沿空留巷巷旁充填材料性能優(yōu)化研究

黃正棟，張東峰，張小強(qiáng)

（太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030000）

沿空留巷技術(shù)是對(duì)上個(gè)工作面的運(yùn)輸巷道進(jìn)行復(fù)用，以滿足其作為鄰近工作面回風(fēng)巷道的二次使用[1]，該技術(shù)具有提高資源采出率、減少巷道掘進(jìn)量、改善工作面通風(fēng)條件等優(yōu)點(diǎn)[2-4]。但在實(shí)際工程中，由于巷旁巷道受多次采動(dòng)的影響，傳統(tǒng)的巷旁充填體存在脆性大、可收縮量小等缺點(diǎn)，難以適應(yīng)沿空留巷圍巖的變形，嚴(yán)重影響了沿空留巷充填效果，為此，許多學(xué)者對(duì)巷旁充填體進(jìn)行了大量研究。李迎富等[5]提出了關(guān)鍵塊的穩(wěn)定性判據(jù)；巨峰等[6]提出了固體充填采煤沿空留巷“承重巖層-充填體-巷旁支護(hù)體-巷內(nèi)支護(hù)體煤體”上覆巖層協(xié)同控制系統(tǒng)的概念；徐金海等[7]發(fā)現(xiàn)了充填體的穩(wěn)定性主要取決于充填體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、幾何尺寸、材料性能等；寧建國等[8]以沿空留巷巷旁支護(hù)的力學(xué)模型和數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，提出了充填體應(yīng)具有較大的可縮量，允許頂板有一定下沉從而釋放掉頂板壓力的結(jié)論；韓昌良等[9]將頂?shù)装搴统涮铙w視作復(fù)合承載結(jié)構(gòu)，通過分析頂板不同運(yùn)動(dòng)階段對(duì)復(fù)合承載結(jié)構(gòu)的作用，從而確定充填體的合理尺寸；鄧雪杰等[10]采用理論分析和數(shù)值模擬的方法研究了不同埋深、巷旁充填體寬度和強(qiáng)度條件下沿空留巷圍巖應(yīng)力演化與移動(dòng)破壞的特征；張東升[11-12]等采用相似模擬對(duì)沿空留巷基本頂破斷位置與形狀、不同支護(hù)方式對(duì)頂板的影響以及巷旁充填參數(shù)進(jìn)行了研究；唐建新等[13]基于斜中厚煤層綜采工作面沿空留巷頂板巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其變形特征,分析了采用普通混凝土進(jìn)行巷旁充填沿空留巷的可行性，提出了支護(hù)體具有增阻速度快和較大的變形量的結(jié)論；譚云亮[14]等提出沿空留巷支護(hù)適應(yīng)性原理，構(gòu)建了“柔-強(qiáng)”組合巷旁支護(hù)力學(xué)結(jié)構(gòu)模型；康紅普[15]等提出深部沿空留巷支護(hù)原則：高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)度、高剛性并具有足夠沖擊韌性的錨桿與錨索的巷內(nèi)支護(hù)，高支撐力的巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)能控制頂板下沉及離層，利于沿采空側(cè)切斷頂板；柏建彪[16]等認(rèn)為巷旁支護(hù)體應(yīng)具有足夠的支護(hù)強(qiáng)度及適量的可縮量。前者切落足夠高度的頂板巖層，使更上位巖層得到采空區(qū)矸石的支撐，后者滿足上覆巖層的旋轉(zhuǎn)下沉，防止巷旁支護(hù)體破壞。上述學(xué)者對(duì)沿空留巷巷道充填體的性質(zhì)提出了一定的建議，基于此，以沿空留巷巷旁充填體混凝土為研究對(duì)象，通過添加鋼纖維和聚合物，來優(yōu)化改變混凝土不可協(xié)調(diào)變形的脆性特征[17-19]，使其具有一定的可協(xié)調(diào)變形特征，且不喪失要求的承載能力，從而達(dá)到“讓壓-承載”相互協(xié)調(diào)支護(hù)的目的[20]；并將最佳配比下改進(jìn)后的巷旁充填材料的力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，對(duì)巷旁充填體應(yīng)力和頂?shù)装逦灰谱兓Y(jié)果進(jìn)行分析，檢驗(yàn)改性混凝土的讓壓性能，為沿空留巷巷旁充填體的改進(jìn)提供一條新思路。

1 巷旁充填材料試驗(yàn)

1.1 巖層力學(xué)參數(shù)

山西梗陽麥地掌煤礦2#煤層位于山西組中部，平均埋藏深度在650 m，煤層厚度在1.55～3.25 m，平均為2.4 m，煤層傾角為2°～11°，平均約6°，煤層結(jié)構(gòu)簡單，屬全井田穩(wěn)定可采煤層。具體的煤和頂?shù)装宓母鲙r層力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanics parameters of rock stratum

1.2 試驗(yàn)材料與方法

充填材料混凝土采用的水泥為P.II42.5硅酸鹽水泥；細(xì)骨料采用標(biāo)準(zhǔn)中級(jí)砂；粗骨料采用5～20mm連續(xù)級(jí)配碎石；水為實(shí)驗(yàn)室自來水；鋼纖維采用銑削波浪型鋼纖維；聚合物為乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA，Ethylene Vinyl Acetate）。改性混凝土試件的乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）摻量分別為5%、10%、15%、20%，放入養(yǎng)護(hù)箱中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

試驗(yàn)用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件進(jìn)行混凝土試件的單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試?；炷猎嚰屋S抗壓強(qiáng)度的測(cè)試方法依據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》和《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，加載速度設(shè)置為0.5 MPa/s。

1.3 應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)

試件單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1。

圖1 單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖Fig.1 Uniaxial compress stress-strain curves

以單軸抗壓最大軸向應(yīng)變率展現(xiàn)混凝土材料的讓壓性能，具體表現(xiàn)為充填體隨頂板活動(dòng)最多可下降的高度[20]。由圖1可以看出，聚合物和鋼纖維的摻入提高了混凝土的塑性變形能力和荷載峰后延性；隨著聚合物摻量的增加，混凝土試件的最大軸向應(yīng)變率先增大最后減少，當(dāng)聚合物摻量為15%時(shí)混凝土材料的讓壓性最大，高達(dá)6.10%，而基準(zhǔn)混凝土的讓壓性僅有0.87%。說明在基準(zhǔn)混凝土中加入聚合物能夠增加混凝土試件的變形能力，提高其讓壓性能。并最終將聚合物摻量確定為15%。

1.4 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

改性混凝土試件的抗壓強(qiáng)度在不同時(shí)間的變化如圖2。

圖2 混凝土強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系Fig.2 Relation of concrete strength to time

由圖2可以看出，改性混凝土試件在1～3 d時(shí)，抗壓強(qiáng)度相比于基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度增長的較慢，這主要是因?yàn)榫酆衔锏膿饺?，減緩了水泥水化的速度，從而使改性混凝土的前期強(qiáng)度增長速度低于基準(zhǔn)混凝土；在3～7 d時(shí)，改性混凝土試件抗壓強(qiáng)度增加的速度追趕上基準(zhǔn)混凝土增長的速度，分析原因認(rèn)為聚合物在混凝土試件內(nèi)部形成日趨完整的薄膜及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與水泥水化物相互纏繞，對(duì)其內(nèi)部空隙起到填充作用并發(fā)揮其承載作用。改性混凝土與基準(zhǔn)混凝土相比，28 d強(qiáng)度可以達(dá)到基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度的77.5%。

1.5 彈性模量試驗(yàn)

改性混凝土試件彈性模量在不同時(shí)間的變化如圖3。

圖3 彈性模量與時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Relation of elasticity modulus to time

由圖3可以看出，改性混凝土的彈性模量相比于基準(zhǔn)混凝土下降較多，一是因?yàn)榫酆衔镌诨炷林行纬傻谋∧ぜ熬W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有一定的塑性，牽制住了混凝土結(jié)構(gòu)；二是因?yàn)殂娤鞑ɡ诵弯摾w維的摻入提高固結(jié)體的剛性，兩者的共同作用導(dǎo)致了混凝土試件彈性模量的降低。彈性模量越低，受同荷載條件下其讓壓性能表現(xiàn)越好，改性混凝土的讓壓性能較基準(zhǔn)混凝土更好。

1.6 曲線擬合

通過對(duì)圖2、圖3中改性混凝土抗壓強(qiáng)度p和彈性模量E隨時(shí)間t變化的點(diǎn)線圖進(jìn)行曲線擬合得到式（1）和式（2）：

式中：p為充填體強(qiáng)度，MPa；t為時(shí)間，d。

擬合的四次函數(shù)曲線相關(guān)系數(shù)R2為0.996 75，具有較好的可信度。

式中：E為充填體彈性模量，GPa。

擬合的四次函數(shù)曲線相關(guān)系數(shù)R2為0.980 97，具有較好的可信度。

2 數(shù)值模擬

由于沿空留巷巷道受到工作面二次采動(dòng)的影響，因此需要進(jìn)一步提高巷旁充填體的讓壓承載能力，使充填體在多次采動(dòng)影響下具備較好的完整性，可以適應(yīng)頂板活動(dòng)起到讓壓作用，提高留巷效果。采用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件FLAC3D進(jìn)行模擬，分析不同工作面下巷旁充填體的垂直應(yīng)力變化和頂?shù)装逡平?，檢測(cè)改性混凝土的讓壓性能。

2.1 數(shù)值模擬模型

模擬巷道為山西梗陽麥地掌煤礦21213工作面回風(fēng)巷，模型初始地應(yīng)力采用井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，使用水壓致裂法在該工作面附近進(jìn)行原巖應(yīng)力測(cè)量，測(cè)量結(jié)果為：最大水平主應(yīng)力19.79 MPa，方向N33.5°W，最小水平主應(yīng)力9.77 MPa，垂直主應(yīng)力15.5 MPa。

巷道斷面尺寸（寬×高）4 400 mm×2 400 mm，充填體使用混凝土泵泵注接頂，巷旁充填體設(shè)置4種寬度分別為0.8、1.2、1.6、2.0 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件建立計(jì)算模型，模型中各邊界均留有一定的邊界影響區(qū)域，最終確定模型的尺寸為140 m×120 m×50 m（長×寬×高）。為使模型接近井下實(shí)際回采情況，采用分步開挖，對(duì)于21213工作面每次推進(jìn)3 m，共推進(jìn)30次；對(duì)于21214工作面每次推進(jìn)6 m，共推進(jìn)15次。巷旁充填體緊隨工作面充填，并賦予充填體第1 d的強(qiáng)度和彈性模量，再次推進(jìn)時(shí)，對(duì)已澆筑的充填體賦予后1 d的強(qiáng)度和彈性模量。模型中巖層、煤層和充填體均服從莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則。

2.2 21213工作面下巷旁充填體模擬

21213工作面1.2 m巷旁充填體垂直應(yīng)力分布云圖如圖4。21213工作面下不同寬度充填體垂直應(yīng)力分布如圖5。

圖4 21213工作面1.2 m巷旁充填體垂直應(yīng)力分布云圖Fig.4 Vertical stress distribution of 1.2 m filling body in 21213 working face

圖5 21213工作面充填體應(yīng)力分布圖Fig.5 Vertical stress distribution of filling body in 21213 working face

由圖4可知，當(dāng)工作面推進(jìn)30 m時(shí)，巷旁充填體的垂直應(yīng)力為17.24 MPa；當(dāng)工作面推進(jìn)到60 m時(shí)，垂直應(yīng)力為18.56 MPa；當(dāng)工作面推進(jìn)到90 m時(shí)，垂直應(yīng)力為18.87 MPa。隨著21213工作面的推進(jìn)，巷旁充填體主要承受上覆巖層的重力以及采空區(qū)一側(cè)頂板的回轉(zhuǎn)下沉，適應(yīng)頂板活動(dòng)，起到支撐作用。

從圖5可以看出，在工作面推進(jìn)0～9 m范圍內(nèi)，隨著工作面距離的推進(jìn)，充填體垂直應(yīng)力增加速度非常劇烈；在工作面推進(jìn)9～27 m后，充填體垂直應(yīng)力的增加速度有所下降；在工作面推進(jìn)27 m后，垂直應(yīng)力逐漸穩(wěn)定。當(dāng)充填體寬度由0.8 m增加到1.2 m時(shí)，巷旁充填體內(nèi)最大垂直應(yīng)力從17.14 MPa增大至18.87 MPa，垂直應(yīng)力增長幅度為10.09%；而當(dāng)充填體寬度由1.2 m增加到1.6 m時(shí)，充填體垂直應(yīng)力增幅僅為6.31%；當(dāng)充填體寬度由1.6 m增加2.0 m時(shí)，充填體垂直應(yīng)力增幅為5.73%。

21213工作面1.2 m巷旁充填體頂?shù)装逡平孔兓瘓D如圖6。21213工作面充填體處頂?shù)装逡平咳鐖D7。

圖6 21213工作面1.2 m巷旁充填體頂?shù)装逡平孔兓瘓DFig.6 Displacement of upper and lower plate of 1.2 m filling body in 21213 working face

圖7 21213工作面充填體處頂?shù)装逡平縁ig.7 Displacement of upper and lower plate in 21213 working face

由圖6可知，當(dāng)工作面推進(jìn)到30 m時(shí)頂?shù)装逡平繛?11 mm；當(dāng)工作面推進(jìn)到60 m時(shí)，移近量為289 mm，當(dāng)工作面推進(jìn)到90 m時(shí)，頂?shù)装逡平吭黾拥?12 mm。

由圖7可以看出，工作面推進(jìn)在0～9 m范圍內(nèi)時(shí)，充填體處頂?shù)装逡平坑兴黾?，因?yàn)轫敯鍛衣冻跗谧陨淼淖苑€(wěn)能力未給巷旁充填體太多的壓力，充填體初期彈性模量較小，可提供的變形大；工作面推進(jìn)在9～21 m范圍內(nèi)時(shí)，充填體處頂?shù)装逡平吭黾虞^多，此時(shí)是因?yàn)轫敯鍛衣睹娣e的增大，使得充填體所受壓力增加，此時(shí)充填體強(qiáng)度還不是很大，也有較好的塑性變形能力，充填體發(fā)揮讓壓性能隨頂板一起下沉并釋放壓力；工作面推進(jìn)在21～45 m范圍內(nèi)時(shí)，充填體處頂?shù)装逡平康脑黾佑兴鶞p緩，且隨著充填體寬度的增加，頂?shù)装逡平吭黾铀俣仍叫?，越早平緩，這是由于之前充填體隨著頂板下沉釋放壓力后，之后充填體所受壓力得以緩解，充填體所受應(yīng)力和頂?shù)装逡平克俣仍黾拥南鄬?duì)較慢；工作面推進(jìn)45～90 m范圍內(nèi)，充填體的應(yīng)力和頂?shù)装逡平康脑黾佑衅椒€(wěn)的趨勢(shì)，并最終趨于穩(wěn)定。當(dāng)充填體寬度由0.8 m增加到1.2 m時(shí)，充填體處頂?shù)装逡平繌?60 mm減小到312 mm，減少了13.33%；當(dāng)充填體寬度由1.2 m增加到1.6 m時(shí)，頂?shù)装逡平繙p少了14.1%；當(dāng)充填體寬度由1.6 m增加到2.0 m時(shí)，頂?shù)装逡平繙p少了24.3%。

2.3 21214工作面下巷旁充填體模擬

隨著21214工作面的推進(jìn)，沿空留巷受到二次采動(dòng)的影響，此時(shí)承受上覆巖層重力及21213、21214采空區(qū)兩側(cè)頂板的回轉(zhuǎn)下沉。21214工作面1.2 m巷旁充填體垂直應(yīng)力分布圖8。21214工作面充填體垂直應(yīng)力分布圖如圖9。

圖8 21214工作面1.2 m巷旁充填體垂直應(yīng)力分布Fig.8 Vertical stress distribution of 1.2 m filling body in 21214 working face

圖9 21214工作面充填體垂直應(yīng)力分布圖Fig.9 Vertical stress distribution of filling body in 21214 working face

由圖8可知，此時(shí)的垂直應(yīng)力較21213工作面時(shí)提高了，當(dāng)工作面推進(jìn)到90 m時(shí)，垂直應(yīng)力為25.95 MPa，增加了37.51%。

由圖9可知，當(dāng)充填體寬度為1.6 m和2 m時(shí)巷旁充填體垂直應(yīng)力曲線與圖5形式大致相同，而充填體寬度為0.8 m和1.2 m時(shí)巷旁充填體垂直應(yīng)力下降的較多；當(dāng)充填體寬度由1.2 m增加到1.6 m時(shí)，充填體垂直應(yīng)力增加較為明顯，從25.95 MPa增加到28.49 MPa，增幅為9.8%；當(dāng)充填體寬度由1.6 m增加到2 m時(shí)，充填體垂直應(yīng)力增幅僅為0.34%。

21214工作面1.2 m巷旁充填體頂?shù)装逡平孔兓鐖D10。21214工作面充填體處頂?shù)装逡平咳鐖D11。

圖10 21214工作面1.2 m巷旁充填體頂?shù)装逡平孔兓瘓DFig.10 Displacement of upper and lower plate of 1.2 m filling body in 21214 working face

圖11 21214工作面充填體處頂?shù)装逡平縁ig.11 Displacement of upper and lower plate in 21214 working face

由圖10可知，當(dāng)工作面推進(jìn)到30 m時(shí)，總的頂?shù)装逡平繛?16 mm，總的移近量為327 mm；60 m時(shí)為164 mm,總的移近量為453 mm；90 m時(shí)為192 mm，總的移近量為505 mm。工作面不斷推進(jìn)，巷旁充填體可以發(fā)揮其較好的變形能力，以適應(yīng)基本頂巖層旋轉(zhuǎn)下沉引起的變形。

由圖11可知，工作面推進(jìn)在0～6 m范圍內(nèi)時(shí)，21214工作面頂板自身的自穩(wěn)能力使得頂?shù)装逡平吭黾拥牟欢?；工作面推進(jìn)在6～24 m范圍內(nèi)時(shí)，充填體處頂?shù)装逡平吭黾拥妮^多，此階段相比于21213工作面開采時(shí)要提前較多，是因?yàn)?1214工作面的開采使得頂板懸露面積的非常大，此時(shí)充填體仍有較好的讓壓性能，隨頂板的回轉(zhuǎn)下沉產(chǎn)生位移；工作面推進(jìn)在24～48 m范圍內(nèi)時(shí)，充填體處頂?shù)装逡平康脑黾佑兴鶞p緩，且隨著充填體寬度的增加，頂?shù)装逡平吭黾铀俣仍叫?，越早平緩；工作面推進(jìn)48 m范圍后，寬度為1.6 m和2 m的充填體頂?shù)装逡平吭黾恿亢茉缇推椒€(wěn)到1個(gè)大致范圍，充填體寬度0.8 m，充填體頂?shù)装逡平咳栽谠黾?，且沒有平穩(wěn)的趨勢(shì)，外加21213工作面開采時(shí)頂?shù)装宓囊平?，共移近?86 mm，此時(shí)充填體及巷道頂?shù)装遄冃屋^大，雖然充填體充分發(fā)揮了其讓壓性能，但頂?shù)装逡蛞平孔罱K沒有放緩的趨勢(shì)，所以寬度為0.8 m的充填體無法滿足生產(chǎn)需求；而充填體寬度為1.2 m時(shí)，平緩時(shí)間雖遲于充填體寬度為1.6 m和2 m，但最終達(dá)到平穩(wěn)的趨勢(shì)，能充分發(fā)揮其讓壓作用，說明改性混凝土與頂板運(yùn)動(dòng)匹配性較好，可隨頂板一起下沉來釋放頂板壓力，達(dá)到讓壓-承載支護(hù)的目的。

3 結(jié) 語

1）聚合物（EVA）對(duì)巷旁充填體混凝土有較好的改性作用，使其具有了較好的變形能力，提高了讓壓性能，當(dāng)聚合物摻量為15%時(shí)改性效果最佳。

2）改性混凝土材料前期因鋼纖維和聚合物的存在，具有一定的強(qiáng)度和塑性變形能力，可隨頂板下沉較多距離后釋放頂板壓力，后期有足夠的強(qiáng)度切斷頂板，達(dá)到從而達(dá)到“讓壓-承載”相互協(xié)調(diào)支護(hù)的目的。

3）數(shù)值模擬結(jié)果顯示在工作面推進(jìn)時(shí)，巷旁充填體的應(yīng)力和頂?shù)装逡平颗c充填體材料的讓壓性能有著較大的關(guān)系。改性混凝土作為巷旁充填體，在保證自身強(qiáng)度的條件下，可以隨頂板的下沉，并且巷道充填體寬度為1.2 m讓壓性能最好。

4）以改性混凝土作為巷旁充填體的數(shù)值模擬結(jié)果為基礎(chǔ)，未來應(yīng)將其應(yīng)用到沿空留巷實(shí)際工作中去，進(jìn)一步考察其讓壓性能。