沿空留巷聚乙烯醇纖維噴射混凝土快速封閉支護技術研究

姚 剛，李 農，武雙兆，楊景院

（1.兗州煤業股份有限公司東灘煤礦,山東 鄒城 273500；2.中鐵三局集團第五工程有限公司，山西 晉中 030600）

0 引言

近年來隨著煤礦開采逐漸進入深部，受高地應力和復雜地質條件的影響，鄰近采面的采動會造成沿空巷道煤柱的塑性破壞區增大、內部裂隙發育，從而導致瓦斯氣體的滲漏，影響安全，因此需要對沿空巷道進行封閉施工[1]。

目前的封閉施工常采用噴射混凝土或有機噴涂材料。由于有機噴涂材料的厚度有限，耐久性差，因此噴射混凝土仍是最常用的封閉方法。以東灘煤礦為例，封閉噴射混凝土厚度需8～12cm，施工速度一般為10～12m/班，效率較低，且運輸成本較高。噴射混凝土為典型脆性材料，抗拉強度低，易出現受拉開裂，封閉效果差。因此，研發一種具有較高抗拉、抗裂性能、適用于快速施工的噴射混凝土材料及工藝，對礦井安全高效生產意義重大。

纖維增強混凝土，是一種是以混凝土為基材，以各種纖維為增強相組成的一組復合材料。早期以鋼纖維為主，但其自重大、易腐蝕，不適于薄層封閉施工[2-5]。聚乙烯醇纖維（PVA）是一種新型的纖維，

具有彈性模量高、強度大、抗酸堿性強、伸縮率低等優點，目前在模筑施工中廣泛應用，應用于噴射混凝土仍處于起步階段，還沒有形成成熟的施工工藝，缺乏在煤礦封閉施工中的適用性研究[6-8]。

本文為研究PVA纖維噴射混凝土在沿空巷道封閉施工中的適用性，開展了PVA纖維對噴射混凝土滲透特性和力學性能的影響、以及合理支護參數的研究，并在東灘煤礦進行了井下試驗，形成了相關的施工工藝。

1 PVA纖維混凝土滲透特性研究

纖維混凝土的滲透性對其封閉效果具有重要影響，本節開展了不同纖維摻量的噴射混凝土的滲透試驗，以評估纖維對噴射混凝土滲透特性的影響。

1.1 試驗方案

PVA纖維混凝土滲透試驗采用的是武漢巖土力學研究所自行研制的恒溫超低滲透率測試系統，其精度可達1×10-23m2，如圖1所示。

滲透試驗所用試樣的PVA纖維體積摻量分別為0，0.2%，0.4%，0.6%。試樣為圓柱體，直徑50mm，高度40mm，如圖2所示。試驗前將試樣放于烘箱內60℃烘干12h去水分，自然冷卻，密封保存。

圖1 滲透試驗設備

圖2 纖維混凝土試樣及編號

試驗滲透氣體為高純度氮氣，采用瞬態法測試，先將試樣放入夾持系統，連接好管路，保持夾持器容腔的密封性，防止壓力液泄露。按階梯加載形式對試樣緩慢施壓，圍壓泵保持1MPa壓力不變，軸向壓力設置階梯加卸載模式，研究軸向應力對滲透率的影響規律，加載應力路徑為1→4→10→14→10→4→1MPa。保持試樣上游氣體壓力恒定為0.5MPa，下游采用排水法記錄透過的氣體體積。試樣滲透率的計算公式如下[10]：

式中：Kg為巖芯表觀滲透率；Q為通過巖芯的氣體流量；μ為氣體的黏度；L為巖芯的長度；A為巖芯的截面積；P1為巖芯的入口壓力；P2為巖芯的出口壓力；Psc為標準大氣壓力。

1.2 試驗結果

不同纖維體積摻量下，混凝土滲透率的測試結果如表1所示。可以看出，當纖維摻量在0%～0.6%之間變化時，滲透率變化不大，均小于1×10-15m2，表明纖維摻量對噴射混凝土滲透率的影響較小。

當圍壓保持1MPa恒定，軸壓依次加卸載變化時，PVA纖維混凝土處于彈性階段，軸向壓力對纖維混凝土滲透特性的影響較小，且在卸載過程中沒有出現滲透率滯后現象（如圖3所示），即PVA纖維不會對彈性階段混凝土滲透性能產生影響。

表1 滲透率測試結果（1e-16m2）

圖3 滲透率隨軸向應力的變化規律

綜上所述，不同纖維摻量下，彈性受力狀態的PVA纖維噴射混凝土的滲透率均小于1e-15m2，滿足封閉施工的要求。

2 PVA纖維對抗拉強度的影響

現場觀測表明，采區頂板冒落導致的封閉支護結構的裂縫主要以拉裂縫為主，因此本節重點研究了PVA纖維摻量對混凝土抗拉強度的影響，為PVA纖維噴射混凝土支護設計提供依據。

2.1 試驗方案

混凝土抗壓強度的測試主要包括3種方法，包括直接拉伸試驗、劈拉試驗和彎拉試驗。其中直接拉伸試驗由于試樣加工難度大、測試過程中容易出現脫落現象，試驗成功率較低。彎拉試驗測得的抗彎強度一般大于直拉強度和劈拉強度，實驗結果會高估其抗拉性能。因此采用劈拉試驗作為測試纖維混凝土抗拉性能的方法。

單軸劈拉試驗采用φ50×30mm的圓柱體試樣，本次試驗的纖維摻量為 0%、0.2%、0.4%和0.6%，試驗設備采用多功能RMT巖石試驗機，針對劈拉試驗選擇特制的夾具，試驗過程如圖4所示。

圖4 劈拉加載試驗裝置

根據試驗結果，當纖維摻量為0.1%、0.3%、0.5%和1.0%時，相較于無纖維的，其劈拉強度分別提高了8.1%、32.4%、51.3%和72.9%，表明PVA纖維對混凝土的劈拉強度有顯著提升作用，如圖5所示。

圖5 纖維摻量對混凝土劈拉強度

3 PVA纖維噴射混凝土封閉施工

PVA纖維可以有效的改善噴射混凝土的抗拉性能，因此可代替傳統噴射混凝土，從而減小噴層厚度，提高封閉施工的效率。本節基于東灘煤礦1309綜放工作面基本情況，采用數值方法研究了PVA纖維噴射混凝土的合理封閉厚度，并進行了現場應用。

3.1 PVA纖維噴射混凝土合理封閉支護厚度研究

根據試驗結果，PVA纖維可以有效提高纖維噴射混凝土的力學性能，因此重點分析不同封閉厚度、纖維摻量條件下，封閉支護結構受拉破壞情況。

根據東灘煤礦現場情況，建立的有限元模型如圖6所示，以巷道右邊5m處為開挖邊界，建立長為20m的開挖區域。巷道梯形斷面，上凈寬5.0m，下凈寬4.8m，凈高3.8m，凈斷面19.0m2。巷道處于煤層，以巷道斷面尺寸的6倍為模型計算邊界。

煤層和襯砌均采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，為反映噴射混凝土拉破壞的影響，計算過程中采用tension cutoff反映PVA纖維噴射混凝土的拉破壞[11]。計算過程中PVA纖維混凝土的抗拉強度，如表2所示。

圖6 計算模型

表2 PVA纖維噴射混凝土抗拉強度

本次計算的計算工況如表3所示，纖維摻量為0.2%～0.6%，混凝土厚度為2～6cm，重點分析開采區頂板冒落對封閉支護結構受力的影響。

表3 計算工況

通過計算可以看出，在開采區頂板冒落的過程中，中間煤柱所受的豎向壓力減小，而水平壓力增大，導致封閉支護結構鄰煤側的拉應力增大，封閉支護結構的破壞主要以拉破壞為主，如圖7所示。不同工況下，計算結果整理如圖8所示。可以看出，封閉支護結構的受拉破壞區隨其厚度的增大而減小，隨PVA纖維摻量的增大而減小。當封閉支護為2cm時，即使采用0.6%摻量的PVA纖維噴射混凝土，也會出現比較明顯的拉破壞區。當封閉支護厚度為6cm時，當纖維摻量為0.2%時，支護結構的抗拉破壞區即變為零。

圖7 纖維混凝土襯砌受拉破壞云圖（2cm厚度0.6%纖維摻量）

綜上所述，當纖維摻量為0.2%～0.6%時，要保證封閉支護結構不發生受拉破壞，封閉支護的厚度應達到4～6cm。綜合考慮經濟性，建議PVA纖維噴射混凝土的厚度為4cm，纖維摻量為0.6%。

圖8 不同纖維摻量下的計算結果

3.2 1309綜放工作面現場應用

現場封閉施工的地點位于1309軌順開門點至1308運順停采線以東約50m范圍。試驗時間為2018年4月，PVA纖維增強噴射混凝土的水灰比為0.8，纖維體積摻量約為0.6%，速凝劑摻量3%～5%。

根據現場施工，PVA纖維噴射混凝土，在光滑煤壁噴射厚度10～20mm，破碎區域厚度30～40mm，施工速度由原來的10～12m/班，提高至50m/班，掛壁效果良好（如圖9所示），回彈率10%～15%，基本能夠滿足封閉施工要求。

圖9 PVA纖維噴射混凝土井上、井下試驗

4 結論

1）滲透試驗表明，當PVA纖維體積摻量為0.2%～0.6%時，彈性受力階段纖維混凝土的滲透系數小于1×10-15m2，纖維混凝土滿足巷道封閉要求。

2）劈拉試驗表明，PVA纖維可以有效提高噴射混凝土的抗拉強度，當纖維體積摻量為0.6%時，封閉厚度可以由原來的8～12cm，減小為4cm，即可滿足抗拉設計的要求

3）現場施工表明，PVA纖維噴射混凝土噴厚10～20mm（破碎區域 30～40mm），施工速度可以由原10～12m/班，提高至50m/班，掛壁效果良好，回彈率約為10%～15%，滿足井下封閉施工的要求。