超高水材料充填回收淺埋大巷煤柱參數(shù)設(shè)計(jì)及圍巖變形控制研究

許俊恒 任曉鵬 王小東

（北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100013）

自“綠色開采”理念被提出后，充填開采得到了更廣泛地應(yīng)用，同時充填開采技術(shù)、理論和材料等研究也得到了越來越多學(xué)者的青睞［1-2］。充填開采具有控制周圍圍巖變形、控制覆巖離層、保護(hù)地表建筑物和土地、減少固體廢棄物堆放、保護(hù)環(huán)境和提高“三下”煤層的開采率等優(yōu)點(diǎn)［3］。目前常用的充填材料有矸石、膏體、尾砂和高水材料等，其中高水材料相比傳統(tǒng)充填材料具有施工效率高、環(huán)境無害性和接頂率高等優(yōu)勢，但同時也存在原材料成本較高的缺點(diǎn)［4-5］。為了降低成本，有學(xué)者在高水材料基礎(chǔ)上研究出了含水率更高的超高水材料，在保證強(qiáng)度的前提下，降低了原材料用量，節(jié)約了成本［6］。

目前對超高水材料的研究主要針對其力學(xué)性能和材料配比等方面，對于現(xiàn)場應(yīng)用存在的問題研究較為缺乏，如泌水率較高和凝結(jié)時間較長等［7-8］。針對上述問題，現(xiàn)有的解決措施是通過改變添加劑用量加速材料的凝結(jié)和降低泌水率，如王成等研究發(fā)現(xiàn)AA添加劑能顯著影響超高水材料的流動性、泌水率和強(qiáng)度等［9-10］。但是作為工業(yè)原材料的添加劑成本較高，極大地限制了材料的應(yīng)用［11］。因此，如何在不增加成本的基礎(chǔ)上改善超高水材料的性能，是目前研究的重點(diǎn)。

以往的研究表明，拌合水溫對高水材料的凝結(jié)時間、泌水率和強(qiáng)度等均有較大的影響［12-13］，但是對超高水材料的影響研究鮮有報道。本項(xiàng)目結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場應(yīng)用，對超高水材料在不同拌合水溫及添加劑摻量下的參數(shù)優(yōu)化及圍巖變形控制效果進(jìn)行研究。

1 工程背景

本研究充填回收淺埋大巷煤柱以納二礦6-2116工作面為工程背景，該工作面中部存在3條貫穿整個工作面的大巷（輔運(yùn)大巷、回風(fēng)大巷和主運(yùn)大巷）、19條聯(lián)巷（順槽開口段）和3個暗井，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，依靠充填開采能較大程度保障施工安全?，F(xiàn)場工作面巷道布置示意如圖1所示。

工作面上部為伊泰集團(tuán)災(zāi)害治理作業(yè)區(qū)域，因此導(dǎo)致回采6-2116工作面時，其上部覆土層厚度處于不斷變化之中，厚度變化區(qū)域大致處于70～150 m。在回采初期，工作面礦壓顯現(xiàn)較同煤層其他工作面劇烈，3條大巷口經(jīng)常出現(xiàn)切頂漏矸現(xiàn)象，平行于工作面的聯(lián)巷頂板也曾大面積垮落，嚴(yán)重影響施工安全。因此，研究超高水材料充填回收淺埋大巷煤柱參數(shù)設(shè)計(jì)及圍巖變形控制可為相似礦井的安全生產(chǎn)提供科學(xué)的理論依據(jù)及可行的參考模式。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 原材料及配比

本次試驗(yàn)所用的原材料主要有以下5種：①A料，硫鋁酸鹽水泥，主要成分為硫鋁酸鈣和硅酸二鈣，主要水化產(chǎn)物為鈣釩石；②AA添加劑，作為促凝劑與A料混合，形成不凝結(jié)的甲液；③B料，主要成分是石膏和石灰，兩者比例為4∶1，能促進(jìn)A料中鈣釩石的生成速率和生成速率；④BB添加劑，作為緩凝劑與B料混合，形成不凝結(jié)的乙液，現(xiàn)場將甲乙2液分別輸送至工作區(qū)后混合，能快速凝結(jié)形成具有一定強(qiáng)度的固結(jié)體；⑤不同溫度的拌合水。4種原材料實(shí)物如圖2所示。通過XRD對4種原材料進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖3所示。各材料的配比如表1所示。

2.2 試樣制備

首先將A料與AA料混合攪拌30 s，然后加入三分之一的水與其混合攪拌2 min制備甲液；然后將B料與BB料混合攪拌30 s，然后加入三分之一的水與其混合攪拌2 min制備乙液；最后將甲液與乙液混合攪拌，直至將要凝結(jié)時，將其澆入?50 mm×100 mm的模具中，24 h后脫模，放入與水溫相同的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)箱濕度為95%。

2.3 試樣方案

將不同組別60 mL攪拌完成的混合漿液倒入100 mL量筒中進(jìn)行泌水率測試，通過維卡儀對漿液的初始凝時間進(jìn)行測試，根據(jù)GB/T 8077—2012規(guī)范測試材料流動度，通過萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測量了材料在不同養(yǎng)護(hù)齡期下的抗壓強(qiáng)度。上述所有測試結(jié)果均是3次測試平均值。最后通過SEM掃描電鏡觀測材料微觀結(jié)構(gòu)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 凝結(jié)時間

不同拌合水溫及AA料摻量條件下超高水材料凝結(jié)時間如圖4所示。從圖中可以看出，拌合水溫及AA料摻量對材料的凝結(jié)時間具有較大的影響，當(dāng)AA料摻量一定時，材料的凝結(jié)時間隨著拌合水溫的增加而降低，當(dāng)水溫高于20℃時，降低速率有所下降，產(chǎn)生上述情況的原因是適當(dāng)?shù)乃疁啬軌虼龠M(jìn)鈣釩石的水化反應(yīng)速率。根據(jù)以往的研究表明［14］，水溫過高會影響原材料的活性，因此過高的拌合水溫會降低材料水化反應(yīng)程度，從而延長凝結(jié)時間。當(dāng)拌合水溫一定時，材料的凝結(jié)時間隨著AA料摻量的增加而降低，說明AA料作為速凝劑能有效地促進(jìn)材料的凝結(jié)。

3.2 流動度

測試20℃拌合水溫下材料流動度隨AA料摻量的變化，結(jié)果如圖5所示。充填材料的流動度是反映材料輸送距離的重要指標(biāo)，經(jīng)過現(xiàn)場測試及相關(guān)計(jì)算，為了滿足充填要求，材料必須滿足前5 min流動度需大于210 mm。測試結(jié)果表明，材料的流動度隨AA料摻量的增加而減小，當(dāng)AA料摻量為3%時，材料在5 min時流動度為220 mm，仍能滿足工程需求。當(dāng)AA料摻量為1%時，5 min時流動度在300 mm以上，此時雖然能滿足自流輸送的要求，但易導(dǎo)致泌水率增加和接頂率不高等問題。

3.3 泌水率

泌水率是反映充填材料充填率的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對于含水率高達(dá)95%以上的超高水材料，防止泌水現(xiàn)象的發(fā)生是保證接頂率和充填效果的關(guān)鍵技術(shù)。測試部分不同拌合水溫及AA料摻量下材料的泌水率，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，所有材料均表現(xiàn)出前期泌水，后期吸水的特征，產(chǎn)生上述情況的原因是早期固體顆粒發(fā)生沉降，導(dǎo)致泌水現(xiàn)象的發(fā)生，后期隨著水化反應(yīng)的繼續(xù)發(fā)生，早期析出的水又能被吸收。在拌合水溫一定的條件下，隨著AA料摻量的增加，材料前期泌水率逐漸減小，后期吸水率逐漸增大；在AA料摻量一定的條件下，隨著拌合水溫的增加，材料前期泌水率逐漸減小，后期吸水率逐漸增大，但當(dāng)水溫為25℃時，材料泌水率變化趨勢與拌合水溫為20℃時十分相似。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果及經(jīng)濟(jì)成本考慮，可將拌合水溫設(shè)置為20℃及AA料摻量為2%。

3.4 抗壓強(qiáng)度

強(qiáng)度是反映充填體抵抗圍巖變形的一項(xiàng)重要指標(biāo)，測試部分不同拌合水溫及AA料摻量下材料在不同齡期的單軸抗壓強(qiáng)度，測試結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，所有材料均表現(xiàn)出強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大的趨勢，當(dāng)拌合水溫為20℃和25℃，AA料摻量為2%和3%時，材料的早期強(qiáng)度較高，說明拌合水溫及AA料摻量能影響材料早期的水化反應(yīng)。當(dāng)拌合水溫為20℃及AA料摻量為2%時，材料28 d的強(qiáng)度可達(dá)0.8 MPa，完全可以達(dá)到淺埋煤柱回采的充填強(qiáng)度要求。

部分不同拌合水溫及AA料摻量下材料在28 d養(yǎng)護(hù)齡期下的單軸抗壓試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖8所示。從圖中可以看出，所有試樣均屬于彈塑性材料，試樣的變形過程分為孔隙壓密階段、彈性階段、屈服變形階段和破壞階段［4］，且達(dá)到峰值應(yīng)力時應(yīng)變較大，峰值過后材料的殘余強(qiáng)度較高，對于圍巖變形較大的煤礦而言，能長期地控制圍巖變形。

3.5 微觀結(jié)構(gòu)

為了研究拌合水溫對材料微觀結(jié)構(gòu)的影響，選取養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的AA2W10和AA2W20兩組試樣進(jìn)行電鏡掃描，結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，超高水材料主要是由針柱狀的鈣釩石晶體所組成，鈣釩石晶體相互搭接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在滿足充填體強(qiáng)度的前提下能容納較多的自由水，因此材料具有超高的含水率。對比AA2W10和AA2W20兩組試樣的微觀結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，拌合水溫較高時，材料內(nèi)部的鈣釩石晶體數(shù)量較多，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加致密，說明適當(dāng)增加拌合水溫能促進(jìn)鈣釩石晶體的生成，從而提高材料的強(qiáng)度及降低材料的泌水率。

4 圍巖變形控制

通過上述室內(nèi)試驗(yàn)研究結(jié)果，現(xiàn)場擬采用超高水材料的拌合水溫為20℃，AA料摻量為2%，與前人的研究相比［8］，減少了AA料的用量，節(jié)約了成本。同時為了研究納二礦超高水材料充填效果，在該礦的6-2116綜采工作面大巷中布置頂板動態(tài)儀，監(jiān)測點(diǎn)如圖10所示，實(shí)時監(jiān)測充填開采過程中頂?shù)装逡平孔兓?guī)律。

選取其中某一監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖11所示。從圖中可以看出，隨著開采工作的推進(jìn)，頂?shù)装逡平勘憩F(xiàn)出先增大后穩(wěn)定的趨勢，在20 d左右時達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，說明此時充填體的強(qiáng)度大于上覆圍巖的變形作用力，此時頂?shù)装逡平考s為77 mm，說明充填體能較好地控制圍巖的變形，達(dá)到工程的安全要求。

5 結(jié)論

以內(nèi)蒙古納二礦淺埋煤礦回收大巷煤柱為工程背景，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場監(jiān)測，對超高水材料參數(shù)優(yōu)化及圍巖變形控制效果進(jìn)行研究，得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）適量增加拌合水溫及AA料摻量能降低超高水材料的凝結(jié)時間、流動度和泌水率，增加鈣釩石晶體生成量，提高強(qiáng)度。

（2）拌合水溫過高會影響原材料活性，AA料摻量過高會導(dǎo)致成本增加。綜合試驗(yàn)結(jié)果及成本，擬定超高水材料拌合水溫及AA料摻量分別為20℃和2%。

（3）現(xiàn)場充填開采過程中頂?shù)装逡平勘O(jiān)測結(jié)果表明，后期頂?shù)装逡平口呌诜€(wěn)定，圍巖變形較小，充填效果良好。