用等，因此可以明显提高矿井的经济效益。

沿空留巷符合煤炭工业走“资源利用率高、安全保障、经济效益好、环境污染少和可持续的煤炭工业发展道路”的要求，符合绿色采矿、科学采矿的发展方向，对促进我国无煤柱护巷技术的发展具有重要的理论意义和实用价值。

下峪口煤矿是韩城矿务局下属的3个矿井之一，矿井从建设投产到现在，受制于煤与瓦斯突出，产量基本徘徊在100W吨左右。通过试验沿空留巷，实现采区的“Y”型通风，缓解采掘矛盾，

1.2矿井概况 韩城矿务局下峪口煤矿，位于秦晋交界的龙门古渡西岸，陕西省韩城市北20Km处。西（安）——侯（马）铁路和国道108线横穿矿区，交通十分方便。

该矿1970年建矿，1975年投产，年生产能力120万吨，并建有年入洗原煤120万吨的选煤厂。原煤产量最高达133万吨/年，洗精煤产量最高达80.6万吨/年。现有职工4544人，其中管理和专业技术人员397人。

近几年来，下峪口矿适应市场经济发展的需要，不断深化内部改革，转换经营机制，狠抓科技进步，积极推行全面质量管理，靠质量闯市场。该矿先后荣获“统配煤

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矿标准化矿井“、”煤炭工业二级企业“、渭南市“重合同守信用单位”、省级“文明单位”、和省“先进企业”、“依法治矿先进单位”等荣誉称号。1995年还被中国质量管理协会用户委员会评为“售后服务全国用户满意服务”单位。

1.3沿空留巷区域采矿地质条件 21210进风联巷及进风顺槽位于二水平一采区上山北翼中部，21206工作面北部，距21206工作面315m。地面位置位于泗洲庙村西北，地表高程760～940m。工作面2#煤底板高程352～393m，盖山厚度560～370m，地表无村庄及建筑物。

（附综合柱状图）

1.3.1煤层 该工作面煤层厚度0.2～1.5m，一般厚度在0.7m左右，属不稳定的薄煤层。

1.3.2煤层顶底板 煤层伪顶为0.3～0.5m的泥岩；直接顶为1.2～2.5m的薄层状粉砂岩，预计普氏系数为6.0～6.5；老顶为中厚层状细砂岩，2.5～3.5m的细砂岩预计普氏系数为8.0～8.5。煤层底板为粉砂质泥岩厚0.7～1.2m，该层以下部分区域有一层煤线，煤线厚约0.1m。 2#煤距2#上煤（2#上煤层不稳定）3.0～4.0m，2#上煤厚0.4～0.6m； 2#煤距下部3#煤20～26m，3#煤厚4.0～7.0m。

1.3.4地质构造 该顺槽总体呈一单斜构造，地层产状：倾295°,倾角2～7°,平均4°，由深部向浅部施工 ，煤层倾角约为+4°。 受沉积构造影响在施工中会有较大范围的薄煤区。工作面发现的断裂构造以小型正断层为主，落差一般为1.0～3.0m，浅部煤层顶板层滑构造发育，岩体破碎。

1.3.5水文情况 该工作面水文地质条件简单，局部可能有顶板滴淋水，水量很小，对生产不会造成影响。

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21210工作面综合柱状柱状 单 位 （m） 2.5-3.5岩 性 概 述一般为细砂岩，呈浅灰色，中厚层状，局部粉砂岩之上为2＃上煤，2＃上煤厚0－0.6米，底板为泥岩，直接顶为粉砂岩。粉砂岩：深灰色，薄层状，泥质胶结，含较多植物化石,局部夹有薄层细砂岩。粉砂岩泥岩：灰黑色，薄层状，层面夹有煤屑2#煤：黑色，沫状，碎块状，平均约0.7米。粉砂质泥岩：黑色，含泥质、植物根部化石。局部该层下部有一层厚约0.1米的煤线。细砂岩：深灰色，无层理，含泥质、破碎。1.2-2.510-14中粒砂岩：灰色，致密，坚硬，呈块状，局部夹有薄层粉砂岩。0.8-1.4泥质粉砂岩：深灰色，含泥质和 植物茎叶化石。中间夹有1-2层煤线。3#煤：黑色，沫状，碎块状。4.0-7.00.5-1.0中粒砂岩：灰色，致密，坚硬。

图1-4 柱状图

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2 国内外研究现状 2.1沿空留巷支护形式 沿空留巷技术能够较好地实现无煤柱护巷，无论是在利用煤炭资源上，还是在采煤方法上都比留煤柱护巷具有很好的技术经济优势。 沿空留巷支护的主要形式： （1）工字钢梯形刚性金属支架; （2）工字钢梯形可缩性金属支架; （3）U型钢可缩性金属支架; （4）锚杆支护; （5）锚网索支护; （6）联合支护。 巷旁支护主要形式：

煤矿在应用沿空留巷技术时，绝大多数都要设置巷旁支护。应用较多的巷旁护形式有以下几种:

（1）木垛;（2）密集支柱;（3）矸石带;（4）砌块；（5）巷旁充填带。 目前，国内外在应用沿空留巷时，绝大多数都要设置巷旁支护。巷旁支护的作用是利用巷旁支护的高阻力去支撑冒落带边缘的顶板载荷，从而分担和减轻巷内支架的受载；当直接顶比较坚硬或顶板有周期性来压时，利用巷旁支护切断该处顶板，从而避免顶板沿巷道煤壁出断裂，同时利用它承受直接顶板冒落或周期冒落时所产生的动载荷；利用可缩量较小的巷旁支护去限制巷道与采空区交界处的顶板下沉量，避免巷内支架产生严重变形；利用巷旁支护去隔离或密闭采空区。当然，希望巷旁支护能同时起到上述四个方面的作用，但实际上由于所采用的巷旁支护材料和支护形式的不同，并不是所有的巷旁支护都能起到上述各方面的作用。而且根据矿山地质条件的不同，也并不要求巷旁支护在所有情况下都具有上述各方面的作用。巷旁支护的种类很多，按其力学特征可分为刚性的，有限可缩量的和大可缩量的。国内外应用较广的巷旁支护有木垛、密集支柱、矸石带、料石砌垛、人造砌块、硬石膏充填和水材料充填等。

木垛巷旁支护：国过去巷旁支护应用较广，其形式一般是单排木垛。现在为降低

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坑木消耗，来越少。木垛作为巷旁支护的优点是：支撑面积大，稳定性好，用以挡研效；架设比较灵活、方便，劳动量少；后期支撑能力大。其缺点是：木材大，随煤层厚度加大此缺点更为突出;从力学性质来看，木垛属于晚支撑承载过程中载荷增长速度很慢，且早期支撑能力太低，因而不能起到早期板下沉的作用；木垛的可缩量大，通常可以压缩到只有原始高度的40%—50%，而不能起到切断采空区顶板的作用，相反，常使脆性顶板沿巷道煤壁产生象，从而加大了巷道支架所受载荷；木垛属于宽幅巷旁支护类型，它使巷宽度加大，从而增加了巷内支架上的载荷，国外在应用沿空留巷时曾采用垛作为巷旁支护，但效果并不理想。

密集支柱巷旁支护：由于应用木垛护巷存在一系列缺点，故在许多情况下，采用了密集支护作为巷旁支护。所谓密集支护作为巷旁支护是指随工作面推过之后，在采空区边缘新架设的密集支柱。密集支柱属于刚性支护类型。与木垛相比，其优点是可缩量小，早支撑性能好，可进行切顶，架设工作量小等。木材密集支柱的缺点是木材消耗量大，并且一般不能回收复用；当顶板或地板较软时，密集支柱易于顶地板造成卸载，因而失去支撑和切顶作用；密集支柱的稳定性较差，在受到采空区冒落矸石的冲击时容易倾倒，同时，由于沿空巷道两帮下沉不均，通常靠采空区一侧顶板的下沉量大于煤体一侧，巷道顶板产生倾斜，故也会使密集支柱倾倒而失去支撑作用；密集支柱的工作性能常受到架设质量的影响，尤其当采高较大时，密集支柱不仅不易架设，而且也不稳定。可见，用木材密集支柱作为巷旁支护可以起到承载、切顶和隔离采空区碎矸石的作用。它适宜在顶板岩石为中等稳定以上，顶板属于脆性，采高在2-2.2m以下的薄及中厚煤层中使用。

矸石带、料石垛巷旁支护：矸石带巷旁支护是国内外普遍采用的方式，我国在开采厚度为1.5m以下的煤层时大量应用。矸石带作为沿空留巷的巷旁支护，具有节省支护材料，隔离采空区，承载面积大、稳定性较好等优点。其缺点是砌矸石带的工作量大，工人体力劳动繁重。从力学特性来看，矸石带属于宽幅、大可缩量和晚支撑的支撑物。由于空隙大，压缩量达40%-50%，虽然压实后支撑能力可以提高，但这时顶板己大量下沉并失去稳定性，而且矸石带较宽，又增加了顶板的悬伸宽度。因此，除了韧性大的缓慢下沉顶板之外，对于脆性顶板，这种顶板悬伸可能造成顶板沿煤壁断裂，并造成巷内支架上载荷增加。料石垛巷旁支护高强度有限可缩量特性，属于早

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支撑类型，实现了切顶卸载，巷道变形量小，支架完整。但由于料石垛内外两侧受力不均，故可能使石垛在承载过程中出现各种形式的变形和破坏。

人造砌块巷旁支护：人造砌块作为巷旁支护，是为了节约木材、克服木垛可缩量和承载晚等缺点而发展起来的。近二十年来，这种巷旁支护形式在国外有相当的发展，国内也有一定应用。这种支护形式的优点是材料来源广，价格低廉；构件的刚性大，承载快，压缩20%就达到最大载荷。混凝土砌块巷旁支护的优点是前期支护阻力大、增阻速度快、切顶效果好。缺点是可缩量较小、成本较高、构筑巷旁支护的劳动强度大，密闭采空区效果较差。适用于顶板中等稳定的薄及中厚、中硬以上的煤层。传统的巷旁支护存在支护阻力、可缩性等力学性能与沿空留巷围岩变形不相适应、密闭性能差和机械化程度低等缺点，不利于巷道维护和防止采空区漏风与燃发火，所以长期以来我国沿空留巷基本上只是应用在条件较好的薄及中厚煤层，条件困难或厚煤层中难以发展，多采用沿空掘巷。

巷旁泵充填支护技术：巷旁泵充填支护是巷旁支护技术的一次革命，它克服了上述巷旁支护方法存在的支撑阻力不够、可缩性能不匹配、运输量大、劳动强度高等缺点。巷旁泵充填技术包括硬石膏风力输送充填技术和高水材料泵充填技术。

2.2沿空留巷国内外研究现状 （1）我国沿空留巷技术发展现状我国关于沿空留巷技术的研究和发展情况，大致可分为以下四个阶段。

第一阶段，20世纪50年代起，在煤厚1.5m以下的薄煤层中尝试着用矸石墙作巷旁支护维护工作面后方巷道，使一条巷道成功应用二次。但由于矸石的沉缩量大，不能与巷内支架相匹配，使得巷内支架变形严重，维护工作量大，而且维护人员的安全性受到威胁。

第二阶段，20世纪60、70年代在中厚煤层应用密集支柱、木垛、砌块等作为巷旁支护取得一定成效，但这些方法又各有一些优缺点。

第三阶段，20世纪80年代,随着我国煤矿大力推行综合机械化采煤后，随着采高不断增大、工作面推进加快、巷道顶底下沉量增大，我国煤矿工作者在引进、吸收国外的巷旁充填技术的同时，发展了高水巷旁充填护巷技术。然而应用这种技术要建立一套复杂的充填材料加工、运输和泵运充填系统，并装备相应的一整套设备，生产

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成本较高，高水材料强度低，用量大，造价高，故目前对大多数矿井还难以推广应用。

第四阶段，21世纪以来，部分沿空留巷项目采用钢模架作为模板，以大型混凝土输送泵接力进行输送混凝土，该套设备投资巨大、操作系统复杂、模架不适应井下条件，存在诸多问题。

目前，国内沿空留巷巷内支护采用金属支架、木棚支护或锚网索支护。作为沿空留巷的一个难点——巷旁支护，在我国却一直没有得到很好地解决。沿空留巷的成功应是巷内支护与巷旁支护联合作用的结果，其中成败的关键是巷旁支护能否适应沿空巷道的顶板运动规律，有效地控制顶板岩层。

目前，国内应用较多的巷旁支护主要有：木垛巷旁支护、密集支柱巷旁支护、矸石带巷旁支护、人造砌块巷旁支护以及巷旁泵充填支护技术等。

（2）国外沿空留巷技术研究的现状

国外沿空留巷做得较多的是前苏联、德国、英国、波兰等国家。前苏联在应用沿空留巷技术方面做了大量的研究工作，在理论上，提出了各类顶板下应用沿空留巷的可行性，对留巷维护中有关的参数提出了理论计算方法或经验公式，并对留巷过程中采深和岩性不同时围岩移近量的方法进行了研究和实验测量。德国无煤柱开采多为沿空留巷，其传统的巷旁支护多采用木垛、矸石带等，60年代末德国成功了采用石膏、飞灰加硅酸盐水泥、矸石加胶结料等低水材料作为巷旁充填，有效地减少了重型支架和巷道的变形，从而实现较大断面巷道二次利用，取得了良好经济效益。英国煤层普遍较薄，多用沿空留巷，巷旁支护多采用矸石带，并研制出了矸石带机械化砌筑装置。波兰无煤柱开采应用较多的是沿空留巷，在前进式或后退式采煤时都用单巷准备，沿空根据走向开采或倾斜开采地质条件，沿空留巷一般巷内支护采用金属可缩性支架，巷旁支护使用充填带、矸石带或混凝土墩柱等。

（3）目前国内外在沿空留巷研究与应用中存在的主要问题

①巷旁支护初撑力小。不论是传统的木垛巷旁支护还是后来的高水速凝材料巷旁充填支护，都属于被动支护，只有当顶板垮落压在支护体上时，它们才会对顶板施加支护阻力，而不是在顶板垮落之前就主动对顶板施加支护阻力。而巷旁支护的初始阻力对防治直接顶与下位老顶离层有着十分重要的作用。因此有必要寻求一种能主动提供支护阻力的巷旁支护方式，增加巷旁支护的初始阻力。

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②密闭性差。沿空留巷传统的巷旁支护方式如料石砌墙、预制混凝土块砌墙、密集支柱、木垛都难以充分隔绝采空区，刚性材料砌墙难以有效接顶，木垛与密集支柱漏风严重，必须配合矸石袋，而矸石袋强度低，可缩性大，漏风问题难以很好解决。料石或预置混凝土砌块接定质量差，在顶板来压后易压碎，密闭性差。刚性模板浇筑混凝土也存在接顶不实的问题。这些技术未能很好地解决沿空巷道与采空区瓦斯隔绝问题。

③机械化程度低，工人劳动强度大，施工速度慢。砌块、密集支柱、木垛、矸石袋作巷旁支护，基本上靠人力进行，机械化程度低，工人劳动强度大，上述支护形式在薄煤层还可勉强使用，在中厚煤层、厚煤层则就难以实施，无法满足现代化高产高效矿井的生产要求。

④系统复杂。高水速凝材料与高水灰渣材料巷旁泵送充填、硬石膏等风力充填，都需要建立一套较为复杂的充填系统，而且设备性能不佳、充填材料成本较高。刚性混凝土模板作巷旁支护同样存在上述问题。

⑤支护设计思路问题。以往采用沿空留巷技术，支护设计思路不合理，大多将工作面回采前的巷道掘进与回采后的留巷相互独立，没有统筹考虑，没有将沿空留巷视为一项系统工程，如在对需要保留的巷道掘进前，进行巷道支护形式选择和支护参数设计时，没有预先考虑后期沿空留巷技术的需要，从而导致沿空留巷后的巷内支护体强度不能满足两次采动影响的要求、巷内支护与巷旁支护不匹配，使留巷效果达不到预期目标，甚至失败。

⑥巷内与巷旁支护方式选型和参数的选择上不够合理，造成巷内与巷旁支护不能共同维护沿空留巷的稳定。随着沿空留巷技术在中厚煤层和综合放顶煤中的应用，随着留巷断面的不断扩大，巷道围岩变形量增加、巷道维护越来越困难，大断面、复杂环境条件下留巷应综合考虑，巷旁采用混凝土连续墙支护、巷内采用锚索梁、喷射混凝土等联合支护方式。

3 研究内容及实施方案

3.1 柔模泵注混凝土沿空留巷技术简介 柔模泵注混凝土支护技术由西安科技大学研发而成，包括柔模泵注混凝土沿空留巷技术与巷道支护技术。

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（1）支护结构及工艺

高性能自密实混凝土用混凝土输送泵注入预先固定在巷道帮部的模板中。模板采用一次性柔性模板，由双层高强度布缝制而成，具有透水不透浆的特性，挂设时，将柔模两侧的翼缘套入钢筋，靠采空区侧钢筋与工字钢上的螺母连接，靠巷道内侧的钢筋用单体顶上顶板，柔模被吊挂起来。模板上设有锚栓孔，柔模挂设起来后，锚栓穿入锚栓孔，锚栓两端用托板螺母连接。

（2）支护思想

柔模泵注混凝土巷旁支护具有柔模混凝土早期具有较大初撑力及适当可缩量的特性，并继承了混凝土后期支护的刚性，为沿空留巷中的先柔后刚巷旁支护。采用柔模混凝土后期刚性巷旁支护，实现了切顶卸载，使巷道变形量小，巷道支架受力小，在服务期内巷道断面满足生产需要，维修费用较低。

遵循充填体在保证支护强度与稳定性的同时尽可能窄的原则。巷旁充填体宽度是设计巷旁支护的一个重要参数，它不仅影响着巷旁充填体的稳定性，而且涉及到巷旁支护的劳动强度和经济效果。沿空留巷充填体的破坏主要受到基本顶旋转下沉产生应力集中的破坏，充填体的可缩量不能满足沿空留巷整体变形量而产生较高的应力而破坏，或者被冒落矸石的冲击等因素破坏。从稳定性来说，巷旁充填体过窄，稳定性差，随着宽度增加，巷旁充填体稳定性也增加但过宽的巷旁充填体不仅增加了护巷成本，降低了留巷经济效益，也增加了留巷材料运输量和施工劳动强度。我国学者在分析大量工程实践后认为充填体宽高比达80%时，有利于充填体本身的稳定，但也说明了在实际操作中宽高比的确定应当遵循“在满足充填体稳定性的条件下支护宽度尽可能小”的原则。

3.2 巷道布置 2011年5月

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北二下延1#回风大巷北二下延输送机巷S15点X=3946699.964Y=19456996.195Z=395.431（顶板）A19点X=3946820.374Y=19457112.271Z=398.349（顶板）60000村庄11205°保护煤柱线569467059295°158185295°N点：X=3946585.313Y=19456862.466Z=395.100(顶）16042625°留巷534059 (原21206-2＃抽放巷)槽21210进风顺 预定停采线 21210抽放巷21210回风顺槽467000预定停采线＋300北翼回风巷22°25°3200046700022°22°22°21206回斜＋300北翼轨道巷北翼皮带巷北翼2#回风大巷

图3-1 巷道布置

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22°下峪口煤矿21210工作面柔模泵注混凝土沿空留巷设计及实施方案

3.3 巷道断面设计 3.3.1原巷道支护 原巷道永久支护断面图φ15.4×6000mm锚索,排距3000mm15°2000φ20×2000mm螺纹钢锚杆,间排距800×800mm80015°φ32×1600mm可回收锚杆,间排距800×800mm4000说明：1、该巷道采用锚网支护。顶部锚杆采用Ф20×2000mm螺纹钢锚杆（配快装螺母、减磨片及ck2370锚固剂），间排距800×800mm（呈矩形布置）每排6根；网选用金属菱形网1600×2400mm，网目：50×50mm。2、煤帮锚杆采用Ф32×1600mm螺旋式可回收锚杆配合塑钢网、笆片护帮，每排4根（根据实际煤层厚度而定，岩石部分打一根）间排距800×800mm，网为1200×20000mm塑钢网，网目50×50mm。3、顶网为对接方式，每150mm联网一次，帮网为搭接100mm，每100mm联网一次，联网均采用14#铁线。4、网必须压在托板下，托板均采用：120×120×10mm铁托板。5、锚索规格为Ф15.24×6000mm的钢绞线，每排一根（沿巷道中心布置），排距3000㎜，每根锚索配2根MSCK2370锚固剂。锚索托板采用U25型钢压制的大托板。图3-2 原巷道支护断面图

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2800800合作单位：陕煤集团韩城矿业有限公司下峪口煤矿 西安科技大学

3.3.2沿空留巷断面收缩量预测 沿空留巷采空区侧顶板下沉是决定巷道高度的主要因素，而留巷关键层基本上处于给定变形状态，而关键层下部的关键块是巷旁混凝土支护的主体，预测混凝土墙顶板给定下沉以关键层的下沉为主要条件，同时，墙体强度能够满足支护顶部关键块的自重荷载。

图3-3 沿空留巷矿压模型

巷旁顶板下沉预测公式：

h?h1??l1?a?0.5a1???h?l式中：h1?k?h?m?

h——关键层高度，m；

h1——为关键层触矸高度，m；

m——开采厚度，m；

k——碎胀岩石压实系数，1.25；

l1——关键块距煤壁距离，m；

a——留巷宽度，m；

a1——混凝土墙浇注宽度，m；

l——关键层长度，按0.86b取值，b为周期垮落步距，11～15m。

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根据工作面情况，取h=7.5m，h1=7.375m，m=1.6m，l1=3m，a=4.3m，a1=1m，根据上述公式计算的：?h=106mm。

两帮根据桑树坪煤矿预计收缩280mm，巷道底鼓100mm。 留巷后：巷道中高=2594mm，宽度3720mm。

3.4顶板补强支护设计 1）锚索间排距：

留巷支护断面图φ17.8×6200mm补强锚索,间排距2000×1600mmφ17.8×6200mm补强锚索,排距1200mm原有φ15.4×6000mm锚索,排距3000mm15°原有φ20×2000mm螺纹钢锚杆,间排距800×800mm100020002000800120015°单体临时支护2800800原有φ32×1600mm可回收锚杆,间排距800×800mm400014号槽钢，L=1200mm10001600Ф20×2400mm补强螺纹钢锚杆,间排距800×800mm说明：1、巷旁支护采用柔模混凝土。厚度1000mm，标号C20,锚栓采用Ф20×1100mm螺纹钢，两端丝扣长100mm，采用150×150×10mm铁托板。2、正帮台阶采用Ф20×2400mm螺纹钢锚杆加固，间排距800×800mm，配14号槽钢，槽钢长度1200mm。3、补强锚索规格为Ф17.8×6200mm的钢绞线，巷中补强锚索间距2000mm，排距1600㎜，巷旁正帮肩窝处补强锚索排距1.2m，每根锚索配3根MSCK2370锚固剂。锚索预紧力为160KN。锚索托板采用U25型钢压制的大托板。补强锚索超前50m以上施工。4、单体支护排距800mm，一粱三柱，滞后支护距离60m，根据矿压调整。5、柔模混凝土采空区侧采用直径200mm木点柱支护，间排距600×500mm。6、锚索采用w钢带，钢带宽度280mm，长度2.6m。7、采空区内木点柱挂菱形金属挡矸网。

图3-4 沿空留巷支护断面图

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锚索（杆）布置平面图φ20×2000mm螺纹钢锚杆,间排距800×800mmφ17.8×6200mm补强锚索,排距1200mmφ32×1600mm可回收锚杆,间排距800×800mmФ20×2400mm补强螺纹钢锚杆,间排距800×800mm原有φ15.4×6000mm锚索,排距3000mmW钢带，宽280mm，长2.6mφ17.8×6200mm补强锚索,间排距2000×1600mm菱形金属网

图3-5 顶板锚索锚杆+W钢带布置平面图

三角不稳定区域：根据21210运输顺槽中地质资料，用补强锚索

?17.8mm×6200mm与原有锚索?15.24mm×6000mm，将锚杆加固的“组合梁”整体悬吊于坚硬岩层中，校核锚索间、排距，冒落方式按最严重的冒落高度大于锚杆长度的直接顶厚度3m整体冒落考虑。此时，靠巷道两帮的角锚杆和锚索一起发挥悬吊作用，在忽略岩体粘结力和内摩擦力的条件下，取垂直方向力的平衡，可用下列公式计算锚索的间、排距。按最不利条件计算，即巷道宽度为4.5m时计算。

L＝nF2/k [BHγ-（ F1 sinθ）/ L1] 式中 L——锚索间、排距, m；

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K——安全系数，2；

B——巷道最大冒落宽度，B取4.5m；

H——巷道最大冒落高度，H取直接顶厚度3m； γ——岩体容重，γ取26.7KN/m3；

L1——锚杆排距，0.80m； F1——锚杆锚固力，取50KN； F2——锚索极限承载力，取320KN； θ——角锚杆与巷道顶板的夹角，75°； L1——锚杆排距，0.80m； n——每排锚索数量， 1根。

a工作面3煤垮落长度L保留煤壁三角不稳定区采空区支架cb柔模混凝土墙

图3-6 端头主要支护带示意图

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L＝nF2/k[BHγ-（ F1 sinθ）/ L1] ＝230/2×[4.5×3×26.7-(50sin75)/0.80] ＝0.38m<3m；

即原有巷道锚索支护强度严重不足，需补强支护。每米支护强度需达到

230/0.38=605kN/m

若采用巷内?17.8mm×6000mm的补强锚索，同时巷旁采用?17.8mm×3200mm的补强锚索，由于巷旁补强锚索太短，对于整体吊挂巷道3m内顶板难以起到有效支护顶板的作用，此时巷内补强锚索排距

L＝nF2/k[BHγ-（ F1 sinθ）/ L1]

＝（2×320+230/3）/2×[4.5×3×26.7-(50sin75)/0.80] ＝1.2m

当巷旁采用?17.8mm×6200mm的补强锚索，则

L＝nF2/k[BHγ-（ F1 sinθ）/ L1]

＝（2×320+230/3+320/1.2）/2×[4.5×3×26.7-(50sin75)/0.80] ＝1.63m

综合考虑原有锚索与补强锚索，每米平均支护强度为： 2×320/1.6+320/1.2＋230/3=743kN/m>605kN/m

通过上述计算，巷内补强锚索排距取1.6m，巷旁补强锚索排距取1.2m，全部取?17.8mm×6000m m补强锚索，三角不稳定区域所选锚索参数满足要求。 三角不稳定区域锚索整体承载力验算：

三角不稳定区域共有锚索32根，其中?17.8mm×6000mm锚索30根，?15.4mm×6000mm锚索2根，整体承载力为 320×30+230×2=10060kN

而三角不稳定区域岩石冒落荷载为

aG?(?d)(c?L)h?

2式中：G——冒落岩石重量； a——原巷宽度,4.5m；

c——柔模混凝土墙端部至三角稳定区长度，m，取5m（浇注长度）；

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L——三角不稳定区域长度，m，取11m；

d——三角不稳定区域延伸至采空区长度，取2.5m。 G?(4.5?2.5)(5?11)?3?26.7==6087kN 2安全系数f=10060kN/6087kN=1.65>1.5，整体承载力视为可靠。

工作面保留煤壁支架采空区柔模混凝土墙

图3-7 柔模混凝土紧跟支架后充填

留巷区域：

L＝nF2/k[BHγ-2×（ F1 sinθ）/ L1]

＝(2×320+230/3)/2×[4.5×3×26.7-2×(50sin75)/0.80] ＝1.5m≈1.6m

2）锚索长度

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L?l1?l2?l3?l4

l1——锚固长度，m；

l1?kd?fc 4ftl2——需悬吊的不稳定高度，m； l3——锁具托板厚度，m； l4——外露张拉长度，m；

d——锚索直径，m；

fc——锚索与锚固剂的粘结强度，MPa； ft——锚索抗拉强度，Mpa；

k——安全系数，一般取2。

计算得：l1?kd?fc17.8?1376?2??1224mm?1.22m 4ft4?10L?l1?l2?l3?l4?1.22?3?0.15?0.4?4.77m

为安全起见，取6.2m，锚固长度取2m，采用三节Z2370型中速树脂锚固剂，锚固强度不小于320KN。

3.5巷帮补强支护设计 3.5.1巷旁煤体的变形特征与对顶板岩层的控制 1）巷旁煤体极限平衡区的应力分布

巷道开挖引起巷道围岩应力的重新分布，一般地把巷道围岩由周边向内依次分为极限平衡区(包括松动区和塑性区)、弹性区和原岩应力区。由于巷旁煤体极限平衡区的应力分布对沿空巷道的维护和巷道的稳定具有重要意义,煤层极限平衡区的应力分布符合正指数规律。近年来的大量研究表明，煤体具有明显的应变软化特性，当应力超过其极限强度后，强度逐渐下降，直至残余强度为止。理想弹塑性软化模型(图3-8(a))反映了其强度与变形特征，即有弹性变形、塑性软化变形和流动三个阶段，煤体中相应地存在弹性区、塑性区和松动区(图3-8(b))。

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图3-8 煤体变形分区与极限平衡区应力分布

2）巷旁煤体对顶板岩层活动的适应性

巷旁煤体在对顶板岩层起支承作用的同时，也必须适应项板岩层的下沉运动，也就是说，巷旁煤体既要有“顶”的作用，以减小巷旁支护的载荷，又要有“让”的作用，保持顶板岩层的完整性。

在许多应用沿空留巷技术失败的工作面，其原因是由于巷内支护与巷旁支护的性能不适应造成的，尤其是对顶板下位岩层稳定的重要性认识不够。下面以单一岩层情况进行分析，如图3-9所示。

图3-9 顶板折断示意图

使岩层不会沿煤壁B处发生折断，则须满足条件，

成立，则对于中硬顶板就易出现沿煤壁处的折断。巷旁煤体对沿煤壁折断的岩层不再

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起到支承作用，这部分载荷转移到巷旁支护上，无疑又加大了巷旁支护阻力P，对巷旁支护材料的力学性能提出了更高的要求。因此，保证巷旁煤体与顶板岩层下沉量充分适应，发挥煤体对顶板岩层的承载能力，减少巷旁支护阻力。可以从两方面保证煤体与顶板运动的适应性，一方面，可以改善巷旁支护材料性能，完善巷旁支护工艺，如采用初撑力高、增阻速度快的支护材料，做到及时支护，防止顶板层与层之间出现离层等，以减小顶板岩层在巷旁支护处的下沉量Sc值。另一方面，可以采取巷旁煤体靠顶板上部进行巷道卸压(如钻孔、切槽、小面积爆破等方法)，人为松动这部分煤体，使之能适应顶板岩层的下沉。同时，采用巷道卸压，还可把沿空留巷巷旁煤体附近的应力峰值转移到煤体深部，也就是说，增大了煤体松动区宽度，即增大了巷帮煤体对顶板的支承弯矩MQ。但采用巷帮卸压的沿空留巷煤壁的水平移近量和顶板岩层的下沉量明显增大。因此，虽然巷旁煤体充分适应了顶板岩层的下沉运动，降低了顶板岩层沿煤壁断裂的危险性，但却以顶板下沉量的增大为代价，因此从根本上改善沿空留巷状况，还应从巷旁支护材料着手。

煤帮的变形是由于煤体内部的松动和煤体沿煤层界面被挤出而引起的，在采动影响下，煤体发生剪切破坏，由于剪切扩容效应，煤体会发生侧向膨胀，煤壁会出现片帮，控制煤体松动和被挤出是煤帮锚杆支护的目的。

煤帮采用锚杆支护时，由锚固头与托板一起对煤帮施加托锚力。锚杆作用力P可分解为剪切面的切向力P1和法向力P2，如图3-10所示。

图3-10 帮锚杆支护示意图

P1减小了剪切面上的剪切力，P2增大了剪切面上的正应力，因而有利于控制煤体内的剪切破坏，也有利于控制煤体的松动。另外，由于煤帮锚杆对其作用范围内的煤

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体提供轴向约束和径向约束，轴向约束强阻止煤体松动，径向约束力是杆体和锚固头所提供的抗剪力，它对控制煤体内部的剪切破坏起到一定的作用，在沿空留巷中，由于巷道受回采动压影响严重，顶板岩层下沉和平移量都很大，煤帮锚杆要完全阻止煤体挤出是不现实的。即使在普通回采巷道中，现场观测也发现，采用锚杆支护，两帮煤体仍会被挤出，但是由于锚杆的作用，煤体挤出的位移量减小。煤帮锚杆的作用是控制煤体浅部的变形破坏，由于锚杆的夹紧作用，使得锚杆所控制长度范围内的煤体变形达到同步，从而使煤体组成一个既能承受顶压，又能在水平方向上呈整体移动的承载层。应当注意 ，煤帮采用锚杆加强巷旁煤体与在煤帮靠顶板处进行卸压和增大巷旁煤体松动区并不矛盾，在煤帮靠顶板处卸压确实扩大了煤体的松动范围，但这仅仅是巷旁煤体的一小部分，从整体上看对巷旁煤体的影响并不大，而煤帮锚杆支护也不阻止巷旁靠顶板处煤体为适应顶板下沉而需要获得的压缩量。

由上述可知，煤帮锚杆主要是抑制因剪切破坏而造成巷帮煤体的松动和挤出，因此，煤帮锚杆应穿过巷旁煤体的松动区，且应有足够的长度L:

L?L1?x0?L2

式中，L1——锚杆外露长度;

L2一锚杆通过松动区以外的最小锚固长度，取L2=350mm。

从目前我国回采巷道煤帮锚杆的使用情况来看，大多采用钢锚杆，有些情况下，预紧力不够，支护作用不大。预紧力不够对煤体的早期松动不起锚固作用，等锚杆起作用时，煤体己发生松动，锚固力太小，又不能约束煤体的松动和被挤出，因此，在采用煤帮锚杆支护时应加强施工质量的监控，以期取得良好的支护效果。

3.5.2巷旁煤体加固 副帮岩体内在未打设锚杆段补强锚杆支护，采用?18mm×1600mm圆钢锚杆，间排距800×800mm，采用150×150×10mm铁托板。采用一节Z2370型中速树脂锚固剂锚固。

正帮岩体内补强?20mm×2400mm螺纹钢锚杆，间排距800×800mm，配14号槽钢，长度1200mm，槽钢竖向放置。

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3.6巷旁支护设计 3.6.1巷旁混凝土支护厚度设计 1）支护体载荷计算

计算混凝土支护体载荷采用的“分离岩块法”，该方法的理论依据是沿空巷道和支护体上方一定范围内分离岩块的重量构成了支护体载荷。

顶板围岩tgθH50.+x）CbbB+（0.5W煤层θqα

图3-11 留巷矿压计算模型

q?8htg??2(bB?x?bC)h(bB?x?bC)?s?cos? ?xbB?0.5x式中:q—支护体载荷；

bB—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，计算可得该距离为4m；

x—支护体的宽度，本次支护取1m；

bC—支护体外侧悬顶距，该距离为0.5m；

?s—岩块重度，取直接顶石灰岩的重度26.7kN/m3；

h—采高，本次支护为1.6m；

?—剪切角，根据经验选取为26°；

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?—煤层倾角，为4°；

H—冒落高度，根据经验选取4h，为6.4m。 计算可得支护厚度为1m时支护体的载荷为

8?1.6?tg26??2?(4.5?1?0.5)3?(4.5?1?0.5)?26.7?cos4?q?? =1749kPa

14.5?0.5?1即单位长度、支护厚度1m的支护体载荷为N1=1750kN。 考虑到采动影响，混凝土墙厚度计算公式如下：

k3k2Fw?

1?kS?1?式中：w——墙体宽度，m；

k3——安全系数，取

2；

k2——墙体强度降低系数，取0.25；

k1——采动影响压力可靠系数，2～4，一般取3；

S——墙体凝固强度，Mpa，取C20，极限设计强度15MPa。

w?k2F2?3?1.75??0.92m

?1?k1?S?1?0.25??15考虑一定的安全系数及经验，取混凝土厚度为1m。 2）支护体承载力验算

模型柱高1.6m，短边长1.2m，构件的长细比为1.6/1=1.6，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：

N2?0.9??fcA 式中：N2—支护体的承载能力；

?—构件的稳定系数，取1.0；

fc—混凝土的轴心抗压强度，C20时为15N/mm2；

1000mm。 A—截面面积，为1000mm×计算可得支护体的承载能力为

N2?0.9?1.0?15?1000?1000?13500KN=1350吨

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每米混凝土连续墙承载能力为13500kN，大于支护体的载荷5250kN，安全系数为2.5，因此可视为支护结构安全。

3.6.2 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%～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180～220mm。混凝土设计标号C20，配合比为：

表3-1 柔模泵注混凝土配合比

材料 质 量（kg/m3） 水泥 450 砂 800 碎石 900 水 216 粉煤灰 120 柔模专用外加剂 1.6 水 216 （1）柔模泵注混凝土组成材料的质量指标 1）水泥。目前，国内混凝土所使用水泥主要是“普通水泥”中的324号、425号和425R标号，以及“硅酸盐水泥”中的425R标号等。其强度指标见表3-2，其特性见表3-3，常用的混凝土强度等级见表3-4。

表3-2用于柔模泵注混凝土中的水泥强度指标

水泥名称 普通水泥 硅酸盐水泥 28d强度（MPa） 抗压 325 32.5 42.5 425、425R 425R 42.5 表3-3 混凝土中的水泥特性 标号 密度硬化 （g/cm3） 3.0~3.15 — 3.0~3.15 快 早期强度 高 高 水化热 高 高 2011年5月

抗折 5.5 6.5 6.5 耐腐蚀性 强 较强 耐硫酸盐类侵蚀 较差 — 水泥名称 普通水泥 硅酸盐 水泥 抗冻性 好 好 耐热性 较差 较差 26

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表3-4常用的柔模泵注混凝土强度等级

柔模混凝土强度等级 水泥标号 C15 325~425 C20 425、425R C25 425R C30 425R、525 2）砂——柔模泵注混凝土细骨料。砂作为柔模泵注混凝土的细骨料，主要起架构作用。柔模泵注混凝土中的砂主要采用天然河砂；对于能源矿山的砂，也应将其含矿物质除去后方可应用（表3-6）。另外，柔模泵注混凝土用的砂多为中、粗砂，相应细度模数见表3-5。再者，砂在柔模泵注混凝土中的级配（表3-7），通常采用1区或2区；砂的质量分优等品与一等品，多用于柔模泵注混凝土，并与其强度相匹配（表3-8）；三种等级砂的质量标准见表3-8。

表3-5柔模泵注混凝土中砂的规格分类

规 格 细度模数 粗 3.7~3.1 中 3.0~2.3 细 2.2~1.6 特细 1.5~0.7 表3-6柔模泵注混凝土细骨料质量指标 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 项目 表观密度 堆积密度 孔隙率 云母含量 含泥量（粘、粉粒） 碱活性骨料含量 硫酸盐及硫化物含量（换算成SO） 有机质含量 轻物质含量 细度 细度模数 平均粒径 3指标 >2.55g/cm3 >1.50g/cm3 <40% <2% <3% <1% 浅于标准色 ≤1% 2.5~3.5为宜 0.36~0.5mm为宜 6%~12%为宜 备注 不允许存在粘土块、粘土薄膜； 有碱活性骨料时，应做专门试验论证 人工砂不允许存在 人工砂中石粉含量 常态混凝土 2011年5月

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表3-7柔模泵注混凝土中砂的颗粒级配区

筛孔尺寸（mm） 孔型 10.000 5.000 2.500 1.250 0.630 0.315 0.160 圆 圆 圆 方 方 方 方 累计筛余（%） 级配1区 0 10~0 35~5 65~35 85~71 95~80 100~90 级配2区 0 10~0 25~0 51~10 70~41 92~70 100~90 级配3区 0 10~0 15~0 25~0 40~16 85~55 100~90 表3-8柔模泵注混凝土强度与砂、石子质量等级的匹配 柔模混凝土强度等级（MPa） 砂、石子质量等级 高强、高性能 优等品 ≥C20 一等品 ≤C10 合格品 表3-9三个等级柔模泵注混凝土中砂的质量标准 等级 项目 含泥量，小于（%） 粘土块，小于（%） 云母，小于（%） 硫化物与硫酸盐（以SO3计），小于（%） 氯化物（以NaCl计），小于（%） 坚固性（硫酸钠溶液浸渍法，其质量损失），小于（%） 优等品 2.0 0.5 1.0 0.5 0.03 8 一等品 3.0 1.0 2.0 1.0 0.1 10 合格品 5.0 1.0 2.0 1.0 —— 10 试验后，试件无裂缝酥裂、胶体碱 集 料 反 应 外溢。经养护6个月膨胀率值小于0.1% 3）石子——柔模泵注混凝土粗骨料。石子，包括碎石，在柔模泵注混凝土中主要起架构作用。

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表3-10 柔模泵注混凝土中石子颗粒的级配

筛孔 尺寸 公称 粒径 5~10 5~16 连5~20 续5~25 粒5~31.5 级 5~40 筛孔 尺寸 公称 粒径 5~10 5~16 单5~20 粒5~25 粒5~31.5 级 2.50 95~100 95~100 95~100 95~100 5.00 80~100 90~100 90~100 90~100 10.0 0~15 30~60 40~70 16.0 0 0~10 30~70 20 0 0~10 15~ 45 30~ 60 25 0 0~5 31.5 40 0 50 63 80 100 95~100 90~100 70~90 95~100 95~100 75~90 0~5 0 0~5 0 2.50 5.00 10.0 16.0 20 25 31.5 40 50 63 80 100 0 0~10 0 0~5 0 15~ 95~100 90~100 70~90 0~5 0 45 30~ 5~40 95~100 95~100 75~90 0~5 0 60 同时，石子的极限强度应不小于柔模泵注混凝土强度的1.5倍，并且不应小于45MPa；石子的有害物质含量应按表3-11所列的等级加以控制选择。

表3-11 柔模泵注混凝土中石子的有害物质含量指标（%）

等级 优等品 一等品 项目 15 20 针片状颗粒，小于 0.5 1.0 泥，小于 0.25 0.25 粘土块，小于 0.5 1.0 硫化物与硫酸盐（以SO3计），小于 0.03 0.1 氯化物（以NaCl计），小于 8 坚固性（用硫钠溶液浸渍5个循环后，其质量损5 失），小于 柔模混凝土粗骨料——石子质量指标，可由表3-12所列参考实施。

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95~100 95~100 95~100 95~100 80~100 90~100 90~100 90~100 0~15 30~60 40~70 0 0~10 30~70 合格品 25 1.5 0.5 1.0 — 12 29

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表3-12柔模泵注混凝土粗骨料质量指标

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 项目 表观密度 堆积密度 孔隙率 吸水率 冻融损失率 针片状颗粒含量 软弱颗粒含量 含泥量 碱活性骨料含量 指标 >2.6g/cm3 >1.50g/cm3 <40% <2.5% <10% <15% <5% <1% 备注 不允许存在粘土团块、粘土薄膜；有则应做专门试验论证 有碱活性骨料时，应做专门试验论证 硫酸盐及硫化物含量≤0.5% （换算成SO3） 11 有机物含量 浅于标准色 12 粒度模数 宜采用6.25~8.30 4）粉煤灰。用于增强泵送混凝土的流动性，废物再利用。 5）外加剂。用于柔模泵注混凝土的外加剂主要有柔模专用外加剂，早强剂等。

3.6.3 柔性模板规格 柔模布上设有加筋绳以及混凝土厚度控制拉筋。设有锚栓孔、灌注口、可调节套筒、抽放孔（局部使用）。

柔模长2-4m，高≥浇筑高度，一般富余200mm， 柔模厚为混凝土厚度，即1000mm； 锚栓孔的间排距600mm×1000mm。

可调节套筒上缝制2～3个套筒，根据煤层厚度变化选择柔模挂吊高度。 灌注口为三层，内层至于柔模内侧，防止泵注满后漏浆，外二层与输送管绑扎连接，长度400mm。

柔模尺寸：高×宽×长=1.8×1×2m或高×宽×长=1.8×1×3m或高×宽×长=1.8×1×4m。 柔模挂设方法：靠采空区侧用木点柱吊挂柔模，混凝土墙靠巷内侧用单体吊挂。

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图3-12 柔模

3.7留巷滞后支护 在沿空留巷过程中，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超前、滞后支护。

据下峪口煤矿实际情况及其他矿的工程经验，21210回顺滞后支护选用单体配π型梁支护，一梁三柱，排距0.8m ,长度3.5m,滞后工作面支护距离40-60m；以防止回采过程中矿压显现对预留巷道的破坏。

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滞后支护60m正常段采空区1000600800500500600木点柱支架切顶线1200工作面图例挡矸网超前支护30m顶板金属网柔模混凝土锚栓木点柱π型梁锚杆W钢带补强φ17.8锚索原巷内φ15.24锚索单体2000100016004000 图3-13支护平面图 2011年5月

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3.8相比桑树坪煤矿改进之处

1、加强顶板支护

（1）巷内补强锚索由一排两根排距2m变为1.6m，两根锚索间采用W钢带。 （2）正帮肩窝处锚索长度由3.2m变为6.2m，排距由0.8m调整为1.2m。 2、改进设备配套

（1）井下配备上料机，减轻上料劳动强度，符合下峪口矿回采速度6m/天的需要。 （2）地面配备配料机，自动称重，精确计量，提高了工效，减少因配料配合比波动导致堵管的现象，为300m输送提供了重要保证。

（3）地面配备小型装载机，实现机械上料，大大提高了工效，减轻了劳动强度。 （4）地面配备烘干机，可实现全天候作业，不因雨天而影响施工进度及质量。

3.9 施工设计 3.9.1 施工材料 柔模泵注混凝土沿空留巷设计中所需的施工材料如表3-16所示。

表3-16柔模泵注混凝土施工材料

序号 1 2 3 4 5 6 7 材料名称 柔性模板 水泥 水 砂 石子 外加剂 粉煤灰 规格 1.0×1.8×2m（3m） 42.5R 淡水 中砂 用途或作用 控制混凝土支护体成型 混凝土中起胶结作用 用于拌和 混凝土中起骨架作用 碎石，5-16连续级配 混凝土中起骨架作用 泵送剂等 二级 获得合适的和易性 增强混凝土流动性 3.9.2 施工工艺及流程 柔模泵注混凝土沿空留巷施工工艺流程如图3-18所示。

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超前补强支护 干料运输 移架并支护浇筑空间 挂柔模 泵注混凝土 监测 留巷补强 回柱 下一循环 图3-14柔模泵注混凝土施工工艺流程图

3.9.3 施工设备及布置 柔模泵注混凝土沿空留巷需要大量混凝土，混凝土采用二次搅拌工艺，第一次在地面搅拌干料，二次在井下加水搅拌。地面干料装袋后通过矿车运至工作面。由于采用了二次搅拌工艺，需要干料的原材料干燥，以免混凝土料过早硬化。

（一）地面设备及布置 1、混凝土干料地面搅拌机选择

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混凝土干料地面搅拌设备主要有混凝土搅拌机，按实际需要进行选择，必须方便上料、装袋及装车。搅拌机必须放置厂房内。初步选择搅拌机型号为：JZC500。

2、厂房场地设计 （1）面积设计

厂房面积要满足存放干料及设备布置的要求，为保证项目实施过程中具有足够的干料，干料储备量应满足半个月的施工用量。依据每天进尺6m，日用混凝土20m3计算，则半个月混凝土用量为500 m3。厂房分室内与室外两部分，室内部分作为上料与储料之用，室外部分用于晾晒砂子、石子、粉煤灰。

设备放置于厂房内部，四周方便上料。

图3-15 混凝土搅拌机

（2）厂房高度设计

厂房高度不小于5m。由于搅拌机高度及混凝土配料机较高，厂房高度不小于5m。

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（3）运输线路设计

厂房需置于井口附近，轨道能顺利铺至厂房内部，且不影响正常生产。 3、设备及场地布置

堆料场20000砂子1500010000石子门房15000不可用场地15000烘干机水泥厂房粉煤灰配料机搅拌机溜槽水泥井口轨道至井口

图3-16场地布置示意图 （二）井下设备及布置

柔模泵注混凝土技术效果的关键是柔模混凝土的质量，这就要求柔模混凝土搅拌机的选择必须慎重。

1、混凝土搅拌机的选择与布置

将一定配合比的水泥、砂、石子和水等拌制成混凝土拌合物，装袋后用矿车将混凝土拌合物运送到工作面，通过混凝土输送泵灌注到柔性模板内。

考虑到井上、下联系不便，以及混凝土拌合物存放时间有限等因素，柔模泵注混凝土采用二次搅拌工艺。一次搅拌在地面集中搅拌站进行，使用常规搅拌机将水泥、砂、石子外加剂等拌合干料，将干料装袋用矿车运到工作面以后再使用搅拌机加水搅

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拌，搅拌机与混凝土输送泵连动，连续机械化作业。独立搅拌机至于混凝土泵后方。

图3-17 地面主要设备布置

柔模泵注混凝土技术施工时，对搅拌机的选择应依据“因地制宜”、“因时制宜”和“工程规模”来优化，其目的是确保施工质量和提高功效。

2、混凝土输送泵的选择

混凝土泵是柔模泵注混凝土支护技术的关键设备，由于井下作业的特殊性，对泵有以下要求：

（1）防爆；为了确保安全，井下作业时要求所有机械设备必须有防爆的性能，且要达到煤炭行业要求；

（2）外形尺寸；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1.5米为宜；

（3）高压小排量；高压实现300m泵送，小排量防止爆袋。以高压小排量为宜。 （4）满足混凝土强度要求。过长距离输送混凝土易赌管难处理，如降低石子粒径及含量，会大幅度降低混凝土强度，同时泵注不饱满，满足不了设计要求，影响留巷安全及效果。短距离输送易保证混凝土质量。

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试验研究中对混凝土泵的主要技术参数作为试验优化。 （1）输送量

输送量决定施工速度，输送量大，施工速度快。但要求的配套上料运输要及时。输送管直径越大，设备尺寸越大。据井下工作环境及断面大小输送量一般在15m3/h~30m3/h。

（2）泵送压力

一般混凝土泵压力在13MPa，高压条件容易损坏柔模，压力低输送距离短，易堵管，经试验井下使用一般4~12MPa为宜。

（3）输送管直径

对输送管，试验选用Φ125、Φ100和Φ80。Φ125输送通畅，但笨重，工人操作不便，Φ80虽轻便但易堵管。针对桑树坪矿运输巷道特点，初选定用Φ125管道。

3、设备方案

序号 设备名称 1 矿用混凝土泵 2 地面给料机 3 地面搅拌机 4 5 6 7 合计 混凝土输送管 上料机 烘干机 小型装载机 规格及型号 HBMG-25/12-75s HPD1200 JS500 ?125 ?1.5×15m，15KW 单位 台 台 台 米 台 台 台 数量 1 1 1 400 1 1 1 计算单价 80 6 5 0.019 5 30 9 预算经费 80 6 5 7.6 5 30 9 142.6万元 （4）施工设备布置

混凝土泵与上料机布置在回风巷，利用矿车将干料输送至回风巷上料机旁，搅拌槽再将搅拌好的混凝土输入混凝土泵的料斗内，通过混凝土泵送管路将混凝土注入回风巷端头柔模内；如图3-15所示。

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滞后支护区域沿空留巷区域40-6030m超前支护区域30-270m上料机布置处回风巷混凝土泵送管工作面推进方向采空区混凝土泵布置处运输巷

图3-18 柔模泵注混凝土沿空留巷井下施工设备布置

图3-19 柔模泵注混凝土沿空留巷上料机

3.9.4 施工要点 柔模泵注混凝土沿空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的施工三个部分。

（一）浇筑空间支护

1、生产班端头支护工在每次移架后用单体支柱配合π型钢梁对柔模预浇筑空间

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及时进行支护，架尾打三排单体柱，单体柱间距500mm，排距500mm；将π型钢梁一端嵌入端头支架顶梁，π型钢梁悬挑部位用单体支柱进行支护，π型钢梁长度2000mm。

2、挂模处靠采空区侧一排单体用木点柱替换，替换时严格遵循先支后回作业程序。木柱上挂挡矸网，木点柱直径200 mm，中对中间距500mm，排距500mm。打设木柱时直接把金属网挤压到顶板上，金属网要从顶至底全断面铺设；网搭接不得小于0.2m，以保证搭接牢靠。

3、回撤挂模处中间排单体。 （二）柔性模板施工 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，规格为2m×1m×1.80 m，两层距离为1000mm；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350mm，泵注口内外层长度不小于300mm。

2、柔性模板挂设

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；对于虚底要进行加固处理。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，以防泵注过程中柔性模板胀破。

图3-20 柔模挂设照片

（三）混凝土泵送设备及管道布置

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1、混凝土泵设置处，应场地平整坚实，道路畅通，供料方便，距离浇筑地点近，便于配管，接近排水设施和供水、供电方便。

2、混凝土输送管，应根据工程和施工场地特点、混凝土浇筑方案进行配管。宜缩短管线长度，少用弯管和软管。输送管的铺设应保证安全施工，便于清洗管道、排除故障和装拆维修。

3、在同一条管线中应采用相同管径的混凝土输送管，同时采用新、旧管段时，应将新管布置在泵送压力较大处，管线宜布置得横平竖直。应绘制布管简图，列出各种管件、管连接环、弯管等的规格和数量，提出备件清单。

4、混凝土输送管应根据粗骨料最大粒径、混凝土泵型号、混凝土输出量和输送距离以及输送难易程度等进行选择。输送管应具有与泵送条件相适应的强度。应使用无龟裂、无凹凸损伤和无弯折的管段。输送管的接头应严密，有足够强度并能快速装拆。

5、倾斜向下配管时，应在斜管上端设排气阀，当高差大于20m时，应在斜管下端设5倍高差长度的水平管，如条件限制可增加弯管或环形管，满足5倍高差长度要求。

6、混凝土输送管的固定，水平管宜每隔一定距离（10m）用地锚等固定，防止混凝土管跳动产生堵管。 7、管道接头卡箍处不得漏浆。

8、应定期检查管道特别是弯管等部位的磨损情况以防爆管。 （四）混凝土的泵注施工

1、混凝土泵送施工时，应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。

2、混凝土泵的操作人员必须经过专门培训合格后方可上岗独立操作。 3、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。

4、混凝土泵与输送管连通后，应按所用混凝土泵使用说明书的规定进行全面检查，符合要求后方能开机进行空运转。

5、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

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等直接与混凝土接触部位。

6、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。

7、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。

8、泵送应连续进行如必须中断时其中断时间，不得超过混凝土从搅拌至浇筑完毕所允许的延续时间。

9、泵送混凝土时如输送管内吸入了空气应立即反泵吸出混凝土至料斗中重新搅拌排出空气后再泵送。

10、泵送混凝土时水箱或活塞清洗室中应经常保持充满水。

11、当混凝土泵出现压力升高且不稳定，油温升高，输送管明显振动等现象而泵送困难时，不得强行泵送并应立即查明原因，采取措施排除。可先用木槌敲击输送管弯管锥形管等部位，并进行慢速泵送或反泵防止堵塞。

12、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；用木槌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；当上述两种方法无效时，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。

13、混凝土泵送即将结束前应正确计算尚需用的混凝土数量并应及时告知混凝土搅拌处。

14、泵送过程中废弃的和泵送终止时，多余的混凝土应按预先确定的处理方法和场所及时进行妥善处理。

15、泵送完毕时应将混凝土泵和输送管清洗干净。

16、排除堵塞重新泵送或清洗混凝土泵时，布料设备的出口应朝安全方向，以

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防堵塞物或废浆高速飞出伤人。

17、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。

浇注混凝土的过程中应注意以下事项：

（1）在每模刚开始浇注时打水洗管、后采用砂浆润滑输送管及柔模，增加混凝土的流动性，防止堵管。

（2）混凝土输送过程中； （3）确保顶部填充密实。

图3-21 柔模泵注照片

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3.9.5 劳动组织 序号 1 2 3 4 5 6 7 合计 工种 泵送工 泵司机 井下上料工 地面上料工 运料工 技术员 班队长 出勤人数 2 1 8 5 3 1 2 22 工作内容 挂设柔模及泵送管路连接可靠 负责开泵 井下搅拌机处上料、挂柔模、接管 地面晒料、上料、拌料、装袋 负责地面至井下泵站运料 负责沿空留巷相关技术工作 负责协调及督导工作

3.9.6 检测 （一）检测项目

检测项目分为必测项目和选测项目。必测项目是现场检测的核心，它是设计、施工等所必要进行的经常性检测项目。该项目主要做了以下检测：

（1）原材料质量检测 （2）锚杆锚索拉拔力测试 （3）位移监测 （4）混凝土强度检测 （5）混凝土压力量测

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（二）主要原材料质量检测

（1）水泥质量送检测站检测。 （2）砂子质量送检测站检测。 （3）石子质量送检测站检测。 （三）锚杆拉拔力检测

为了检测锚杆最大锚固力，并根据抗拔力指导设计，进行了锚杆拉拔力试验，试验仪器为锚杆拉拔仪（数显）。 （四）混凝土支护强度检测

试验应用开始阶段，为了保证工程质量，检测混凝土强度，委托矿区工程质量监督站建筑材料检测室对混凝土强度进行检测。 （五）位移监测

1、位移监测总体设计

在地下工程检测中，位移监测（包括收敛监测）是最有意义和最常用的项目，作为工程监控手段的现场监测，其目的在于了解围岩的动态过程、稳定情况和支护系统的可靠度，是直接为支护系统的设计和施工决策服务的。监测规划是否合理，不仅仅决定了这种现场监测能否顺利进行，而且关系到监测结果能否反馈于工程的设计和施工，同时也可验证及完善室内模型试验和FLAC数值模拟计算所得的主要结论。

位移监测内容： （1）混凝土高度及变化 （2）巷道中高 （3）巷道两帮宽度 2、位移稳定标准

巷道稳定性判定依据为：巷道位移量小于允许位移量、巷道收敛速率小于允许收敛速率。

不同的围岩特性，巷道围岩稳定的允许位移量和允许的收敛速率是不同的。确定此值，需要通过大量的现场实测数据，进行统计分析和验证。采用两次支护的地下工程后期支护的施作应在同时达到下列两项标准时进行：

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