某矿沿空留巷高水充填体参数选择研究

余 洋

（太原华润煤业有限公司）

自上世纪50年代以来，地下煤矿巷旁支护主要通过木垛、密集支柱等方式来实现，而这些方法在应用中却暴露出很多缺陷，主要包括增阻速度慢、压缩变形量大、工作强度大、支承性差等，达不到预期效果，还容易造成漏风、自燃等问题［1-5］。高水充填材料则集成了新兴材料的所有性能优势，不仅能克服传统支护的所有不足，还实现了巷旁支护和密闭采空区的深层次融合，因此，无论是在技术还是在经济方面，都是较理想的解决方案［6-8］。

某矿采矿工作面是比较常见的“U”型通风系统，经实地勘察与深入研究后发现，也存在瓦斯治理难度大、资源浪费严重等问题，并且应力集中会对2#煤层开采产生不利影响。而采用高水充填材料沿空留巷可形成“Y”型通风，也能将隅角瓦斯控制在要求范围之内；同时也能撤出区段煤柱，实现真正意义上的无煤柱开采，极大降低原有的不利影响。高水充填材料的选择受多重因素的影响，充填体的相关参数以及材料的配比等是研究的重点方向。

1 工作面概况

10604工作面坐落于南六采区左翼，开采2#煤层，煤层厚度最低为1.6 m，最高达2.47 m，其倾角最小为1°，最大为9°，地质条件中等。10604轨道巷开口于南六皮带下山，巷道坡度为1°～11°，采用锚网梁＋锚索联合支护，巷道净宽、高分别为4.2和2.6 m，详见图1。

对于沿空留巷巷旁充填材料选择，一直是矿山亟需解决的问题，若充填材料选择不当，会导致充填效果不佳，采空区的有毒有害气体会逸散至工作面中。对充填材料的选择，其核心在于掌握巷旁支护参数和充填材料的配比。

2 沿空留巷巷旁支护参数

研究表明，沿空留巷和采场存在很多共性特征，所以它们的矿压机理也非常相近。不过，它们在边界上却存在本质性差异，沿空留巷采用固定边界，采场则采用移动边界［9］。随着采煤工作面的不断推进，在工作面下端头处，形成“弧形三角板”，在此结构下，其稳定性也就成为了重点考虑因素，需要在这种结构下完成巷旁早期支护参数计算。为保证计算结果的严谨性，需从多方面综合考虑其极限状况，并根据获取到的参数值设计出相对应的弹性基础梁模型。与此同时，在回采面持续推行的情况下，控顶范围也会进一步扩大，导致顶板出现破断，无法保持良好稳定性。对于巷旁充填体来说，必须具备可达到极限弯矩的支护阻力。巷旁充填体受力模型见图2。图中α为煤层倾角，（°）；c为巷道宽度，m；d为巷旁支护体宽度，m；Pq为切顶阻力，MN/m；ML为极限弯矩，Nm；M0为残余弯矩，Nm；NC为C处采空区侧受到的剪力，MPa，TC为C处沿岩层方向产生的推力，MN；NB为B处采空区侧受到的剪力，MPa，TB为B处沿岩层方向产生的推力，MN；NA为A处采空区侧受到的剪力，MPa，TA为A处沿岩层方向产生的推力，MN；q为基本顶及其上部软弱岩层单位长度的自重，MN/m；q0为直接顶单位长度自重，MN/m；e为BC岩块的长度，m；x0为留设煤柱宽度，m。根据图2，采用成熟的平衡法对AB、BC两岩块建立相适应的力学方程，从径向方向和切向方向，综合分析了切顶卸压的阻力：

式中，h为基本顶岩层厚度，m；ΔSB为基本顶跨落前B端的下沉量，m，其表达式为ΔSC为基本顶跨落前C端的下沉量，m；e为BC岩块的长度，b为基本顶来压步距，m；Lm为工作面长度，m。

2#煤层厚度平均为2.17 m，采高为2.6 m，工作面长度为175 m，老顶周期来压步距按10 m考虑，巷道最大埋深约为520 m，直接顶平均厚度为3.06 m，基本顶平均厚度为3.10 m，留巷后巷道宽度为4.2 m，上覆岩层容重为25 kN/m3，应力集中系数为2.0，基本顶岩层抗拉强度为6.0 MPa，侧压系数为0.4，煤层黏聚力为1.6 MPa，内摩擦角为24°，一次采煤帮采用锚杆支护，其支护阻力按0.10 MPa考虑，煤层平均倾角按4°考虑。将上述参数代入计算式，得到10604轨道巷充填体的切顶阻力为20.42 MN/m。现场施工时，充填体平均强度按10 MPa考虑，计算所需的充填体宽度理论计算值为2.04 m。

根据计算数值，结合长期积累的实践经验，并从安全等角度考虑，将充填体全部置于采空区，留巷宽度为4.2 m，充填体宽和高分别设定为2.2和2.6 m。

此种留巷方式是工程师们最新提出的一种充填体加固方案，集成了多重优势为一身，具体表现为增强了承载能力和抗变形能力，达到了沿空留巷要求，从整体上保证了工作面的安全性和稳定性。但是对于切顶卸压过程中使用的高水充填材料，需要通过大量实验与实践对其性能进行测试。

3 高水充填材料配比选择

根据前述对10604巷道的巷旁支护参数的计算，并结合10604巷道的实际情况，对不同水灰比条件下高水充填材料的性能进行实验，选择最优的高水充填材料配比。通过大量实验研究发现，在水灰比W/C=（1.3∶1）～（3∶1）时，高水充填材料无需太长时间就能达到凝结状态。高水充填材料由两部分构成，一是甲料，二是乙料，分别按1∶1进行配比。这2种材料分别与水混合，24 h不凝结，从而防止了堵塞，省去了冲洗管路的麻烦。但是只要这2种材料相混合，就会立即凝结并逐渐硬化。整体来看，通过实验研究不仅能明确抗压强度与水灰比的影响关系，还能选择高水充填材料的最优配比。下面通过实验结果对抗压强度与水灰比的影响关系进行分析，以此来选择最优的高水充填材料配比。

3.1 抗压强度与水灰比的关系

如图3所示，抗压强度与水灰比呈显著反关联，即只要水灰比足够小，强度就会急剧增大，使用的充填材料越多，充填体的强度就越能满足要求，反之则不能取得理想强度。当水灰比W/C=0.5∶1～0.75∶1时，这种新材料的抗压强度超过了30～50 MPa。由此可以看出，只需科学调整水灰比，就能实现抗压强度的本质性改善，进而能适用各种工程需要。

3.2 高水充填材料的变形性能

通过实验发现，在水灰比为1.5∶1时，这种材料在凝结7 d后发生明显形变变化，其塑性特征极其突出，即便达到最高载荷水平，仍保持一定的承载能力。当应变持续增大时，承载能力出现了下降之势。与普通材料相比，这种材料的承载能力下降更慢一些。整体来看，在此配比工况下，这种材料的峰值抗压强度达到了10.4 MPa，当应变超过10%时，其抗压强度仍稳定在65%以上，应变达到18%时，残余强度则降为59%。

通过上述分析表明，高水充填材料充填体的塑性优势很强，即便承受不断增大的压力，也能满足塑性变形要求，而且强度衰减慢，可确保残余强度在要求范围之内。

4 结语

（1）从工程实际出发，结合常年积累的工作经验，基于多方面考虑与分析后，将充填体全部置于采空区，理论计算得留巷宽度为4.2 m，充填体宽和高分别设定为2.2和2.6 m。

（2）通过实验分析得出，高水充填材料的最优配比为1.5∶1。此配比下，高水充填材料充填体的塑性特征极其显著，即便承受不断增大的压力，也能满足塑性变形要求，而且强度衰减慢，可确保残余强度在要求范围之内。