新景礦沿空留巷巷旁充填體材料及寬度優(yōu)化研究

詹虎榮

(山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

1 工程概況

新景煤礦3216綜采工作面主采3號煤層，3號煤層總體賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，一般含1層夾矸；煤層以鏡煤、亮煤為主，內(nèi)生裂隙發(fā)育。本工作面煤層總厚2.19～2.79 m，平均厚度2.39 m；煤層結(jié)構(gòu)為0.47(0.04)1.88；煤層傾角2～9°，平均傾角5°。煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)

3216綜采工作面位于525水平，工作面標(biāo)高517～556 m，埋藏深度為460～530 m。本工作面走向長1 390 m，傾斜長216 m，面積300 240 m2。工作面井下東部為3214工作面(已采)，南隔采區(qū)煤柱為3215工作面(未采)，西為3218工作面(正掘)，北為保安3117工作面(未采)。

該礦工作面間的區(qū)段煤柱以往一直按20～30 m的寬度留設(shè)，不僅浪費了大量的煤炭資源，而且難以保證巷道位于低應(yīng)力區(qū)。為了提高煤炭資源回采率，考慮在3216工作面采用柔模充填沿空留巷技術(shù)。

2 巷旁充填材料試驗

2.1 試驗材料及方法

充填墻體的材料主要為混凝土，其中水泥材料為P.II42.5硅酸鹽水泥；采用中級砂作為細骨料，將石塊按一定級配破碎成5～20 mm的碎石作為粗骨料；最后加入自來水和鋼纖維進行混合形成基準(zhǔn)混凝土。在基準(zhǔn)混凝土材料里加入EVA乙烯共聚物進行改性，并分別按照5%、10%、15%、20%的摻量進行混合，形成4組改性混凝土。

將基準(zhǔn)混凝土與4組改性混凝土制成100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，并放入養(yǎng)護箱中進行養(yǎng)護，待其達到最終強度后，分別進行單軸壓縮強度試驗，以0.5 MPa/s的加載速度進行測試分析。

2.2 充填體應(yīng)力-應(yīng)變試驗

5組充填混凝土試件的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 混凝土試件應(yīng)力-應(yīng)變試驗

由圖1可知，在基準(zhǔn)混凝土中摻入EVA聚合物可以有效提高其塑性變形的能力，同時其載荷峰后的延性也得到了提高。隨著聚合物摻量的增加，混凝土試件的軸向應(yīng)變率即讓壓性呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)聚合物摻量為15%時，改性混凝土試件的讓壓性最大，達到了6.14%，而基準(zhǔn)混凝土的讓壓性只有0.79%.因此，綜合考慮混凝土充填墻體需同時具有較好的變形能力和讓壓性，確定改性混凝土中聚合物的摻量為15%.

2.3 充填體抗壓強度測試

15%摻量的改性混凝土及基準(zhǔn)混凝土的抗壓強度測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 混凝土抗壓強度測試

由圖2可知，在養(yǎng)護初期，改性混凝土抗壓強度的增速要低于基準(zhǔn)混凝土，這是由于聚合物會降低水泥的水化作用速度，導(dǎo)致混凝土早期強度不能及時增長；在3～7 d后，二者的抗壓強度增速基本持平，這是由于聚合物在一定時間內(nèi)形成了網(wǎng)狀薄膜，與水泥水化后的產(chǎn)物相互纏繞形成承載體，并達到了一定的強度。整體來看，改性混凝土28 d后的抗壓強度要低于基準(zhǔn)混凝土，但基本可以達到基準(zhǔn)混凝土強度的78.1%.

2.4 充填體彈性模量測試

改性混凝土及基準(zhǔn)混凝土的彈性模量特征如圖3所示。

圖3 混凝土彈性模量測試

由圖3可知，改性混凝土的彈性模量要低于基準(zhǔn)混凝土，分析主要有兩方面原因，一是由于混凝土中的聚合物形成了具有一定塑性的薄膜網(wǎng)，對混凝土的結(jié)構(gòu)成型有一定的影響；二是由于摻入鋼纖維后的混凝土剛性較高，二者共同作用下導(dǎo)致了改性混凝土的彈性模量降低。而較低的彈性模量表明試件的讓壓性更好，因此改性混凝土的充填體在同等載荷下更有利于巷道的維護。

3 合理充填體寬度的確定

3.1 建立模型

根據(jù)3216綜采工作面的實際工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立了不同充填體寬度(0.5 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.5 m、2.0 m)的計算模型，模擬分析不同工況下巷道圍巖的位移情況。

模型尺寸統(tǒng)一為長×寬×高=150 m×100 m×50 m；在模型上邊界施加10.9 MPa的垂直均布載荷，以模擬覆巖壓力，模型四周及下邊界采用位移邊界條件約束；模擬單元均遵循摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則。模擬中煤巖體物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果分析

不同充填體寬度下留巷圍巖的位移情況如圖4所示。

圖4 不同充填體寬度下留巷圍巖的位移情況

由圖4可知，在巷內(nèi)支護參數(shù)及其他條件統(tǒng)一的情況下，隨著充填體寬度的增加，巷道圍巖的變形量逐漸減小。當(dāng)充填體寬度為0.5 m時，頂?shù)装逡平繛? 300 mm，兩幫移近量為1 140 mm；充填體寬度增加至2.0 m時，頂?shù)装逡平繛?00 mm，兩幫移近量為150 mm，較0.5 m充填體時分別降低了76.9%、86.8%，下降幅度較大；其中，充填體寬度由0.5 m增加至1.2 m時，頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平糠謩e降低了71.5%、80.7%，降低幅度較大；充填體寬度由1.2 m增加至2.0 m時，頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平績H降低了18.9%、31.8%，降低幅度較小。可以看出，充填體寬度增加至1.2 m后，繼續(xù)增大寬度對圍巖的變形量的影響已不明顯。因此，初步確定出合理的充填體寬度為1.2 m。

圖5為1.2 m充填體寬度下的垂直應(yīng)力分布特征。

圖5 1.2 m充填體寬度下的垂直應(yīng)力分布特征

由圖5可知，工作面回采時，充填墻體內(nèi)的最大垂直應(yīng)力為10～17 MPa，低于改性混凝土的抗壓強度，因此，1.2 m寬度的充填體在留巷期間可以保持穩(wěn)定。

4 現(xiàn)場應(yīng)用試驗

4.1 沿空留巷安全支護技術(shù)措施

4.1.1 架前臨時支護

在進行柔模充填體澆筑前，需先確定巷道圍巖的安全情況，然后在140號～145號支架鋪網(wǎng)作業(yè)后進行臨時支護作業(yè)，臨時支護選用單體液壓支柱，柱間距不得大于1.0 m，單體柱必須緊貼煤壁支打，柱帽為長度1.0 m的木板。

4.1.2 架后正式支護

架后正式支護采用打錨索方式進行，確認(rèn)柔模支設(shè)處頂板完好后，待拉架、頂溜后，架后支打臨時支護，在140號～145號支架后先支打第一排錨索；在140號～145號支架支打第二排錨索，每排布置5根錨索，機尾為第一根依次向機頭方向布置5根，柔模兩側(cè)加強錨索(第一根、第二根)選用D21.8 mm×7 200 mm鋼絞線，錨索配2 m長槽鋼；第三根、第四根錨索選用D21.6 mm×5 200 mm鋼絞線，錨索配2 m長槽鋼；第五根錨索選用D21.6 mm×5 200 mm鋼絞線，錨索配0.4 m長槽鋼，槽鋼間距1 m。

鋼絞線張拉后，D21.6 mm錨索設(shè)計承載能力為318 kN，D21.8 mm錨索設(shè)計承載能力為364 kN，張拉預(yù)緊力不小于300 kN。

4.2 應(yīng)用效果分析

為驗證1.2 m寬度充填體的留巷效果，在3216工作面巷道內(nèi)布置測站，對留巷期間巷道的圍巖位移情況進行監(jiān)測分析，如圖6所示。

圖6 巷道圍巖位移情況

由圖6可知，沿空留巷圍巖的變形量主要在滯后工作面0～60 m的范圍內(nèi)急劇增長，在滯后工作面80 m之后，圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定。其中頂?shù)装宓睦塾嬜冃瘟繛?93 mm，兩幫的累計變形量為211 mm，且留巷期間充填體具備一定的讓壓性能，未出現(xiàn)破壞情況，能夠滿足工作面安全高效的生產(chǎn)需求。

5 結(jié) 語

1) EVA聚合物可以有效提高充填混凝土的讓壓性能，通過試驗確定出混凝土中合理的聚合物摻量為15%.

2) 根據(jù)新景煤礦3216工作面的實際地質(zhì)條件，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了不同充填體寬度的留巷效果，確定出合理的充填體寬度為1.2 m。

3) 根據(jù)實際條件設(shè)計了沿空留巷的安全支護措施，現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，采用1.2 m寬度的改性混凝土作為充填體后，圍巖整體位移較小，留巷效果較好。