沿空留巷聚乙烯醇纤维喷射混凝土快速封闭支护技术研究

姚 刚，李 农，武双兆，杨景院

（1.兖州煤业股份有限公司东滩煤矿,山东 邹城 273500；2.中铁三局集团第五工程有限公司，山西 晋中 030600）

0 引言

近年来随着煤矿开采逐渐进入深部，受高地应力和复杂地质条件的影响，邻近采面的采动会造成沿空巷道煤柱的塑性破坏区增大、内部裂隙发育，从而导致瓦斯气体的渗漏，影响安全，因此需要对沿空巷道进行封闭施工[1]。

目前的封闭施工常采用喷射混凝土或有机喷涂材料。由于有机喷涂材料的厚度有限，耐久性差，因此喷射混凝土仍是最常用的封闭方法。以东滩煤矿为例，封闭喷射混凝土厚度需8～12cm，施工速度一般为10～12m/班，效率较低，且运输成本较高。喷射混凝土为典型脆性材料，抗拉强度低，易出现受拉开裂，封闭效果差。因此，研发一种具有较高抗拉、抗裂性能、适用于快速施工的喷射混凝土材料及工艺，对矿井安全高效生产意义重大。

纤维增强混凝土，是一种是以混凝土为基材，以各种纤维为增强相组成的一组复合材料。早期以钢纤维为主，但其自重大、易腐蚀，不适于薄层封闭施工[2-5]。聚乙烯醇纤维（PVA）是一种新型的纤维，

具有弹性模量高、强度大、抗酸碱性强、伸缩率低等优点，目前在模筑施工中广泛应用，应用于喷射混凝土仍处于起步阶段，还没有形成成熟的施工工艺，缺乏在煤矿封闭施工中的适用性研究[6-8]。

本文为研究PVA纤维喷射混凝土在沿空巷道封闭施工中的适用性，开展了PVA纤维对喷射混凝土渗透特性和力学性能的影响、以及合理支护参数的研究，并在东滩煤矿进行了井下试验，形成了相关的施工工艺。

1 PVA纤维混凝土渗透特性研究

纤维混凝土的渗透性对其封闭效果具有重要影响，本节开展了不同纤维掺量的喷射混凝土的渗透试验，以评估纤维对喷射混凝土渗透特性的影响。

1.1 试验方案

PVA纤维混凝土渗透试验采用的是武汉岩土力学研究所自行研制的恒温超低渗透率测试系统，其精度可达1×10-23m2，如图1所示。

渗透试验所用试样的PVA纤维体积掺量分别为0，0.2%，0.4%，0.6%。试样为圆柱体，直径50mm，高度40mm，如图2所示。试验前将试样放于烘箱内60℃烘干12h去水分，自然冷却，密封保存。

图1 渗透试验设备

图2 纤维混凝土试样及编号

试验渗透气体为高纯度氮气，采用瞬态法测试，先将试样放入夹持系统，连接好管路，保持夹持器容腔的密封性，防止压力液泄露。按阶梯加载形式对试样缓慢施压，围压泵保持1MPa压力不变，轴向压力设置阶梯加卸载模式，研究轴向应力对渗透率的影响规律，加载应力路径为1→4→10→14→10→4→1MPa。保持试样上游气体压力恒定为0.5MPa，下游采用排水法记录透过的气体体积。试样渗透率的计算公式如下[10]：

式中：Kg为岩芯表观渗透率；Q为通过岩芯的气体流量；μ为气体的黏度；L为岩芯的长度；A为岩芯的截面积；P1为岩芯的入口压力；P2为岩芯的出口压力；Psc为标准大气压力。

1.2 试验结果

不同纤维体积掺量下，混凝土渗透率的测试结果如表1所示。可以看出，当纤维掺量在0%～0.6%之间变化时，渗透率变化不大，均小于1×10-15m2，表明纤维掺量对喷射混凝土渗透率的影响较小。

当围压保持1MPa恒定，轴压依次加卸载变化时，PVA纤维混凝土处于弹性阶段，轴向压力对纤维混凝土渗透特性的影响较小，且在卸载过程中没有出现渗透率滞后现象（如图3所示），即PVA纤维不会对弹性阶段混凝土渗透性能产生影响。

表1 渗透率测试结果（1e-16m2）

图3 渗透率随轴向应力的变化规律

综上所述，不同纤维掺量下，弹性受力状态的PVA纤维喷射混凝土的渗透率均小于1e-15m2，满足封闭施工的要求。

2 PVA纤维对抗拉强度的影响

现场观测表明，采区顶板冒落导致的封闭支护结构的裂缝主要以拉裂缝为主，因此本节重点研究了PVA纤维掺量对混凝土抗拉强度的影响，为PVA纤维喷射混凝土支护设计提供依据。

2.1 试验方案

混凝土抗压强度的测试主要包括3种方法，包括直接拉伸试验、劈拉试验和弯拉试验。其中直接拉伸试验由于试样加工难度大、测试过程中容易出现脱落现象，试验成功率较低。弯拉试验测得的抗弯强度一般大于直拉强度和劈拉强度，实验结果会高估其抗拉性能。因此采用劈拉试验作为测试纤维混凝土抗拉性能的方法。

单轴劈拉试验采用φ50×30mm的圆柱体试样，本次试验的纤维掺量为 0%、0.2%、0.4%和0.6%，试验设备采用多功能RMT岩石试验机，针对劈拉试验选择特制的夹具，试验过程如图4所示。

图4 劈拉加载试验装置

根据试验结果，当纤维掺量为0.1%、0.3%、0.5%和1.0%时，相较于无纤维的，其劈拉强度分别提高了8.1%、32.4%、51.3%和72.9%，表明PVA纤维对混凝土的劈拉强度有显著提升作用，如图5所示。

图5 纤维掺量对混凝土劈拉强度

3 PVA纤维喷射混凝土封闭施工

PVA纤维可以有效的改善喷射混凝土的抗拉性能，因此可代替传统喷射混凝土，从而减小喷层厚度，提高封闭施工的效率。本节基于东滩煤矿1309综放工作面基本情况，采用数值方法研究了PVA纤维喷射混凝土的合理封闭厚度，并进行了现场应用。

3.1 PVA纤维喷射混凝土合理封闭支护厚度研究

根据试验结果，PVA纤维可以有效提高纤维喷射混凝土的力学性能，因此重点分析不同封闭厚度、纤维掺量条件下，封闭支护结构受拉破坏情况。

根据东滩煤矿现场情况，建立的有限元模型如图6所示，以巷道右边5m处为开挖边界，建立长为20m的开挖区域。巷道梯形断面，上净宽5.0m，下净宽4.8m，净高3.8m，净断面19.0m2。巷道处于煤层，以巷道断面尺寸的6倍为模型计算边界。

煤层和衬砌均采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，为反映喷射混凝土拉破坏的影响，计算过程中采用tension cutoff反映PVA纤维喷射混凝土的拉破坏[11]。计算过程中PVA纤维混凝土的抗拉强度，如表2所示。

图6 计算模型

表2 PVA纤维喷射混凝土抗拉强度

本次计算的计算工况如表3所示，纤维掺量为0.2%～0.6%，混凝土厚度为2～6cm，重点分析开采区顶板冒落对封闭支护结构受力的影响。

表3 计算工况

通过计算可以看出，在开采区顶板冒落的过程中，中间煤柱所受的竖向压力减小，而水平压力增大，导致封闭支护结构邻煤侧的拉应力增大，封闭支护结构的破坏主要以拉破坏为主，如图7所示。不同工况下，计算结果整理如图8所示。可以看出，封闭支护结构的受拉破坏区随其厚度的增大而减小，随PVA纤维掺量的增大而减小。当封闭支护为2cm时，即使采用0.6%掺量的PVA纤维喷射混凝土，也会出现比较明显的拉破坏区。当封闭支护厚度为6cm时，当纤维掺量为0.2%时，支护结构的抗拉破坏区即变为零。

图7 纤维混凝土衬砌受拉破坏云图（2cm厚度0.6%纤维掺量）

综上所述，当纤维掺量为0.2%～0.6%时，要保证封闭支护结构不发生受拉破坏，封闭支护的厚度应达到4～6cm。综合考虑经济性，建议PVA纤维喷射混凝土的厚度为4cm，纤维掺量为0.6%。

图8 不同纤维掺量下的计算结果

3.2 1309综放工作面现场应用

现场封闭施工的地点位于1309轨顺开门点至1308运顺停采线以东约50m范围。试验时间为2018年4月，PVA纤维增强喷射混凝土的水灰比为0.8，纤维体积掺量约为0.6%，速凝剂掺量3%～5%。

根据现场施工，PVA纤维喷射混凝土，在光滑煤壁喷射厚度10～20mm，破碎区域厚度30～40mm，施工速度由原来的10～12m/班，提高至50m/班，挂壁效果良好（如图9所示），回弹率10%～15%，基本能够满足封闭施工要求。

图9 PVA纤维喷射混凝土井上、井下试验

4 结论

1）渗透试验表明，当PVA纤维体积掺量为0.2%～0.6%时，弹性受力阶段纤维混凝土的渗透系数小于1×10-15m2，纤维混凝土满足巷道封闭要求。

2）劈拉试验表明，PVA纤维可以有效提高喷射混凝土的抗拉强度，当纤维体积掺量为0.6%时，封闭厚度可以由原来的8～12cm，减小为4cm，即可满足抗拉设计的要求

3）现场施工表明，PVA纤维喷射混凝土喷厚10～20mm（破碎区域 30～40mm），施工速度可以由原10～12m/班，提高至50m/班，挂壁效果良好，回弹率约为10%～15%，满足井下封闭施工的要求。