沿空留巷巷旁充填體材料優(yōu)化研究

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摘要:以新景煤礦3216綜采工作面沿空留巷為研究背景，通過添加EVA聚合物對巷旁充填混凝土進行了改性試驗，確定出合理的聚合物摻量為15%;同時采用數(shù)值模擬確定出合理的充填體寬度為1．2m。現(xiàn)場應用結果表明:留巷期間，充填體穩(wěn)定性較好，巷道頂?shù)装宓睦塾嬜冃瘟繛?93mm，兩幫的累計變形量為211mm，能夠滿足工作面安全高效的生產需求。

關鍵詞:沿空留巷;改性混凝土;充填體寬度;數(shù)值模擬

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，結構簡單，一般含1層夾矸;煤層以鏡煤、亮煤為主，內生裂隙發(fā)育。本工作面煤層總厚2．19～2．79m，平均厚度2．39m;煤層結構為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。3216綜采工作面位于525水平，工作面標高517～556m，埋藏深度為460～530m。本工作面走向長1390m，傾斜長216m，面積300240m2。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20～30m的寬度留設，不僅浪費了大量的煤炭資源，而且難以保證巷道位于低應力區(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。

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5～20mm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混凝土。在基準混凝土材料里加入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。將基準混凝土與4組改性混凝土制成100mm×100mm×100mm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0．5MPa/s的加載速度進行測試分析。

2．2充填體應力－應變試驗

5組充填混凝土試件的單軸壓縮應力－應變試驗結果如圖1所示。由圖1可知，在基準混凝土中摻入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變率即讓壓性呈先增大后減小的趨勢。當聚合物摻量為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混凝土的抗壓強度測試結果如圖2所示。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混凝土，這是由于聚合物會降低水泥的水化作用速度，導致混凝土早期強度不能及時增長;在3～7d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形成了網狀薄膜，與水泥水化后的產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28d后的抗壓強度要低于基準混凝土，但基本可以達到基準混凝土強度的78．1%．

2．4充填體彈性模量測試

改性混凝土及基準混凝土的彈性模量特征如圖3所示。由圖3可知，改性混凝土的彈性模量要低于基準混凝土，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，對混凝土的結構成型有一定的影響;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3216綜采工作面的實際工程地質條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立了不同充填體寬度(0．5m、0．8m、1．0m、1．2m、1．5m、2．0m)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=150m×100m×50m;在模型上邊界施加10．9MPa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則。模擬中煤巖體物理力學參數(shù)如表2所示。

3．2模擬結果分析

不同充填體寬度下留巷圍巖的位移情況如圖4所示。由圖4可知，在巷內支護參數(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。當充填體寬度為0．5m時，頂?shù)装逡平繛?300mm，兩幫移近量為1140mm;充填體寬度增加至2．0m時，頂?shù)装逡平繛?00mm，兩幫移近量為150mm，較0．5m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580．5m增加至1．2m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1．2m增加至2．0m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1．2m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1．2m。圖5為1．2m充填體寬度下的垂直應力分布特征。由圖5可知，工作面回采時，充填墻體內的最大垂直應力為10～17MPa，低于改性混凝土的抗壓強度，因此，1．2m寬度的充填體在留巷期間可以保持穩(wěn)定。

4現(xiàn)場應用試驗

4．1沿空留巷安全支護技術措施

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1．0m，單體柱必須緊貼煤壁支打，柱帽為長度1．0m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，確認柔模支設處頂板完好后，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，柔模兩側加強錨索(第一根、第二根)選用D21．8mm×7200mm鋼絞線，錨索配2m長槽鋼;第三根、第四根錨索選用D21．6mm×5200mm鋼絞線，錨索配2m長槽鋼;第五根錨索選用D21．6mm×5200mm鋼絞線，錨索配0．4m長槽鋼，槽鋼間距1m。鋼絞線張拉后，D21．6mm錨索設計承載能力為318kN，D21．8mm錨索設計承載能力為364kN，張拉預緊力不小于300kN。

4．2應用效果分析

為驗證1．2m寬度充填體的留巷效果，在3216工作面巷道內布置測站，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。由圖6可知，沿空留巷圍巖的變形量主要在滯后工作面0～60m的范圍內急劇增長，在滯后工作面80m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?93mm，兩幫的累計變形量為211mm，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需求。

5結語

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)根據新景煤礦3216工作面的實際地質條件，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1．2m。3)根據實際條件設計了沿空留巷的安全支護措施，現(xiàn)場試驗結果表明，采用1．2m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。

參考文獻:

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作者：詹虎榮 單位：山西新景礦煤業(yè)有限責任公司