沿空留巷巷旁充填材料性能优化研究

2021-08-23黄正栋张东峰张小强

煤矿安全 2021年8期

黄正栋，张东峰，张小强

（太原理工大学矿业工程学院，太原 030000）

沿空留巷技术是对上个工作面的运输巷道进行复用，以满足其作为邻近工作面回风巷道的二次使用[1]，该技术具有提高资源采出率、减少巷道掘进量、改善工作面通风条件等优点[2-4]。但在实际工程中，由于巷旁巷道受多次采动的影响，传统的巷旁充填体存在脆性大、可收缩量小等缺点，难以适应沿空留巷围岩的变形，严重影响了沿空留巷充填效果，为此，许多学者对巷旁充填体进行了大量研究。李迎富等[5]提出了关键块的稳定性判据；巨峰等[6]提出了固体充填采煤沿空留巷“承重岩层-充填体-巷旁支护体-巷内支护体煤体”上覆岩层协同控制系统的概念；徐金海等[7]发现了充填体的稳定性主要取决于充填体内部结构、几何尺寸、材料性能等；宁建国等[8]以沿空留巷巷旁支护的力学模型和数值模拟为基础，提出了充填体应具有较大的可缩量，允许顶板有一定下沉从而释放掉顶板压力的结论；韩昌良等[9]将顶底板和充填体视作复合承载结构，通过分析顶板不同运动阶段对复合承载结构的作用，从而确定充填体的合理尺寸；邓雪杰等[10]采用理论分析和数值模拟的方法研究了不同埋深、巷旁充填体宽度和强度条件下沿空留巷围岩应力演化与移动破坏的特征；张东升[11-12]等采用相似模拟对沿空留巷基本顶破断位置与形状、不同支护方式对顶板的影响以及巷旁充填参数进行了研究；唐建新等[13]基于斜中厚煤层综采工作面沿空留巷顶板岩层运动规律及其变形特征,分析了采用普通混凝土进行巷旁充填沿空留巷的可行性，提出了支护体具有增阻速度快和较大的变形量的结论；谭云亮[14]等提出沿空留巷支护适应性原理，构建了“柔-强”组合巷旁支护力学结构模型；康红普[15]等提出深部沿空留巷支护原则：高预应力、高强度、高刚性并具有足够冲击韧性的锚杆与锚索的巷内支护，高支撑力的巷内加强支护能控制顶板下沉及离层，利于沿采空侧切断顶板；柏建彪[16]等认为巷旁支护体应具有足够的支护强度及适量的可缩量。前者切落足够高度的顶板岩层，使更上位岩层得到采空区矸石的支撑，后者满足上覆岩层的旋转下沉，防止巷旁支护体破坏。上述学者对沿空留巷巷道充填体的性质提出了一定的建议，基于此，以沿空留巷巷旁充填体混凝土为研究对象，通过添加钢纤维和聚合物，来优化改变混凝土不可协调变形的脆性特征[17-19]，使其具有一定的可协调变形特征，且不丧失要求的承载能力，从而达到“让压-承载”相互协调支护的目的[20]；并将最佳配比下改进后的巷旁充填材料的力学性能进行数值模拟试验，对巷旁充填体应力和顶底板位移变化结果进行分析，检验改性混凝土的让压性能，为沿空留巷巷旁充填体的改进提供一条新思路。

1 巷旁充填材料试验

1.1 岩层力学参数

山西梗阳麦地掌煤矿2#煤层位于山西组中部，平均埋藏深度在650 m，煤层厚度在1.55～3.25 m，平均为2.4 m，煤层倾角为2°～11°，平均约6°，煤层结构简单，属全井田稳定可采煤层。具体的煤和顶底板的各岩层力学参数见表1。

表1 岩层力学参数Table 1 Mechanics parameters of rock stratum

1.2 试验材料与方法

充填材料混凝土采用的水泥为P.II42.5硅酸盐水泥；细骨料采用标准中级砂；粗骨料采用5～20mm连续级配碎石；水为实验室自来水；钢纤维采用铣削波浪型钢纤维；聚合物为乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA，Ethylene Vinyl Acetate）。改性混凝土试件的乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）掺量分别为5%、10%、15%、20%，放入养护箱中标准养护。

试验用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件进行混凝土试件的单轴抗压强度测试。混凝土试件单轴抗压强度的测试方法依据现行国家标准《普通混凝土配合比设计规程》和《纤维混凝土试验方法标准》，加载速度设置为0.5 MPa/s。

1.3 应力-应变试验

试件单轴压缩应力-应变曲线如图1。

图1 单轴压缩应力-应变曲线图Fig.1 Uniaxial compress stress-strain curves

以单轴抗压最大轴向应变率展现混凝土材料的让压性能，具体表现为充填体随顶板活动最多可下降的高度[20]。由图1可以看出，聚合物和钢纤维的掺入提高了混凝土的塑性变形能力和荷载峰后延性；随着聚合物掺量的增加，混凝土试件的最大轴向应变率先增大最后减少，当聚合物掺量为15%时混凝土材料的让压性最大，高达6.10%，而基准混凝土的让压性仅有0.87%。说明在基准混凝土中加入聚合物能够增加混凝土试件的变形能力，提高其让压性能。并最终将聚合物掺量确定为15%。

1.4 抗压强度试验

改性混凝土试件的抗压强度在不同时间的变化如图2。

图2 混凝土强度与时间的关系Fig.2 Relation of concrete strength to time

由图2可以看出，改性混凝土试件在1～3 d时，抗压强度相比于基准混凝土抗压强度增长的较慢，这主要是因为聚合物的掺入，减缓了水泥水化的速度，从而使改性混凝土的前期强度增长速度低于基准混凝土；在3～7 d时，改性混凝土试件抗压强度增加的速度追赶上基准混凝土增长的速度，分析原因认为聚合物在混凝土试件内部形成日趋完整的薄膜及网状结构，与水泥水化物相互缠绕，对其内部空隙起到填充作用并发挥其承载作用。改性混凝土与基准混凝土相比，28 d强度可以达到基准混凝土抗压强度的77.5%。

1.5 弹性模量试验

改性混凝土试件弹性模量在不同时间的变化如图3。

图3 弹性模量与时间的关系Fig.3 Relation of elasticity modulus to time

由图3可以看出，改性混凝土的弹性模量相比于基准混凝土下降较多，一是因为聚合物在混凝土中形成的薄膜及网状结构有一定的塑性，牵制住了混凝土结构；二是因为铣削波浪型钢纤维的掺入提高固结体的刚性，两者的共同作用导致了混凝土试件弹性模量的降低。弹性模量越低，受同荷载条件下其让压性能表现越好，改性混凝土的让压性能较基准混凝土更好。

1.6 曲线拟合

通过对图2、图3中改性混凝土抗压强度p和弹性模量E随时间t变化的点线图进行曲线拟合得到式（1）和式（2）：

式中：p为充填体强度，MPa；t为时间，d。

拟合的四次函数曲线相关系数R2为0.996 75，具有较好的可信度。

式中：E为充填体弹性模量，GPa。

拟合的四次函数曲线相关系数R2为0.980 97，具有较好的可信度。

2 数值模拟

由于沿空留巷巷道受到工作面二次采动的影响，因此需要进一步提高巷旁充填体的让压承载能力，使充填体在多次采动影响下具备较好的完整性，可以适应顶板活动起到让压作用，提高留巷效果。采用有限差分数值计算软件FLAC3D进行模拟，分析不同工作面下巷旁充填体的垂直应力变化和顶底板移近量，检测改性混凝土的让压性能。

2.1 数值模拟模型

模拟巷道为山西梗阳麦地掌煤矿21213工作面回风巷，模型初始地应力采用井下实测数据，使用水压致裂法在该工作面附近进行原岩应力测量，测量结果为：最大水平主应力19.79 MPa，方向N33.5°W，最小水平主应力9.77 MPa，垂直主应力15.5 MPa。

巷道断面尺寸（宽×高）4 400 mm×2 400 mm，充填体使用混凝土泵泵注接顶，巷旁充填体设置4种宽度分别为0.8、1.2、1.6、2.0 m。根据现场条件建立计算模型，模型中各边界均留有一定的边界影响区域，最终确定模型的尺寸为140 m×120 m×50 m（长×宽×高）。为使模型接近井下实际回采情况，采用分步开挖，对于21213工作面每次推进3 m，共推进30次；对于21214工作面每次推进6 m，共推进15次。巷旁充填体紧随工作面充填，并赋予充填体第1 d的强度和弹性模量，再次推进时，对已浇筑的充填体赋予后1 d的强度和弹性模量。模型中岩层、煤层和充填体均服从莫尔-库仑屈服准则。

2.2 21213工作面下巷旁充填体模拟

21213工作面1.2 m巷旁充填体垂直应力分布云图如图4。21213工作面下不同宽度充填体垂直应力分布如图5。

图4 21213工作面1.2 m巷旁充填体垂直应力分布云图Fig.4 Vertical stress distribution of 1.2 m filling body in 21213 working face

图5 21213工作面充填体应力分布图Fig.5 Vertical stress distribution of filling body in 21213 working face

由图4可知，当工作面推进30 m时，巷旁充填体的垂直应力为17.24 MPa；当工作面推进到60 m时，垂直应力为18.56 MPa；当工作面推进到90 m时，垂直应力为18.87 MPa。随着21213工作面的推进，巷旁充填体主要承受上覆岩层的重力以及采空区一侧顶板的回转下沉，适应顶板活动，起到支撑作用。

从图5可以看出，在工作面推进0～9 m范围内，随着工作面距离的推进，充填体垂直应力增加速度非常剧烈；在工作面推进9～27 m后，充填体垂直应力的增加速度有所下降；在工作面推进27 m后，垂直应力逐渐稳定。当充填体宽度由0.8 m增加到1.2 m时，巷旁充填体内最大垂直应力从17.14 MPa增大至18.87 MPa，垂直应力增长幅度为10.09%；而当充填体宽度由1.2 m增加到1.6 m时，充填体垂直应力增幅仅为6.31%；当充填体宽度由1.6 m增加2.0 m时，充填体垂直应力增幅为5.73%。

21213工作面1.2 m巷旁充填体顶底板移近量变化图如图6。21213工作面充填体处顶底板移近量如图7。

图6 21213工作面1.2 m巷旁充填体顶底板移近量变化图Fig.6 Displacement of upper and lower plate of 1.2 m filling body in 21213 working face

图7 21213工作面充填体处顶底板移近量Fig.7 Displacement of upper and lower plate in 21213 working face

由图6可知，当工作面推进到30 m时顶底板移近量为211 mm；当工作面推进到60 m时，移近量为289 mm，当工作面推进到90 m时，顶底板移近量增加到312 mm。

由图7可以看出，工作面推进在0～9 m范围内时，充填体处顶底板移近量有所增加，因为顶板悬露初期自身的自稳能力未给巷旁充填体太多的压力，充填体初期弹性模量较小，可提供的变形大；工作面推进在9～21 m范围内时，充填体处顶底板移近量增加较多，此时是因为顶板悬露面积的增大，使得充填体所受压力增加，此时充填体强度还不是很大，也有较好的塑性变形能力，充填体发挥让压性能随顶板一起下沉并释放压力；工作面推进在21～45 m范围内时，充填体处顶底板移近量的增加有所减缓，且随着充填体宽度的增加，顶底板移近量增加速度越小，越早平缓，这是由于之前充填体随着顶板下沉释放压力后，之后充填体所受压力得以缓解，充填体所受应力和顶底板移近量速度增加的相对较慢；工作面推进45～90 m范围内，充填体的应力和顶底板移近量的增加有平稳的趋势，并最终趋于稳定。当充填体宽度由0.8 m增加到1.2 m时，充填体处顶底板移近量从360 mm减小到312 mm，减少了13.33%；当充填体宽度由1.2 m增加到1.6 m时，顶底板移近量减少了14.1%；当充填体宽度由1.6 m增加到2.0 m时，顶底板移近量减少了24.3%。

2.3 21214工作面下巷旁充填体模拟

随着21214工作面的推进，沿空留巷受到二次采动的影响，此时承受上覆岩层重力及21213、21214采空区两侧顶板的回转下沉。21214工作面1.2 m巷旁充填体垂直应力分布图8。21214工作面充填体垂直应力分布图如图9。

图8 21214工作面1.2 m巷旁充填体垂直应力分布Fig.8 Vertical stress distribution of 1.2 m filling body in 21214 working face

图9 21214工作面充填体垂直应力分布图Fig.9 Vertical stress distribution of filling body in 21214 working face

由图8可知，此时的垂直应力较21213工作面时提高了，当工作面推进到90 m时，垂直应力为25.95 MPa，增加了37.51%。

由图9可知，当充填体宽度为1.6 m和2 m时巷旁充填体垂直应力曲线与图5形式大致相同，而充填体宽度为0.8 m和1.2 m时巷旁充填体垂直应力下降的较多；当充填体宽度由1.2 m增加到1.6 m时，充填体垂直应力增加较为明显，从25.95 MPa增加到28.49 MPa，增幅为9.8%；当充填体宽度由1.6 m增加到2 m时，充填体垂直应力增幅仅为0.34%。

21214工作面1.2 m巷旁充填体顶底板移近量变化如图10。21214工作面充填体处顶底板移近量如图11。

图10 21214工作面1.2 m巷旁充填体顶底板移近量变化图Fig.10 Displacement of upper and lower plate of 1.2 m filling body in 21214 working face

图11 21214工作面充填体处顶底板移近量Fig.11 Displacement of upper and lower plate in 21214 working face

由图10可知，当工作面推进到30 m时，总的顶底板移近量为116 mm，总的移近量为327 mm；60 m时为164 mm,总的移近量为453 mm；90 m时为192 mm，总的移近量为505 mm。工作面不断推进，巷旁充填体可以发挥其较好的变形能力，以适应基本顶岩层旋转下沉引起的变形。

由图11可知，工作面推进在0～6 m范围内时，21214工作面顶板自身的自稳能力使得顶底板移近量增加的不多；工作面推进在6～24 m范围内时，充填体处顶底板移近量增加的较多，此阶段相比于21213工作面开采时要提前较多，是因为21214工作面的开采使得顶板悬露面积的非常大，此时充填体仍有较好的让压性能，随顶板的回转下沉产生位移；工作面推进在24～48 m范围内时，充填体处顶底板移近量的增加有所减缓，且随着充填体宽度的增加，顶底板移近量增加速度越小，越早平缓；工作面推进48 m范围后，宽度为1.6 m和2 m的充填体顶底板移近量增加量很早就平稳到1个大致范围，充填体宽度0.8 m，充填体顶底板移近量仍在增加，且没有平稳的趋势，外加21213工作面开采时顶底板的移近量，共移近了586 mm，此时充填体及巷道顶底板变形较大，虽然充填体充分发挥了其让压性能，但顶底板因移近量最终没有放缓的趋势，所以宽度为0.8 m的充填体无法满足生产需求；而充填体宽度为1.2 m时，平缓时间虽迟于充填体宽度为1.6 m和2 m，但最终达到平稳的趋势，能充分发挥其让压作用，说明改性混凝土与顶板运动匹配性较好，可随顶板一起下沉来释放顶板压力，达到让压-承载支护的目的。