高水材料水灰比研究在煤礦沿空留巷中的應用

郅榮偉

（山西工程職業(yè)學院采礦工程系，山西 太原 030001）

1 高水材料簡介

高水材料本身和相關聯(lián)技術趨于完善，并在多個礦務局的煤礦實施，留巷效果優(yōu)良。

高水材料為快速凝結固化的特種水泥，并且可以在較高水灰比條件下(W/C=1.2:1～7.5:1)凝固。高水材料分為甲料、乙料，甲料漿與乙料漿兩種材料漿液按等量比例配合均勻使用。兩種料漿分開存放，可以達到24 h 不凝結，當甲料漿和乙料漿這兩種料漿相互混合均勻后則可以快速凝結固化。

高水材料抗壓強度與水灰比大小成反相關(如圖1 所示)。水灰比越小，強度會越高，相同單位體積充填需使用高水材料越多，水用量越少；反之，水灰比越大，相同單位體積充填需要使用的高水速凝砂漿材料可以越少，水用量相對來說就越多，但是凝固結晶體強度就會越低。

2 充填支護墻體水灰比確定

為了更好地分析常村煤礦沿空留巷巷旁充填支護墻體合適水灰比，根據(jù)常村煤礦92102 軌道順槽生產(chǎn)地質條件，利用FLAC3D模擬分析開采沿空留巷后，充填體及圍巖的應力分布特性及塑性變化等情況，研究確定巷旁充填體水灰比等。

根據(jù)實際地質等情況，模擬煤層厚度1.2 m，計算模型尺寸長×寬×高=150.55 m×72 m×39.52 m，模型上部邊界壓力按采深600 m 計算，巷道寬×高=3.4 m×2.4 m（中線），數(shù)值計算模型圖。巖石性能及力學參數(shù)見表1。

表1 巖石性能及力學參數(shù)

2.1 充填支護墻體寬度確定

模擬充填支護墻體寬度在1.0 m 時，該材料水灰比為1.5:1、1.0:1、1.8:1 和2.0:1（強度對應圖1），巷旁充填支護墻體寬度均為1.0 m，留巷寬度3.4 m。高水速凝材料不同水灰比條件下沿空留巷圍巖應力分布如圖2 所示。

圖2 不同水灰比條件下沿空留巷圍巖應力分布

由圖2 可知，高水速凝材料不同水灰比條件下留巷圍巖應力分布有以下規(guī)律：

（1）當高水速凝材料水灰比為1.0:1 時，充填支護墻體內最大應力為16.25 MPa，實體煤幫最大應力為15.18 MPa；當高水速凝材料水灰比為1.5:1時，充填支護墻體內最大應力為7.8 MPa，實體煤幫最大應力為16.00 MPa；高水速凝材料水灰比為1.8:1 時，充填支護墻體內最大應力3.81 MPa，實體煤幫最大應力16.66 MPa；當高水速凝材料水灰比為2.0:1 時，充填支護墻體內最大應力2.71 MPa，實體煤幫最大應力16.7 MPa。即隨著高水速凝材料水灰比增大，墻體強度減小，墻體應力減小，實體煤幫應力增大。

（2）當高水速凝材料水灰比為2.0:1 或1.8:1 時，巷旁充填支護墻體均未出現(xiàn)穩(wěn)定承載應力核，充填支護墻體都處于完全塑性承載狀態(tài)，且巷旁充填支護墻體靠近巷內一側位置出現(xiàn)應力集中。說明巷旁充填支護墻體已被壓變形，充填支護墻體穩(wěn)定性差。當高水速凝材料水灰比小于1.5:1 時，采空區(qū)巷旁充填支護墻體內出現(xiàn)承載最強應力區(qū)，且隨著材料水灰比的下降，巷旁充填支護墻體的承載能力越強，巷道圍巖越穩(wěn)定。

高水速凝材料不同水灰比條件下一次采動穩(wěn)定后沿空留巷圍巖變形量如圖3 所示，其中兩幫變形量是充填體幫與實煤體幫移近量的和。

圖3 不同水灰比條件下沿空留巷圍巖變形量

由圖3 可知，高水速凝材料不同水灰比條件下沿空留巷圍巖變形量有以下規(guī)律，

（1）當巷旁充填支護墻體高水速凝材料水灰比為1.0:1，巷道的頂板下沉量達136.89 mm，充填支護墻體幫最大移近量146.75 mm，實煤體幫最大移近量3.73 mm，充填支護墻體上方頂板最大下沉量154.22 mm；當巷旁充填支護墻體高水速凝材料水灰比為1.5:1 時分別為159.5 mm、190 mm、5.8 mm 和183.1 mm；當水灰比為2.0:1 時分別為230.11 mm、271.13 mm、12.63 mm 和259.43 mm?？傻贸觯谙锱猿涮钪ёo墻體相等的墻體寬度條件下，隨著材料水灰比增大（充填支護墻體強度的下降），沿空留巷的圍巖位移量呈現(xiàn)逐漸變大的趨勢。

（2）當巷旁充填支護墻體水灰比在1.5:1 時，巷旁充填支護墻體可以切斷巷旁充填支護墻體外側一定厚度的頂板，留巷圍巖的形變量較??；當支護體水灰比在2.0:1 及以上時，支護體不能切下采空區(qū)側巖板，只能被動適應頂板的下沉，沿空留巷的形變量較大，不能有效控制沿空留巷圍巖變形。

2.2 數(shù)值模擬結果分析

數(shù)值分析計算表明：巷旁充填支護墻體的水灰比太大會嚴重影響留巷的維護效果。由巷旁充填支護墻體變形和留巷變形受控的情況，當巷旁充填支護墻體水灰比為1.5:1 時可以保障較好的巷道控制效果。

3 工業(yè)性試驗

3.1 巷內增強支護

沿空留巷需要經(jīng)歷兩次采煤面采動的影響，頂板活動強烈，為控制沿空留巷頂板，提高留巷效果，需在現(xiàn)有錨桿支護的基礎上進行增強支護，具體增強支護如下：

采用Φ17.8×6200 mm 預緊應力錨索對巷道頂板進行增強支護，錨索每排兩根，排距1600 mm，間距1200 mm，每根錨索分別采用一支CK2340 藥卷和兩支Z2360 藥卷，每根錨索采用300×300×16 mm 鋼托盤和一鎖套，錨索安裝預緊應力不小于195 kN，錨索錨固力不小于380 kN；實煤體幫及留巷幫下部采用直徑20 mm、長2.2 m 的螺紋鋼錨桿加強支護。巷內增強支護布置如圖4 所示。

圖4 92102 軌道順槽巷內增強支護布置圖

為了增加支護體的承載能力和抗橫向變形能力，提高其整體的穩(wěn)定性，采用前述方法，采用對拉錨桿來抵抗充填支護墻體橫向變形，安裝對拉錨桿和鋼筋梯子梁保持充填支護墻體的整體穩(wěn)定性。具體方法如下：距充填支護墻體上方往下250 mm穿頂部對拉錨桿，距下方往上250 mm 穿底部對拉錨桿，對拉錨桿的間排距為900 mm×900 mm（如圖5 所示）。

圖5 92102 軌道順槽沿空留巷充填支護墻體對拉鋼筋加固示意圖

3.2 對拉錨桿載荷及充填支護墻體載荷分析

充填支護墻體與對拉錨桿載荷取決于充填支護墻體承受荷載的大小和充填支護墻體抗橫向變形的能力。由圖6 可知：在工作面后方20 m 以內，頂板發(fā)生緩慢下沉，此時充填支護墻體已經(jīng)開始發(fā)揮承載作用。由于充填支護墻體早期強度高，上部巖體在實體側幫發(fā)生一次破斷后，對支護墻體發(fā)生擠壓作用，其作用力處于一個快速增長的階段，所以初期充填支護墻體所承受的附加荷載較小，其對應的對拉桿體應力比較小。在工作面后方25～50 m 范圍內，由圖可知，對拉錨桿應力達到極值，說明在這一范圍內，上位頂板發(fā)生了二次斷裂，圍巖活動劇烈，礦壓顯現(xiàn)明顯，導致對拉錨桿應力增長較快。在工作面后方60～120 m 范圍內，此時基本頂上方的巖層被充填支護墻體有效切斷，更上位巖層得到冒落矸石有效支撐，上位巖層應力重新分布，頂板活動趨于緩和，此階段對拉錨桿載荷增速較緩。在該面后方100～120 m 后，此階段屬于平穩(wěn)階段，對拉錨桿應力趨于穩(wěn)定。

圖6 對拉錨桿的受力與回采面距離的關系

綜合上述分析，采用高水速凝材料的充填支護墻體在性能上滿足常村礦沿空留巷要求，不僅具有早期強度高的優(yōu)點，且其增阻快速，穩(wěn)定性好，能很好地滿足現(xiàn)場工程實踐的要求。

4 主要結論

（1）通過對載荷監(jiān)測結果分析，得到了該留巷充填體的荷載規(guī)律，即在工作面后方20 m 以內，頂板發(fā)生緩慢下沉；在工作面后方25～50 m 范圍內，對拉錨桿應力達到極值，上位頂板發(fā)生了二次斷裂，圍巖活動劇烈，導致對拉錨桿應力增長較快；在工作面后方60～120 m范圍內，上位巖層應力重新分布，頂板活動趨于緩和，此階段對拉錨桿載荷增速較緩；在工作面后方100～120 m 后，此階段屬于平穩(wěn)階段，對拉錨桿應力趨于穩(wěn)定。

（2）常村煤礦92102 軌道順槽沿空留巷所采用的水灰比方案在技術上可行、經(jīng)濟上合理，滿足工程實踐要求。