鋼管混凝土墩柱沿空留巷技術(shù)與工藝

申玉三 ，武 凱 ，張 濤 ，黃萬朋 ，王 軍 ，董勤凱 ，夏志村

（1.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.臨礦集團魯西煤礦，山東 濟寧 273512；3.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟南 250100）

沿空留巷作為一種無煤柱護巷方式，在減少巷道掘進量、緩解礦井采掘接替緊張等方面具有很大的優(yōu)勢。在沿空留巷技術(shù)中，巷旁支護體主要起到支撐上覆圍巖與隔離采空區(qū)的作用，是沿空留巷技術(shù)成功與否的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，我國煤礦井下常用的巷旁支護體有：密集單體支柱、矸石墻、充填體墻等[1-2]。根據(jù)充填材料不同，巷旁充填體墻又包括高水速凝材料充填體墻、膏體材料充填體墻、柔模充填體墻和快硬混凝土充填體墻等[3-8]。上述巷旁支護結(jié)構(gòu)在特定的工程條件下均取得過一定的成功應(yīng)用，并得到了一些重要的成果；但同時也存在支護阻力不高、留巷工藝復(fù)雜等一系列問題[4,9]，不能實現(xiàn)高應(yīng)力條件下的高效沿空留巷工程。針對上述問題，近幾年又發(fā)展了鋼管混凝土墩柱沿空留巷技術(shù)，該技術(shù)具有承載力高、成本低、施工工藝簡單、留巷速度快的特點。黃萬朋[10]等在鋼管混凝土墩柱結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出了1種“鋼管混凝土支柱＋柔性墊層”的新型沿空留巷巷旁支護結(jié)構(gòu)，研究了其力學(xué)性能，推導(dǎo)出支護阻力運算公式。王軍[11]等給出了巷旁支護體支護阻力與合理壓縮量計算公式，提出了1種鋼管混凝土墩柱與矸石墻相結(jié)合的沿空留巷技術(shù)，并進行了墩柱承載能力實驗。

在上述研究的基礎(chǔ)上，建立了以鋼管混凝土墩柱為巷旁支護承載主體的新型沿空留巷支護結(jié)構(gòu)，為深部高應(yīng)力礦井提供了1種快速有效地沿空留巷支護方案。相比與傳統(tǒng)的巷旁支護體，鋼管混凝土墩柱巷旁支護結(jié)構(gòu)具有支護強度大、經(jīng)濟效益好、安全高效的優(yōu)點。通過現(xiàn)場工程應(yīng)用，設(shè)計了具體的施工工藝流程，為深部高應(yīng)力礦井提供一種安全高效的沿空留巷支護技術(shù)。

1 工程地質(zhì)概況

魯西煤礦當(dāng)前南翼采區(qū)資源儲量已十分有限，北翼采區(qū)由于地質(zhì)勘探情況不詳，以及開拓工程量較大等制約因素，嚴(yán)重影響了整個礦井的生產(chǎn)接續(xù)；如何提高煤炭采出率、降低煤層開采中的萬噸掘進率、協(xié)調(diào)好礦井的采掘接續(xù)關(guān)系已成為當(dāng)下魯西煤礦所面臨的重要問題。因此尋找1種能夠在深部高應(yīng)力礦井快速有效地沿空留巷支護方式已成為魯西煤礦解決當(dāng)前自身問題的首選。

1.1 預(yù)留巷道情況

魯西煤礦3下A02工作面位于-300水平，標(biāo)高-243.4～-287.3 m。工作面平均走向長778 m，傾斜長122 m。東部為3下A05工作面（未采），西部臨A03工作面（采空區(qū)），工作面布置和支護情況如圖1。工作面開采3下煤層，平均煤厚2.09 m，平均傾角4°。擬留巷道為工作面軌道巷，該巷道斷面為矩形，寬3.8 m，高2.6 m。巷道采用錨網(wǎng)索支護形式作為永久支護，頂部選用樹脂錨桿配金屬網(wǎng)支護，兩幫為全螺紋錨桿配金屬網(wǎng)支護；兩幫錨桿間排距900 mm×1 000 mm，最上排錨桿角度上仰15°，最下排錨桿角度下俯15°；頂部錨桿間排距800 mm×900 mm，兩側(cè)錨桿向幫部外偏15°。巷道為加強支護特采用直徑為17.8 mm，長6.5 m的錨索，支護錨索為2 m 1根，當(dāng)頂板破碎時加強為1 m 1根。

1.2 工作面圍巖結(jié)構(gòu)

根據(jù)圍巖柱狀圖分析，3下煤層頂板主要為粉砂巖、細粒砂巖、泥巖為主。其中直接頂為3.7 m厚的粉砂巖，硬度系數(shù)f＝4～6；直接頂與煤層之間間雜賦存不穩(wěn)定的偽頂結(jié)構(gòu)，巖性為泥巖，厚度0～3.25 m，平均厚度1.15 m，硬度系數(shù)f＝3～4；基本頂為11.59 m的細粒砂巖，硬度系數(shù)f＝4～6。根據(jù)圍巖結(jié)構(gòu)情況分析，A02工作面上覆巖層組成結(jié)構(gòu)較為簡單，覆巖組合結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，巖層穩(wěn)定，有利于沿空留巷工程實施，具體圍巖情況見表1。

圖1 工作面布置及留巷斷面

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2 鋼管混凝土墩柱沿空留巷技術(shù)方案

2.1 技術(shù)簡介

針對魯西煤礦A02工作面工程地質(zhì)條件，設(shè)計的具體留巷技術(shù)方案為：采用鋼管混凝土墩柱作為主要巷旁支護結(jié)構(gòu)對頂板進行有效支撐；在墩柱上方預(yù)留一定空間增加木楔作為柔性讓壓墊層；采用菱形網(wǎng)+風(fēng)筒布+矸石袋作為采空區(qū)的隔離措施，以防止瓦斯等有害氣體和矸石進入預(yù)留巷道。在工作面推進的過程中，為給后方架設(shè)墩柱留有充分的時間和空間，保證巷道內(nèi)圍巖的完整，預(yù)設(shè)計在巷道貼近煤壁側(cè)打1排控頂錨索，將直接頂懸吊在上方堅硬穩(wěn)定的巖層內(nèi)；在頂板巖層活動劇烈期間，臨時增設(shè)單體液壓支柱加強支護，本方案巷內(nèi)加強措施為使用4排單體液壓支護進行輔助支護[12]。沿空留巷巷旁支護布置如圖2。

2.2 沿空留巷巷旁支護參數(shù)設(shè)計

2.2.1 墩柱設(shè)計的選型

圖2 沿空留巷巷旁支護布置方案

沿空留巷圍巖受力與變形受到上覆巖層運動的影響，在懸頂狀態(tài)下，上覆巖層進行回轉(zhuǎn)、破斷及擾動等一系列運動，使得巷旁支護主體既需要足夠的強度切斷足夠高度的頂板，又需要足夠的變形能力適應(yīng)基本頂?shù)南鲁羀13-15]。根據(jù)巷道圍巖結(jié)構(gòu)及力學(xué)計算分析，得到鋼管混凝土墩柱所需提供的最小支護阻力為4 220 kN。根據(jù)對巷旁支護阻力計算需求，同時參考鋼管混凝土墩柱理論計算與實際測試極限承載力，選擇Q235等級的管材以及φ299 mm的管徑的鋼管配合C40等級的混凝土組合的鋼管混凝土支柱，通過對該組合短柱的實驗測試，得到該短柱極限承載力為6 700 kN；結(jié)合現(xiàn)場巷道的具體寬度、高度，結(jié)合預(yù)留讓壓距離，得出在當(dāng)前巷道需要高度為2.8 m支柱。由于沿空留巷所用支護屬于長柱范疇，需要考慮偏心受壓以及長細比折減系數(shù)，根據(jù)折減系數(shù)計算，最終確定取0.78的折減系數(shù)[16]，求出墩柱極限承載力能達到5 226 kN，確定鋼管混凝土選型符合現(xiàn)場實際支護要求。

2.2.2 墩柱布置

根據(jù)巷道圍巖結(jié)構(gòu)及力學(xué)計算分析，得到采用1排鋼管混凝土支柱即可滿足巷旁支護阻力的要求，為了達到最優(yōu)的巷旁支護效果，并有效降低支護材料的成本，設(shè)計相鄰支柱的中心間距為600 mm?！敖o定變形”位態(tài)下，基本頂在巷道的實體煤側(cè)斷裂，假設(shè)基本頂以煤體彈塑性交界面處為旋轉(zhuǎn)軸斷裂[5,17-19]，鋼管混凝土墩柱巷旁支護結(jié)構(gòu)對基本頂鉸接巖梁實行“給定變形”[20]的位態(tài)控制，因此鋼管混凝土支柱與頂板間預(yù)留200～300 mm的讓壓空間，以楔形木墊塊進行填充，允許基本頂巖梁進行適量的彎曲下沉，從而對覆巖頂板進行有效讓壓，提高巷旁支護效果。墩柱布置如圖3。

2.2.3 控頂錨索與隔離措施

圖3 墩柱布置

在工作面推進過程中，由于自移式液壓支架等機械設(shè)備的影響，會造成巷道頂板在鋼管支柱尚未支起時出現(xiàn)塌落、破碎等危險。為防止巷道頂板破碎、塌落，在工作面前20 m靠煤壁側(cè)（100～200 mm）補打1排加強錨索，錨索間距為1 250 mm，長度為6 500 mm，每2根錨索共用1段錨索梁，錨索梁長度為1 500 mm，鎖孔距梁端頭125 mm，單排設(shè)置；為了防止采空區(qū)垮落矸石以及瓦斯進入預(yù)留巷道內(nèi)，在相鄰支柱間采用鐵絲網(wǎng)+風(fēng)筒布+矸石袋等措施對采空區(qū)進行隔離?？仨斿^索具體布置如圖4。

圖4 控頂錨索布置

2.2.4 巷內(nèi)加強支護措施

在經(jīng)歷一次采動影響階段時，沿空留巷圍巖受力與變形受到上覆巖層運動的影響，要求所留巷道中的支護體必須快速增阻，進而保持恒阻的工作狀態(tài)[17-20]。而鋼管混凝土墩柱前期因為尚未注漿或漿液結(jié)實性不夠以及此時墩柱受力時是其上方的木楔塊先讓壓壓縮，支護阻力較小等原因不能完全滿足巷道支護的要求，因此才增加巷內(nèi)的單體液壓支柱進行臨時加強支護。單體液壓支柱在滯后工作面50 m的范圍內(nèi)使用一梁三柱形式，排間距為800 mm，同時在煤壁一側(cè)立1排單體液壓支柱，共4排單體液壓支柱進行加強支護；在滯后工作面50～100 m的范圍內(nèi)，使用3排單體液壓支柱的方式進行支護。單體液壓支柱布置如圖5。

3 現(xiàn)場施工工藝

圖5 單體液壓支柱布置

鋼管混凝土墩柱沿空留巷施工過程中，主要包括以下幾個步驟：安裝控頂錨索、掛鐵絲網(wǎng)、架設(shè)墩柱、墩柱灌注、安放矸石袋、架設(shè)單體等。具體施工流程如圖6。

圖6 施工工藝流程

3.1 控頂錨索的施工

錨索的位置為靠近采空區(qū)側(cè)，在離預(yù)留巷道上幫200 mm處打1排φ18 mm×8 000 mm錨索，錨索梁長度1 500 mm，鎖孔距梁端頭250 mm，單排設(shè)置，每2根錨索共用1段錨索梁。錨索盡可能垂直向上打入，若施工困難可以向采空區(qū)傾斜，傾斜角度不超過10°，控頂錨索需提前工作面20 m進行掛線施工。

3.2 架設(shè)空鋼管墩柱

本方案采用割一刀安裝1個鋼管墩柱的方法進行架柱工作，架設(shè)墩柱前先在預(yù)放墩柱處使用風(fēng)鎬開挖1個深度為30 cm左右400 mm×400 mm的基坑，然后將空鋼管放到指定位置附近，在坑底安放1塊底腳板（盡可能水平），使用手動葫蘆（倒鏈）將空鋼管墩柱人工豎起（鋼管混凝土墩柱支設(shè)必須垂直頂?shù)装澹?，空鋼管墩柱間距600 mm，頂部焊有薄鋼板作為上部托盤，增加控頂面積，厚度不超過5 mm，鋼板之上以木楔觸頂，木楔頂在菱形網(wǎng)上（木楔總厚度不得小于200 mm），并將瓦斯記錄儀按照規(guī)定距離懸掛在墩柱旁邊的頂板上，然后將矸石裝袋堆放到指定位置。

3.3 墩柱灌注混凝土

為了不影響正常開采工作以及保證施工人員的充足，具體灌注時間為維修班（早班），以集中注漿的形式進行施工。采用礦用混凝土輸送泵向墩柱內(nèi)灌注混凝土，泵送頂升法施工，其中混凝土施工設(shè)計比例為水泥∶沙∶碎石∶減水劑∶水 =1∶1.2∶2.3∶0.02∶0.42，其中水泥為425＃普通硅酸鹽水泥以及快硬硫（鐵）鋁酸鹽水泥（其中快硬硫（鐵）鋁酸鹽水泥占總水泥的20%）、粗骨料選用粒徑15～25 mm的碎石，細骨料采用優(yōu)質(zhì)河砂。鋼管墩柱混凝土的灌注要及時并保證灌注質(zhì)量，1次灌注根數(shù)不得超過9根，且鋼管墩柱在灌注前要用戧柱固定，以防在注漿過程中發(fā)生歪斜。注漿施工布置如圖7。

圖7 注漿施工工藝

3.4 輔助支護措施

輔助支護是為了確保在上覆巖層壓力重新分布時鋼管不變形，故在沿空留巷后應(yīng)加強支護。加強支護采用單體液壓支柱配合鉸接頂梁垂直煤壁方向支設(shè)4排單體液壓支柱，支設(shè)時要拉線支設(shè)，支柱顆顆穿鞋，柱距1.2 m（±100 mm）。隨著工作面推進，要求及時回柱，始終保持50 m的拖后距離（柱排距如圖5）。

4 留巷效果分析

為了準(zhǔn)確掌握鋼管混凝土墩柱沿空留巷技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用效果，在回采過程中對所留巷道的巷道整體變形量、頂板離層值等內(nèi)容進行了實際監(jiān)測。

沿空留巷觀測共布置2類測區(qū)，包括頂板離層監(jiān)測測區(qū)、巷道表面位移監(jiān)測測區(qū)，用以監(jiān)測留巷表面整體變形情況、評價留巷效果。

巷道頂板離層觀測區(qū)：以工作面切眼為起始位置（第1根鋼混支柱處），每間隔15 m設(shè)5個觀測站，分別位于切眼前方 15、30、45、60、75 m 處并開始對其編號。在每個測點頂板上安裝頂板離層指示儀，用以檢測頂板離層量。頂板離層儀布置如圖8。

巷道表面位移監(jiān)測測區(qū)：在巷道頂板離層觀測區(qū)附近布置巷道表面位移觀測點，分別位于工作面前方（以第 1根鋼混支柱為起始位置）15、30、45、60、75 m…左右的巷道表面對巷道位移變形特征進行觀測，包括頂?shù)装逡平?、兩幫移近量等，觀測方法為十字布點法。

圖8 頂板離層儀布置

取12號測點（距開切眼180 m左右）作全變形典型曲線，該測點超前工作面25 m起測，至工作面推進后159 m后停止監(jiān)測，因此能較好的描述在整個回采影響下的巷道變形的全過程。頂板下沉與兩頂離層量如圖9，頂板移近速度如圖10。

圖9 頂板下沉與兩頂離層量

圖10 頂板移近速度

由圖9、圖10可知，隨著工作面的推進，留巷圍巖變形可以分為以下3個階段，第 1階段：工作面推進0～25 m后，直接頂受到前方煤層和采空區(qū)下側(cè)未開采煤層、鋼管混凝土墩柱及單體液壓支柱的支撐，直接頂未發(fā)生破斷，圍巖變形較為平緩，移近速度相對較小，最大僅為1～2 mm/d，直接頂與基本頂尚未發(fā)生分離，頂板離層量為0；第 2階段：工作面推采25～75 m后，關(guān)鍵塊體回轉(zhuǎn)、破斷，上覆巖層運動劇烈，巷道圍巖變形速度大，頂?shù)装遄畲笞冃嗡俣葹?0 mm/d，圍巖變形速度在該范圍內(nèi)達到最大，頂?shù)装逡平窟_到112 mm，與此同時基本頂與直接頂迅速分離，基本頂鉸接巖梁“給定變形”的位態(tài)控制得到實行。第3階段：工作面推采75 m以后，巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定，最終頂?shù)装搴蛢蓭妥冃嗡俣冉抵? mm/d以下，基本頂?shù)奈粦B(tài)控制取得成功。

5 結(jié)論

1）鋼管混凝土墩柱巷旁支護沿空留巷技術(shù)具有支護阻力高、支護效率高、支護工序簡單的技術(shù)優(yōu)勢。

2）針對魯西煤礦3下A02工作面巷道及頂?shù)装鍑鷰r情況，設(shè)計了“鋼管混凝土墩柱+柔性墊層+控頂錨索+巷內(nèi)加強支護+防風(fēng)措施”的新型沿空留巷技術(shù)方案，并合理優(yōu)化設(shè)計了沿空留巷的技術(shù)參數(shù)。

3）對鋼管混凝土墩柱沿空留巷技術(shù)的現(xiàn)場施工工藝流程進行了合理設(shè)計研究，重點解決了墩柱架設(shè)、灌注、輔助加強支護等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。

4）使用鋼管混凝土墩柱巷旁支護技術(shù)，再不影響工作面的正常工作進度要求的前提下，巷道完整性較好，未出現(xiàn)巖體突出等情況，達到了較好地沿空留巷效果。