高水材料沿空留巷原理

與技術研究1主要內容1沿空留巷的意義2國內外研究現狀3沿空留巷巷旁支護機理高水材料巷旁充填沿空留巷技術砌碹/U型鋼壁后充填技術破碎圍巖注漿加固技術高水材料構筑密閉墻技術高水材料充填實例柏建彪教授1395135908721沿空留巷的意義1）采用沿空留巷技術取消區段煤柱，提高煤炭資源采出率；2）采用沿空留巷技術少掘進1條巷道，解決采掘接替緊張的難題；柏建彪教授1395135908731沿空留巷的意義3）實現Y型通風，增加1個回風通道和抽放采空區及下區段和鄰近煤層瓦斯的場所，實現煤與瓦斯共采。實現煤層群連續卸壓開采。4）沿空留巷每天用工6~10個。柏建彪教授1395135908742國內外研究現狀巷旁支護是沿空留巷維護效果好壞的關鍵。傳統的巷旁支護如矸石帶、密集支柱、木垛等普遍存在增阻速度慢、支承能力小、密閉性能差、勞動強度大，力學性能與沿空留巷圍巖變形不相適應等缺點（不適應裂隙帶巖層取得平衡之前的強烈沉降），不利于沿空留巷，適用于薄及中厚煤層。膏體材料充填沿空留巷優點是處理了矸石，缺點是充填工藝較復雜、設備投資較大、輔助運輸工作量大。柏建彪教授1395135908752國內外研究現狀高水材料具有支護阻力大、增阻速度快、適量可縮，巷道維護效果好，充填工藝及充填設備簡單的優點，目前在10余個礦區應用。柏建彪教授1395135908763沿空留巷巷旁支護機理3.1巷旁支護體作用機理（頂板運動的階段性）

(1)巷旁支護體早期強度大、支護直接頂、防止直接頂離層，切斷采空區的直接頂。（2）老頂破斷過程中充填體應快速達到切頂阻力，切斷采空區側老頂，減小巷旁支護體所承受的載荷。

（3）采空區頂板破斷、運動穩定后，充填體維持巷道上方已切斷巖層的平衡。同時適應頂板整體下沉引起的“定變形”。柏建彪教授1395135908773沿空留巷巷旁支護機理

3.2沿空留巷力學模型

采空區的老頂沿傾斜方向破斷形成“三角塊大結構”，構成沿空留巷的上部邊界。沿空留巷力學模型——平面圖沿空留巷力學模型——剖面圖柏建彪教授1395135908783沿空留巷巷旁支護機理

3.3巷旁支護阻力求解

柏建彪教授1395135908793沿空留巷巷旁支護機理

3.4巷旁支護體可縮量分析

柏建彪教授1395135908710依靠巷旁支護完全“頂住”頂板下沉是很困難的，巷旁支護體剛性越強，其承受的載荷越大，往往超過其承載能力，發生嚴重破壞。即：巷旁支護體提供的可縮量與支護阻力滿足切斷巖層的平衡。4高水材料巷旁充填沿空留巷技術

高水材料（BX）：在體積比水占90%，20~30min內凝結，100%固化，最終強度達到8~12MPa。通過調整水灰比或高水材料配比調整充填體的強度，水灰比1.5：1時，充填體強度可以達到12MPa.柏建彪教授1395135908711中國礦業大學高水材料（BX）性能水平

No水灰比凝結時間/min抗壓強度/MPa初凝終凝4h24h7d1

1.50:17224.489.1412.1621.90:18274.286.398.2432.05:110293.755.597.3242.25:112413.024.615.5952.50:117582.424.145.1562.70:119661.943.464.3173.00:120751.532.743.39英國高水速凝材料性能水平82.50:1201.503.505.00柏建彪教授13951359087124高水材料巷旁充填沿空留巷技術

高水材料具有突出的塑性特征，達到峰值強度后承載能力緩慢下降,下降速度遠小于一般的混凝土和巖石材料。當應變達到10%時,抗壓強度還維持在峰值強度的65%以上，可適應圍巖的大變形。4高水材料巷旁充填沿空留巷技術

高水材料巷旁充填工藝充填系統和充填工藝簡單。

充填泵及攪拌桶地面培訓漿液可以遠距離輸送，充填設備可以放在上下山，不影響順槽使用、減少輔助運輸工作量柏建彪教授13951359087144高水材料巷旁充填沿空留巷技術

高水材料巷旁充填沿空留巷特點：

濃度小，水體積90%以上，高水材料用量少，輔助運輸工作量小；遠距離輸送，輸送距離＞2000m；快速凝固、增阻速度快，強度較大，能快速支撐頂板；固化體有一定壓縮率，適應沿空留巷大變形；充填工藝簡單，用人少，沿空留巷成本低；充填系統費用較低。柏建彪教授13951359087154高水材料巷旁充填沿空留巷技術

現場實施：（1）為進一步提高充填體的抗變形能力和承載能力，發明了對拉錨桿、鋼筋網、梯子梁與充填袋組成的充填體預應力承載結構。充填體預應力承載結構示意圖4高水材料巷旁充填沿空留巷技術

增加充填體兩側自由面圍壓提高充填體力學參數抵消橫向拉應力，減少充填體破壞柔性結構,可充分發揮高水材料的塑性性能4高水材料巷旁充填沿空留巷技術

僅有對拉錨桿對拉錨桿＋豎向梯子梁對拉錨桿＋橫向梯子梁采用對拉錨桿、梯子梁、鋼筋網組合有效增加充填體的承載能力和充填體橫向變形能力現場實施：（2）充填速度3.2~4.8m/8小時。4高水材料巷旁充填沿空留巷技術

現場實施：（3）充填空間頂板維護液壓支架拉架后、采用充填支架或單體液壓支柱維護充填區域頂板。4高水材料巷旁充填沿空留巷技術

如果頂板易離層、破碎，需要鋪設頂網、打設錨桿或錨索維護充填區域頂板。打設時間根據頂板的穩定情況來定是移架前或移架后。4高水材料巷旁充填沿空留巷技術

現場實施：（4）控制充填區域頂板離層、破碎現場實施：（5）構筑充填空間1）打設充填體外側的單體液壓支柱。2）掛充填體兩側鋼筋網。3）掛充填袋。4）掛鋼筋梯、穿對拉錨桿。4高水材料巷旁充填沿空留巷技術

現場實施：（6）充填構筑好充填空間，留下2人查看，其余人員到充填泵站攪拌漿液，開始充填。4高水材料巷旁充填沿空留巷技術

現場實施：（7）留巷段加強支護工作面后方（100~150m）頂板劇烈活動期間頂底板移近量較大，采用單體液壓支柱加π梁加強支護。4高水材料巷旁充填沿空留巷技術

現場實施：（8）沿空留巷巷道支護沿空留巷大變形特征1）覆巖破斷、運動劇烈；2）應力調整、轉移；3）巷道變形劇烈、尤其底鼓；4）一般工作面后方100~150m需要加強支護。4高水材料巷旁充填沿空留巷技術

現場實施：（8）沿空留巷巷道支護基本支護：采用高預緊力、高強度、大延伸率錨桿與錨索支護；臨時加強支護：工作面后方100~150m左右、劇烈變形階段，通過臨時加強支護支撐頂底板、減小頂板回轉、下沉和巷道底鼓。4高水材料巷旁充填沿空留巷技術

柏建彪教授13951359087264高水材料巷旁充填沿空留巷技術

高水材料應用：動壓巷道底鼓控制巷道兩幫下沉引起底鼓。兩幫下沉、底角破壞，水平應力擠壓，底板淺部鼓起，頂板下沉、離層。

（a）（b）兩幫下沉與底鼓關系（a）——東龐礦（中硬巖）；（b）——黃塘嶺礦（軟巖）（1）力學計算Q(y)作用下M點的位移根據彈性力學理論，平面應變條件下的半無限平面體，Q(y)dy載荷作用下M點的垂直位移分量dux力學計算簡圖中國礦業大學柏建彪教jianb@163.com中國礦業大學柏建彪教jianb@163.com

Q(y)作用下，M點的垂直位移ux等于上式在[a,b]區間上的積分。（2）煤柱巷道底板等效載荷分布

煤柱巷道底板等效載荷分布簡化的載荷分布中國礦業大學柏建彪教jianb@163.com（3）底板中心線上的垂直位移（確定加固范圍）各區段分布載荷在巷道底板中心線上引起的垂直位移巷道底板中心線上總的垂直位移中國礦業大學柏建彪教jianb@163.com

加固兩幫和底角控制巷道底鼓（1）錨桿加固（柳新煤礦）試驗效果對比

中國礦業大學柏建彪教jianb@163.com方案頂底板移近量/mm兩幫移近量/mm12759023742643960578（2）注漿加固

權臺礦注漿孔布置注漿孔布置注漿材料、工藝、費用材料：高水速凝材料，水灰比1.81注漿壓力：0.1~0.15MPa權臺礦注漿前、后對比對比項目巖石質量指標RQD（%）鉆孔測定強度（MPa）注漿前9.114.7注漿后96.722.5注與不注漿段對比底鼓量（mm）兩幫移近量（mm）不注漿538651注漿144151顯德汪礦注漿效果中國礦業大學柏建彪教jianb@163.com采用水力膨脹錨桿或螺紋鋼錨桿加固巷道底板5高水材料應用：

砌碹/U型鋼壁后充填技術5.1前言U型鋼支護或砌碹支護巷道，支護結構或壁后有空間，支護體承受點載荷或偏載荷，支撐能力不能充分發揮；高水材料壁后充填具有成本低、機械化程度高、施工容易。柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）5

砌碹/U型鋼壁后充填技術5.2工程案例

伯方煤礦二盤區變電所碹厚500mm，受到采動支承壓力作用，拱頂開裂。柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）5

砌碹/U型鋼壁后充填技術5.2工程案例

柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）變電所巷道斷面圖（單位：mm）變電所附近煤層綜合柱狀圖（單位：m）5

砌碹/U型鋼壁后充填技術5.2工程案例

柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）壁后充填參數充高水材料，充填管間排距為1000mm×4000mm。充填管結構示意圖（單位：mm）充填孔布置示意圖（單位：mm）5

砌碹/U型鋼壁后充填技術5.2工程案例

柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）錨桿支護參數錨桿布置圖（單位：mm）5

砌碹/U型鋼壁后充填技術5.2工程案例

柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）支護效果分析變電所圍巖變形量與觀測時間的關系

加固后兩幫最大移近量為33mm，頂底板最大移近量為25mm。6高水材料應用：

破碎圍巖注漿加固技術6.1前言注漿加固利用漿液充填裂隙，將破碎的圍巖固結起來，改善圍巖結構、提高破碎圍巖的強度，提高錨桿的錨固力，增加圍巖自身承載能力，保持圍巖穩定。柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）6

破碎圍巖注漿加固技術6.2注漿加固穩定圍巖機理提高圍巖裂隙面的變形剛度和抗剪強度漿液固結體的網絡骨架作用轉變圍巖破壞機制減小巷道圍巖松動圈封閉水源提高錨桿錨固力柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）6破碎圍巖注漿加固技術6.3注漿材料的性能注漿材料主要有兩大類：以水泥為主的水泥漿液和以各種化學材料為主的化學漿液。水泥漿液主要有：單液水泥漿、水泥－水玻璃雙液漿、高水材料等。

化學漿液主要有：丙烯酰胺、聚氨酯、環氧樹脂、丙烯酸鹽等。注漿材料選擇遵守兩大基本原則：技術可靠和經濟合理。柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）6.3注漿材料的性能化學漿液：

優點：漿液凝結速度快、流動性好、充填飽滿、凝結破碎圍巖效果好。缺點：價格昂貴。硅酸鹽水泥漿液：

優點：價格便宜、在條件適宜時使用效果較好。缺點：漿液凝結速度慢、流動性較差、微裂隙充填不飽滿。在泥巖及含泥巖石中不宜使用，因為水泥與泥不粘結；多余的水分引起泥巖破碎膨脹。為了縮短漿液凝結時間，使用水泥－水玻璃雙液漿，初期效果明顯，2個月以后出注漿體松散破碎，強度急劇降低。柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）6破碎圍巖注漿加固技術6.3注漿材料的性能高水材料：

優點突出：價格相對較低、速凝且可調、早期強度高、流動滲透性好、與泥粘結強度高、具有微膨脹性、適用范圍廣泛。固結體的變形表現為突出的塑性特征，保證注漿固結巖體在大變形下仍具有承載和傳遞載荷的作用，適應圍巖的較大變形。

柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）6破碎圍巖注漿加固技術6.4高水材料注漿參數注漿深度：注漿越深加固厚度越大，穩定巷道性越高，所以注漿深度越深越好。但由于深部圍巖的完整性好、裂隙不發育，過深的注漿沒有意義。裂隙的深度可以通過深孔多點位移計、地質雷達等測量；注漿壓力：主要取決于圍巖的滲透條件、有無壓力水、漿液的流動力學性質及注漿滲透范圍等。注漿壓力高，漿液滲透范圍大，但要防止過大的注漿壓力破壞圍巖。圍巖嚴重破碎時可選用1.0MPa，圍巖較破碎時取1.0~2.0MPa，最高不超過3.0MPa。柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）6破碎圍巖注漿加固技術6.4高水材料注漿參數注漿量：注入的漿液應盡量保證裂隙被充填滿，原則上做到不進漿為止。每個注漿孔的注漿量可用下式估算：式中Ｑ—每個孔的漿液注入量，m3；Ａ—漿液消耗系數(1.2~1.5)；Ｌ—鉆孔長度方向固化區厚度，m；Ｒ—漿液有效擴散半徑，m；β—圍巖的裂隙率（0.5%~10%）；λ—漿液的充填系數（0.6~1.0）。

柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）6破碎圍巖注漿加固技術6.4高水材料注漿參數漿液擴散半徑：由于漿液擴散的復雜性，主要由現場施工監測及實際擴散情況，作相應調整。注漿孔布置：根據巷道圍巖受力破壞情況，選擇注漿加固部位。通常巷道兩幫、底角是受力最大的部位。分析表明，加固兩幫及底角可以控制巷道底鼓。注漿孔間排距應小于1.6倍的擴散半徑。高水材料水灰比:水灰比增大，強度降低，一般水灰比不宜超過1.8:1，初凝時間控制在20分鐘。

柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）6破碎圍巖注漿加固技術6.5工程實例一（圍巖滯后注漿）工程背景山西晉城沁和能源集團永安煤礦三條下山由于受到鄰近煤礦回采以及本礦工作面上下分層采動影響，加上留設煤柱寬度較小，在采動應力疊加的影響下，下山破壞嚴重。

柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）6破碎圍巖注漿加固技術6.5工程實例一（圍巖滯后注漿）技術路線（1）采用高水速凝材料料石碹體壁后注漿加固，提高下山破碎圍巖的力學性能，改善錨桿、錨索錨固著力基礎。（2）頂幫采用左旋螺紋鋼錨桿配合塑鋼網、鋼筋梯子梁支護。錨桿支護系統在限制圍巖變形的同時具有一定的讓壓作用，滿足下山圍巖強烈變形的需要。（3）頂板采用小孔徑預應力錨索加強支護。增加支護強度，減少頂板傳遞給兩幫煤體的載荷，提高下山圍巖的整體穩定性。柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）6破碎圍巖注漿加固技術6.5工程實例一（圍巖滯后注漿）支護參數柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）材料下山注漿孔布置圖（皮帶下山和回風下山類似）6破碎圍巖注漿加固技術6.5工程實例一（圍巖滯后注漿）下山圍巖控制效果分析材料下山注漿前鉆孔窺視儀觀測結果：柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）(a)1.0m深處（b）2.0m深處（c）3.0m深處材料下山注漿后鉆孔窺視儀觀測結果：(a)1.0m深處（b）2.0m深處（c）3.0m深處6破碎圍巖注漿加固技術6.5工程實例一（圍巖滯后注漿）下山圍巖控制效果分析柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）

采用注漿加固及錨桿支護后，材料下山圍巖逐漸趨于穩定，礦壓觀測60天后，材料下山頂底板及兩幫相對移近量均穩定在200mm以內。材料下山頂底板圍巖變形曲線材料下山兩幫圍巖變形曲線6破碎圍巖注漿加固技術6.6工程實例二（超前預注漿）工程背景大陽煤礦采用跳采，3100工作面為孤島工作面，巷道埋深約350m。3100工作面回風巷受瓦斯巷掘進及一側采動應力影響，巷道在掘進期間就發生了大變形，維護困難。柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）6破碎圍巖注漿加固技術6.6工程實例二（超前預注漿）工程背景

柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）3#煤頂底板巖性6破碎圍巖注漿加固技術6.6工程實例二（超前預注漿）技術路線（1）通過超前預注漿，提高了破碎圍巖裂隙面的力學性能，防止掘進時松軟頂煤的冒落，為錨桿支護創造了有利條件。（2）滯后注漿有效控制了破碎圍巖巷道在掘進期間、回采期間圍巖變形，尤其控制回采期間圍巖變形效果顯著。（3）選用水灰比為1.5∶1的高水速凝材料注漿，預注漿壓力為5.0～6.0MPa，滯后注漿壓力為1.0～1.5MPa，最大不超過2.0MPa。（4）巷道頂板和兩幫均采用高強度螺紋鋼錨桿，樹脂藥卷加長錨固，鋪設金屬網和鋼筋梯子梁。

柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）6破碎圍巖注漿加固技術6.6工程實例二（超前預注漿）

柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）6破碎圍巖注漿加固技術破碎煤體高水材料固結試驗6.6工程實例二（超前預注漿）柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）注漿孔排距為6.0m,即每6m打一排注漿孔,注漿深度應達到破碎頂煤的邊緣，考慮到鉆孔及機具條件及施工方便,確定孔深為10m,注漿孔間距1m,每排4個孔,注漿孔仰角20o,中間兩個孔沿著巷道軸向,兩側兩個孔向幫傾斜10o6破碎圍巖注漿加固技術6.6工程實例二支護參數

柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）滯后注漿孔布置6破碎圍巖注漿加固技術6.6工程實例二（超前預注漿）支護參數

柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）錨桿支護斷面圖6破碎圍巖注漿加固技術6.6工程實例二（超前預注漿）圍巖控制效果分析

通過高水材料注漿加固，提高了錨固效果和圍巖自身承載能力，頂底板相對移近量小于450mm、兩幫相對移近量小于800mm、超前采動影響距離顯著減小。該技術有效控制了大陽煤礦采動作用的破碎煤層巷道圍巖變形，巷道維護效果良好。

柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）6破碎圍巖注漿加固技術6.6工程實例二（超前預注漿）圍巖控制效果分析

柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）6破碎圍巖注漿加固技術7

高水材料應用：高水材料構筑密閉墻技術7.1前言密閉墻多采用磚或料石砌筑2道墻、中間充填黃土，該方法存在勞動量大、頂部密閉效果差等缺點。羅克休構筑密閉墻存在強度小的缺點。高水材料充填構筑密閉，具有工藝簡單、速度快（1~2個小班即可完成）、承載能力大、用工少、成本低等優點。柏建彪（TelEmail:bjianb@163.com）7.2工程背景肖家洼煤礦工程應用（1）全斷面充填聯絡巷，聯絡巷寬、高為：5.4m、3.5m、充填密閉墻厚度2~3m。（2）充填墻體里側采用木點柱加、外側用單體液壓支柱，兩側均加鋼筋網。（3）前幾個加對拉鋼筋，對拉鋼筋間為22mm的螺紋鋼、間排距為950mm800mm。柏建彪（TelEm