一、引言
1.1 研究背景与行业意义
我国煤炭资源赋存条件复杂，传统开采模式中留设保护煤柱的做法导致煤炭资源回收率仅为 50%~60%，每年因煤柱损失的煤炭资源超亿吨。沿空留巷技术作为无煤柱护巷的核心技术，通过在采空区边缘构建巷旁支护体保留原回采巷道，可使煤炭回收率提升 15%~20%，同时缓解采掘接替矛盾，降低冲击地压、瓦斯突出等灾害风险。巷旁支护体的稳定性直接决定沿空留巷的成败，而混凝土作为支护体的核心材料，其性能质量与供应效率依赖混凝土搅拌站的技术水平。当前多数煤矿搅拌站存在材料配比僵化、工艺与井下需求脱节、质量管控粗放等问题，导致混凝土早期强度不足、凝结时间与施工工序不匹配，甚至引发支护体开裂、顶板下沉等工程事故。因此，开展混凝土搅拌站配合沿空留巷的材料优化与工艺改进研究，对推动煤矿绿色高效开采具有重要现实意义。
1.2 国内外研究现状
国外对沿空留巷的研究始于 20 世纪 50 年代，德国、波兰等国较早采用混凝土充填支护技术，其搅拌站多实现自动化控制，但对井下复杂环境的适配性研究不足。国内方面，神东煤炭集团、兖矿能源等企业在沿空留巷搅拌站应用中积累了实践经验，如采用强制式搅拌设备提升混凝土均匀性，但在材料资源化利用、工艺智能化协同等领域仍有提升空间。现有研究多聚焦单一环节优化，如混凝土配合比设计或搅拌设备选型，缺乏 “材料 - 工艺 - 施工” 全链条协同的系统研究。本文基于国能神东工程实践，构建搅拌站适配沿空留巷的综合技术体系，填补现有研究的空白。
1.3 研究目标与内容
研究目标：明确沿空留巷对混凝土的性能需求，建立混凝土搅拌站的材料优化方案与工艺改进路径，验证其在工程应用中的技术经济性。
研究内容：包括沿空留巷混凝土性能指标体系构建、搅拌站原材料优化与配合比设计、生产工艺改进与质量管控、支护体施工协同机制及工程效果验证。
二、沿空留巷技术对混凝土的性能需求
2.1 力学性能核心指标
沿空留巷支护体需承受采动压力与顶板下沉产生的复合荷载，其混凝土力学性能需满足三重核心要求。一是高强度承载能力，终凝 28 天抗压强度需≥20MPa，部分厚煤层区域因顶板压力较大，强度需提升至 30MPa 以上，以抵抗采空区垮落带来的冲击荷载。二是变形适应能力，采动过程中巷道围岩会产生 30~50mm 的变形量，混凝土需具备 0.3% 以上的极限拉伸率，避免因刚性过强导致开裂，可通过掺加纤维等改性材料提升韧性。三是早期强度发展迅速，要求浇筑后 8 小时早期强度≥10MPa，以快速支撑临时支护拆除后的顶板，减少巷道变形时间窗口。
2.2 工艺特性适配要求
井下施工环境的特殊性对混凝土工艺特性提出严苛要求。在凝结时间控制方面，初凝时间需根据施工工序动态调整，临时支护段需控制在 4~6 小时，便于模板拆除；永久支护段可延长至 8~10 小时，确保浇筑密实。通过掺加速凝剂（如铝酸盐类）可缩短初凝时间，掺加缓凝剂（如糖蜜类）则可延长凝结时间，满足不同工序需求。在施工操作性方面，混凝土需具备良好的泵送性与流动性，坍落度控制在 180~220mm 之间，确保通过输送泵在长距离（≤500m）、高扬程（≤30m）条件下输送顺畅，且浇筑时能充满模板间隙。同时，混凝土需具备抗离析性能，在输送过程中骨料与浆体无明显分离，保证支护体强度均匀。
2.3 环境适应性需求
煤矿井下高湿度（相对湿度≥85%）、高粉尘、温差波动大（5~30℃）的环境，对混凝土耐久性提出特殊要求。一是抗渗性，需抵抗井下淋水侵蚀，混凝土抗渗等级需达到 P8 以上，可通过掺加膨胀剂减少内部孔隙。二是抗侵蚀性，应对井下酸性水（pH≤5.5）与硫酸盐侵蚀，需控制水泥中 C3A 含量≤8%，并掺加矿渣粉等活性混合材。三是体积稳定性，在温差变化下收缩率需≤0.03%，避免温度应力导致裂缝发育。
三、混凝土搅拌站的生产流程控制改进策略
3.1 原材料的质量控制与优化
3.1.1 基础原材料甄选标准
原材料是混凝土质量的根本保障，需建立严格的甄选体系。水泥优先选用 PO42.5R 早强型普通硅酸盐水泥，其 3 天抗压强度≥22MPa，细度（80μm 方孔筛筛余）≤10%，凝结时间（初凝≥45min、终凝≤600min）符合 GB 175-2007 标准，可满足早期强度发展需求。细骨料选用级配 Ⅱ 区的中砂，细度模数控制在 2.3~3.0 之间，含泥量≤3%，泥块含量≤1%，避免因含泥量过高降低混凝土强度与流动性。粗骨料采用 5~25mm 连续级配碎石，压碎值≤12%，针片状含量≤10%，确保骨料骨架支撑作用。
3.1.2 骨料优化技术应用
粗骨料整形与双级配优化是提升混凝土性能的关键技术。通过立轴冲击式破碎机对粗骨料进行整形处理，使石子粒形趋于圆形，针片状含量降至 5% 以下，表面粗糙度增加，可增强骨料与水泥浆体的黏结力，减少离析现象。采用 “5~10mm+10~25mm” 双级配方案，优化比例为 3:7，使骨料空隙率从 45% 降至 35% 以下，混凝土密实度提升 12%，同时减少水泥用量 8%~10%。煤矸石骨料资源化利用实现环保与经济双赢。选取抗压强度≥60MPa 的煤矸石，经破碎、筛分后制成 5~20mm 骨料，替代 30%~50% 天然碎石。试验表明，掺加 40% 煤矸石骨料的混凝土 28 天抗压强度可达 25MPa，满足支护要求，同时每吨混凝土成本降低 25 元，年处理煤矸石超 5 万吨，减少固废占地与污染。
3.1.3 混合材与外加剂适配
混合材的合理掺加可改善混凝土性能并降低成本。矿渣粉（S95 级）掺量控制在 20%~30%，可提升混凝土后期强度与抗侵蚀性；粉煤灰（F 类 Ⅰ 级）掺量 10%~15%，能改善和易性与泵送性。需注意混合材总量不超过 40%，避免早期强度不足。外加剂采用复合改性方案，以聚羧酸系高效减水剂为核心，掺量 0.8%~1.2%，减水率≥25%；复配 0.5%~1.0% 速凝剂调节凝结时间，0.2%~0.3% 聚丙烯纤维提升韧性。外加剂需与水泥、混合材进行适配试验，确保无相容性问题，如出现泌水现象可调整减水剂品种或掺量。
3.2 混凝土搅拌工艺改进与创新
3.2.1 搅拌设备选型与参数优化
搅拌设备选型需匹配生产规模与混凝土类型。国能神东开拓准备中心搅拌三站采用 JS3000 强制式双卧轴搅拌机，额定生产能力 180m³/h，搅拌叶片线速度 1.4~1.6m/s，可确保骨料与浆体充分混合。针对沿空留巷混凝土，将搅拌时间从标准的 60s 延长至 90s，其中干拌 30s、湿拌 60s，避免水泥团簇形成。设备维护实行 “定期保养 + 状态监测” 模式，每日检查搅拌叶片磨损情况，每 500 小时更换一次衬板；安装振动传感器实时监测设备运行状态，提前预警轴承故障等问题，设备故障率从 15% 降至 5% 以下，月均停机时间减少 8 小时。
3.2.2 搅拌流程与配合比动态调控
优化搅拌顺序为 “粗骨料→细骨料→水泥 + 混合材→干拌→加水 + 外加剂→湿拌”，先投入骨料形成骨架，再加入胶凝材料避免粘底，可减少搅拌能耗 10%，混凝土均匀性变异系数从 5% 降至 2%。配合比动态调整系统是应对井下环境变化的关键。通过在搅拌站设置环境监测仪，实时采集井下温度、湿度数据，当温度每变化 5℃，水灰比相应调整 ±0.02；湿度＞90% 时，减少用水量 1%~2%，确保坍落度稳定在设计范围。例如夏季井下温度 30℃时，水灰比从 0.45 降至 0.43，初凝时间控制在 5 小时左右，适配施工节奏。
3.2.3 一体化生产与输送体系构建
构建 “搅拌 - 运输 - 浇筑” 一体化流程，提升施工效率。搅拌站与 4 台 8m³ 混凝土输送罐车联动，罐车加装保温层与缓凝剂添加装置，确保运输过程中混凝土性能稳定；输送泵选用车载式混凝土泵，泵送压力≥25MPa，最大输送距离 500m，与模板台车协同作业，实现浇筑自动化。该体系使混凝土从搅拌到浇筑的时间控制在 1 小时内，避免初凝失效；单班支护施工长度从 20m 提升至 35m，施工效率提高 75%，人工用量减少 30%，大幅降低井下作业强度与安全风险。
3.2.4 智能化技术融合应用
引入智能化管控系统提升生产精度。通过 BIM 技术建立搅拌站数字模型，模拟原材料投放量与搅拌时间对混凝土性能的影响，优化参数设置；安装自动计量系统，骨料、水泥、外加剂计量精度分别达到 ±2%、±1%、±0.5%，远超行业标准。物联网技术实现全流程追溯，在原材料仓、搅拌机、输送罐车安装 RFID 标签与传感器，实时采集材料消耗、生产批次、运输轨迹等数据，生成电子台账，可快速追溯不合格产品源头，质量追溯效率提升 80%。
3.3 全链条质量控制管理体系
3.3.1 多级检测制度构建
建立 “原材料 - 半成品 - 成品” 三级检测体系。原材料进场实行 “双检制”，每批次水泥检测强度、凝结时间，每 200m³ 骨料检测级配与含泥量；搅拌过程中每小时检测一次坍落度，调整水灰比；成品混凝土每 50m³ 制作一组（3 块）150mm×150mm×150mm 试块，分别检测 3 天、7 天、28 天抗压强度，确保合格率 100%。配备全自动压力试验机、坍落度仪等检测设备，实现检测数据自动上传至管控平台，避免人工记录误差，检测报告生成时间从 4 小时缩短至 30 分钟。
3.3.2 人员与协同管理优化
开展 “技术 + 操作” 双轨培训，每月组织搅拌站员工学习混凝土配合比设计、设备操作规范等知识，邀请高校专家开展外加剂适配、质量问题诊断等专项培训，员工技能考核通过率从 70% 提升至 95%。建立 “搅拌站 - 施工队” 协同机制，双方各设专职技术员，每班召开班前对接会，明确当日混凝土性能要求；施工过程中每 2 小时沟通一次浇筑情况，如出现泵送阻力增大，及时调整坍落度；班后共同分析试块检测数据，优化次日配合比，实现生产与施工的无缝衔接。
四、混凝土支护结构与施工工艺的协同分析
4.1 支护体结构设计与参数优化
4.1.1 巷旁充填体参数确定
基于 FLAC3D 数值模拟，对厚煤层沿空留巷充填体宽度进行优化。模拟结果显示：宽度 0.6m 时，充填体最大压应力达 45MPa，超过混凝土抗压强度，出现局部压溃；宽度 1.2m 时，压应力降至 28MPa，巷道顶底板移近量 85mm，两帮移近量 62mm，均在允许范围；宽度 1.8m 时，应力集中现象缓解，但材料消耗增加 50%，经济性下降。结合工程实践，确定充填体宽度为 1.2m，强度等级 C30，每米充填量 3.6m³。在充填体中设置加强墩，间距 5m，尺寸 1.2m×1.2m×0.5m，采用 C40 混凝土，内置 4 根 Φ20 螺纹钢，增强抗剪切能力，有效减少充填体侧向变形 15%。
4.1.2 复合支护体系构建
针对混凝土早期强度不足问题，采用 “柔模混凝土充填体 + 锚索 + 单体液压支柱” 复合支护体系。充填体浇筑完成后，在顶板施工 3 排 Φ21.8mm×8300mm 锚索，间排距 1.5m×1.2m，预紧力 150kN，临时支撑单体液压支柱，初撑力≥90kN，间距 1.0m。待混凝土 8 小时强度达 10MPa 后，逐步回撤单体支柱，形成永久支护，避免早期顶板下沉过大。巷道断面采用直墙拱形设计，拱高 1.2m，巷宽 4.5m，墙高 2.8m，该断面形式使顶板应力均匀传递至充填体与两帮，比矩形断面减少顶板下沉量 25%，降低支护体受力集中风险。
4.2 施工工艺与搅拌站生产协同机制
4.2.1 施工工序与混凝土供应匹配
沿空留巷施工采用 “割煤 - 移架 - 充填” 平行作业模式，搅拌站需根据施工进度精准供应混凝土。每班施工前 2 小时，施工队向搅拌站提交需求量与性能要求（如坍落度、初凝时间）；搅拌站根据需求分批次生产，每批次 15~20m³，间隔 30 分钟发车，确保混凝土浇筑连续，避免冷缝产生。针对交接班时段施工间隙，搅拌站采用 “小批量、缓凝型” 混凝土供应方案，掺加 0.3% 缓凝剂，将初凝时间延长至 12 小时，避免停工期间混凝土初凝失效，每班次减少材料浪费约 3m³。
4.2.2 试块检测与配合比反馈调整
建立 “地面 + 井下” 双试块检测机制，搅拌站在地面制作标准养护试块，施工队在井下制作同条件养护试块，分别检测强度发展规律。对比数据显示，井下试块 28 天强度比地面试块低 8%~12%，主要因井下湿度大、养护条件差。据此，搅拌站将井下用混凝土设计强度提高 10%，确保实际强度满足要求。每月召开质量分析会，汇总试块检测数据、施工反馈问题，如某批次混凝土出现坍落度损失过快，经排查为外加剂与新批次水泥不相容，及时更换外加剂品牌，问题得到解决。
5. 工程应用与效果分析
案例选取：国能神东大柳塔煤矿大井52606进行了沿空留巷施工，神东开拓准备中心搅拌三站负责关于沿空留巷混凝土，取得非常好的效果。根据技术需求，该采面提出了厚煤层“柔模混凝土+补强支护”围岩稳定控制思路。通过理论计算得出1.2 m宽度下柔模混凝土充填墙体满足安全生产要求。基于此，采用数值模拟综合分析了0.6、1.2与1.8 m三种不同宽度柔模混凝土墙体的采动围岩应力演化及变形特征，数值计算显示：随着宽度增加，巷道顶部垂直应力增大，应力向充填墙体中部转移，且宽度为1.2 m时，留巷整体稳定性较高，巷道变形量较低。因此，确定了沿空留巷柔模混凝土充填体合理宽度为1.2 m。矿压观测结果表明，留巷期间巷道围岩整体变形较小，锚杆（索）及充填墙体工况良好，顶板未见明显裂隙发育，矿压显现不明显，保证了厚煤层工作面安全高效生产。
2024年，国能神东煤炭公司年产煤炭2亿吨，所属14座井工煤矿，其中有八个综采工作都采用沿空留巷配合生产，沿空留巷施工21067米，减少掘进顺槽24227米，多回收煤炭139.6万吨，创造利润4亿元。
6. 结论与展望
结论：混凝土搅拌站通过材料优化与工艺协同，可有效解决沿空留巷中混凝土早期强度不足、初凝时间长等问题，并提升支护效率与经济性。
展望：未来的发展方向是利用人工智能建成智能化搅拌站（实时监测与自动调参）、采用新型材料（例如纳米材料）增强混凝土性能。进一步研究沿空留巷混凝土的生产运输，配合井下施工，取得更好的效果。
参考文献：
[1]陆畅. 混凝土搅拌汽车故障诊断与维修技术研究[J].汽车知识,2025,25(10):203-205.
[2]黄涛林,王建强. 水利水电工程混凝土搅拌楼选型分析[J].建设机械技术与管理,2025,38(02):61-63+75.DOI:10.13824/j.cnki.cmtm.2025.02.051.
[3]薛轲. 混凝土搅拌桩在市政道路软土地基处理中的优化设计与应用[J].水泥,2025,(04):90-92.DOI:10.13739/j.cnki.cn11-1899/tq.2025.04.027.
[4]丁丹,张治国,单士锋,等. 搅拌站混凝土废水对碱-激发矿渣材料性能的影响[J].混凝土,2025,(03):163-167.
[5]郭徽.煤矿混凝土搅拌站的设计研究与分析[D].山东科技大学,2019.DOI:10.27275/d.cnki.gsdku.2019.001284.
