沿空留巷巷旁充填體材料優(yōu)化研究

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摘要:以新景煤礦3216綜采工作面沿空留巷為研究背景，通過(guò)添加EVA聚合物對(duì)巷旁充填混凝土進(jìn)行了改性試驗(yàn)，確定出合理的聚合物摻量為15%;同時(shí)采用數(shù)值模擬確定出合理的充填體寬度為1．2m。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明:留巷期間，充填體穩(wěn)定性較好，巷道頂?shù)装宓睦塾?jì)變形量為293mm，兩幫的累計(jì)變形量為211mm，能夠滿足工作面安全高效的生產(chǎn)需求。

關(guān)鍵詞:沿空留巷;改性混凝土;充填體寬度;數(shù)值模擬

1工程概況

新景煤礦3216綜采工作面主采3號(hào)煤層，3號(hào)煤層總體賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般含1層夾矸;煤層以鏡煤、亮煤為主，內(nèi)生裂隙發(fā)育。本工作面煤層總厚2．19～2．79m，平均厚度2．39m;煤層結(jié)構(gòu)為0．47(0．04)1．88;煤層傾角2～9°，平均傾角5°。煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。3216綜采工作面位于525水平，工作面標(biāo)高517～556m，埋藏深度為460～530m。本工作面走向長(zhǎng)1390m，傾斜長(zhǎng)216m，面積300240m2。工作面井下東部為3214工作面(已采)，南隔采區(qū)煤柱為3215工作面(未采)，西為3218工作面(正掘)，北為保安3117工作面(未采)。該礦工作面間的區(qū)段煤柱以往一直按20～30m的寬度留設(shè)，不僅浪費(fèi)了大量的煤炭資源，而且難以保證巷道位于低應(yīng)力區(qū)。為了提高煤炭資源回采率，考慮在3216工作面采用柔模充填沿空留巷技術(shù)。

2巷旁充填材料試驗(yàn)

2．1試驗(yàn)材料及方法

充填墻體的材料主要為混凝土，其中水泥材料為P．II42．5硅酸鹽水泥;采用中級(jí)砂作為細(xì)骨料，將石塊按一定級(jí)配破碎成5～20mm的碎石作為粗骨料;最后加入自來(lái)水和鋼纖維進(jìn)行混合形成基準(zhǔn)混凝土。在基準(zhǔn)混凝土材料里加入EVA乙烯共聚物進(jìn)行改性，并分別按照5%、10%、15%、20%的摻量進(jìn)行混合，形成4組改性混凝土。將基準(zhǔn)混凝土與4組改性混凝土制成100mm×100mm×100mm的立方體試件，并放入養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，待其達(dá)到最終強(qiáng)度后，分別進(jìn)行單軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)，以0．5MPa/s的加載速度進(jìn)行測(cè)試分析。

2．2充填體應(yīng)力－應(yīng)變?cè)囼?yàn)

5組充填混凝土試件的單軸壓縮應(yīng)力－應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，在基準(zhǔn)混凝土中摻入EVA聚合物可以有效提高其塑性變形的能力，同時(shí)其載荷峰后的延性也得到了提高。隨著聚合物摻量的增加，混凝土試件的軸向應(yīng)變率即讓壓性呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)聚合物摻量為15%時(shí)，改性混凝土試件的讓壓性最大，達(dá)到了6．14%，而基準(zhǔn)混凝土的讓壓性只有0．79%．因此，綜合考慮混凝土充填墻體需同時(shí)具有較好的變形能力和讓壓性，確定改性混凝土中聚合物的摻量為15%．

2．3充填體抗壓強(qiáng)度測(cè)試

15%摻量的改性混凝土及基準(zhǔn)混凝土的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，在養(yǎng)護(hù)初期，改性混凝土抗壓強(qiáng)度的增速要低于基準(zhǔn)混凝土，這是由于聚合物會(huì)降低水泥的水化作用速度，導(dǎo)致混凝土早期強(qiáng)度不能及時(shí)增長(zhǎng);在3～7d后，二者的抗壓強(qiáng)度增速基本持平，這是由于聚合物在一定時(shí)間內(nèi)形成了網(wǎng)狀薄膜，與水泥水化后的產(chǎn)物相互纏繞形成承載體，并達(dá)到了一定的強(qiáng)度。整體來(lái)看，改性混凝土28d后的抗壓強(qiáng)度要低于基準(zhǔn)混凝土，但基本可以達(dá)到基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度的78．1%．

2．4充填體彈性模量測(cè)試

改性混凝土及基準(zhǔn)混凝土的彈性模量特征如圖3所示。由圖3可知，改性混凝土的彈性模量要低于基準(zhǔn)混凝土，分析主要有兩方面原因，一是由于混凝土中的聚合物形成了具有一定塑性的薄膜網(wǎng)，對(duì)混凝土的結(jié)構(gòu)成型有一定的影響;二是由于摻入鋼纖維后的混凝土剛性較高，二者共同作用下導(dǎo)致了改性混凝土的彈性模量降低。而較低的彈性模量表明試件的讓壓性更好，因此改性混凝土的充填體在同等載荷下更有利于巷道的維護(hù)。

3合理充填體寬度的確定

3．1建立模型

根據(jù)3216綜采工作面的實(shí)際工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立了不同充填體寬度(0．5m、0．8m、1．0m、1．2m、1．5m、2．0m)的計(jì)算模型，模擬分析不同工況下巷道圍巖的位移情況。模型尺寸統(tǒng)一為長(zhǎng)×寬×高=150m×100m×50m;在模型上邊界施加10．9MPa的垂直均布載荷，以模擬覆巖壓力，模型四周及下邊界采用位移邊界條件約束;模擬單元均遵循摩爾庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則。模擬中煤巖體物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

3．2模擬結(jié)果分析

不同充填體寬度下留巷圍巖的位移情況如圖4所示。由圖4可知，在巷內(nèi)支護(hù)參數(shù)及其他條件統(tǒng)一的情況下，隨著充填體寬度的增加，巷道圍巖的變形量逐漸減小。當(dāng)充填體寬度為0．5m時(shí)，頂?shù)装逡平繛?300mm，兩幫移近量為1140mm;充填體寬度增加至2．0m時(shí)，頂?shù)装逡平繛?00mm，兩幫移近量為150mm，較0．5m充填體時(shí)分別降低了76．9%、86．8%，下降幅度較大;其中，充填體寬度由580．5m增加至1．2m時(shí)，頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平糠謩e降低了71．5%、80．7%，降低幅度較大;充填體寬度由1．2m增加至2．0m時(shí)，頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平績(jī)H降低了18．9%、31．8%，降低幅度較小。可以看出，充填體寬度增加至1．2m后，繼續(xù)增大寬度對(duì)圍巖的變形量的影響已不明顯。因此，初步確定出合理的充填體寬度為1．2m。圖5為1．2m充填體寬度下的垂直應(yīng)力分布特征。由圖5可知，工作面回采時(shí)，充填墻體內(nèi)的最大垂直應(yīng)力為10～17MPa，低于改性混凝土的抗壓強(qiáng)度，因此，1．2m寬度的充填體在留巷期間可以保持穩(wěn)定。

4現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)

4．1沿空留巷安全支護(hù)技術(shù)措施

4．1．1架前臨時(shí)支護(hù)在進(jìn)行柔模充填體澆筑前，需先確定巷道圍巖的安全情況，然后在140號(hào)～145號(hào)支架鋪網(wǎng)作業(yè)后進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)作業(yè)，臨時(shí)支護(hù)選用單體液壓支柱，柱間距不得大于1．0m，單體柱必須緊貼煤壁支打，柱帽為長(zhǎng)度1．0m的木板。4．1．2架后正式支護(hù)架后正式支護(hù)采用打錨索方式進(jìn)行，確認(rèn)柔模支設(shè)處頂板完好后，待拉架、頂溜后，架后支打臨時(shí)支護(hù)，在140號(hào)～145號(hào)支架后先支打第一排錨索;在140號(hào)～145號(hào)支架支打第二排錨索，每排布置5根錨索，機(jī)尾為第一根依次向機(jī)頭方向布置5根，柔模兩側(cè)加強(qiáng)錨索(第一根、第二根)選用D21．8mm×7200mm鋼絞線，錨索配2m長(zhǎng)槽鋼;第三根、第四根錨索選用D21．6mm×5200mm鋼絞線，錨索配2m長(zhǎng)槽鋼;第五根錨索選用D21．6mm×5200mm鋼絞線，錨索配0．4m長(zhǎng)槽鋼，槽鋼間距1m。鋼絞線張拉后，D21．6mm錨索設(shè)計(jì)承載能力為318kN，D21．8mm錨索設(shè)計(jì)承載能力為364kN，張拉預(yù)緊力不小于300kN。

4．2應(yīng)用效果分析

為驗(yàn)證1．2m寬度充填體的留巷效果，在3216工作面巷道內(nèi)布置測(cè)站，對(duì)留巷期間巷道的圍巖位移情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，如圖6所示。由圖6可知，沿空留巷圍巖的變形量主要在滯后工作面0～60m的范圍內(nèi)急劇增長(zhǎng)，在滯后工作面80m之后，圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定。其中頂?shù)装宓睦塾?jì)變形量為293mm，兩幫的累計(jì)變形量為211mm，且留巷期間充填體具備一定的讓壓性能，未出現(xiàn)破壞情況，能夠滿足工作面安全高效的生產(chǎn)需求。

5結(jié)語(yǔ)

1)EVA聚合物可以有效提高充填混凝土的讓壓性能，通過(guò)試驗(yàn)確定出混凝土中合理的聚合物摻量為15%．2)根據(jù)新景煤礦3216工作面的實(shí)際地質(zhì)條件，通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了不同充填體寬度的留巷效果，確定出合理的充填體寬度為1．2m。3)根據(jù)實(shí)際條件設(shè)計(jì)了沿空留巷的安全支護(hù)措施，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，采用1．2m寬度的改性混凝土作為充填體后，圍巖整體位移較小，留巷效果較好。

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作者：詹虎榮 單位：山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司