新景矿沿空留巷巷旁充填体材料及宽度优化研究

詹虎荣

(山西新景矿煤业有限责任公司，山西 阳泉 045000)

1 工程概况

新景煤矿3216综采工作面主采3号煤层，3号煤层总体赋存稳定，结构简单，一般含1层夹矸；煤层以镜煤、亮煤为主，内生裂隙发育。本工作面煤层总厚2.19～2.79 m，平均厚度2.39 m；煤层结构为0.47(0.04)1.88；煤层倾角2～9°，平均倾角5°。煤层顶底板情况如表1所示。

表1 煤层顶底板结构

3216综采工作面位于525水平，工作面标高517～556 m，埋藏深度为460～530 m。本工作面走向长1 390 m，倾斜长216 m，面积300 240 m2。工作面井下东部为3214工作面(已采)，南隔采区煤柱为3215工作面(未采)，西为3218工作面(正掘)，北为保安3117工作面(未采)。

该矿工作面间的区段煤柱以往一直按20～30 m的宽度留设，不仅浪费了大量的煤炭资源，而且难以保证巷道位于低应力区。为了提高煤炭资源回采率，考虑在3216工作面采用柔模充填沿空留巷技术。

2 巷旁充填材料试验

2.1 试验材料及方法

充填墙体的材料主要为混凝土，其中水泥材料为P.II42.5硅酸盐水泥；采用中级砂作为细骨料，将石块按一定级配破碎成5～20 mm的碎石作为粗骨料；最后加入自来水和钢纤维进行混合形成基准混凝土。在基准混凝土材料里加入EVA乙烯共聚物进行改性，并分别按照5%、10%、15%、20%的掺量进行混合，形成4组改性混凝土。

将基准混凝土与4组改性混凝土制成100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，并放入养护箱中进行养护，待其达到最终强度后，分别进行单轴压缩强度试验，以0.5 MPa/s的加载速度进行测试分析。

2.2 充填体应力-应变试验

5组充填混凝土试件的单轴压缩应力-应变试验结果如图1所示。

图1 混凝土试件应力-应变试验

由图1可知，在基准混凝土中掺入EVA聚合物可以有效提高其塑性变形的能力，同时其载荷峰后的延性也得到了提高。随着聚合物掺量的增加，混凝土试件的轴向应变率即让压性呈先增大后减小的趋势。当聚合物掺量为15%时，改性混凝土试件的让压性最大，达到了6.14%，而基准混凝土的让压性只有0.79%.因此，综合考虑混凝土充填墙体需同时具有较好的变形能力和让压性，确定改性混凝土中聚合物的掺量为15%.

2.3 充填体抗压强度测试

15%掺量的改性混凝土及基准混凝土的抗压强度测试结果如图2所示。

图2 混凝土抗压强度测试

由图2可知，在养护初期，改性混凝土抗压强度的增速要低于基准混凝土，这是由于聚合物会降低水泥的水化作用速度，导致混凝土早期强度不能及时增长；在3～7 d后，二者的抗压强度增速基本持平，这是由于聚合物在一定时间内形成了网状薄膜，与水泥水化后的产物相互缠绕形成承载体，并达到了一定的强度。整体来看，改性混凝土28 d后的抗压强度要低于基准混凝土，但基本可以达到基准混凝土强度的78.1%.

2.4 充填体弹性模量测试

改性混凝土及基准混凝土的弹性模量特征如图3所示。

图3 混凝土弹性模量测试

由图3可知，改性混凝土的弹性模量要低于基准混凝土，分析主要有两方面原因，一是由于混凝土中的聚合物形成了具有一定塑性的薄膜网，对混凝土的结构成型有一定的影响；二是由于掺入钢纤维后的混凝土刚性较高，二者共同作用下导致了改性混凝土的弹性模量降低。而较低的弹性模量表明试件的让压性更好，因此改性混凝土的充填体在同等载荷下更有利于巷道的维护。

3 合理充填体宽度的确定

3.1 建立模型

根据3216综采工作面的实际工程地质条件，采用FLAC3D数值模拟软件建立了不同充填体宽度(0.5 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.5 m、2.0 m)的计算模型，模拟分析不同工况下巷道围岩的位移情况。

模型尺寸统一为长×宽×高=150 m×100 m×50 m；在模型上边界施加10.9 MPa的垂直均布载荷，以模拟覆岩压力，模型四周及下边界采用位移边界条件约束；模拟单元均遵循摩尔库伦破坏准则。模拟中煤岩体物理力学参数如表2所示。

表2 煤岩体物理力学参数

3.2 模拟结果分析

不同充填体宽度下留巷围岩的位移情况如图4所示。

图4 不同充填体宽度下留巷围岩的位移情况

由图4可知，在巷内支护参数及其他条件统一的情况下，随着充填体宽度的增加，巷道围岩的变形量逐渐减小。当充填体宽度为0.5 m时，顶底板移近量为1 300 mm，两帮移近量为1 140 mm；充填体宽度增加至2.0 m时，顶底板移近量为300 mm，两帮移近量为150 mm，较0.5 m充填体时分别降低了76.9%、86.8%，下降幅度较大；其中，充填体宽度由0.5 m增加至1.2 m时，顶底板移近量及两帮移近量分别降低了71.5%、80.7%，降低幅度较大；充填体宽度由1.2 m增加至2.0 m时，顶底板移近量及两帮移近量仅降低了18.9%、31.8%，降低幅度较小。可以看出，充填体宽度增加至1.2 m后，继续增大宽度对围岩的变形量的影响已不明显。因此，初步确定出合理的充填体宽度为1.2 m。

图5为1.2 m充填体宽度下的垂直应力分布特征。

图5 1.2 m充填体宽度下的垂直应力分布特征

由图5可知，工作面回采时，充填墙体内的最大垂直应力为10～17 MPa，低于改性混凝土的抗压强度，因此，1.2 m宽度的充填体在留巷期间可以保持稳定。

4 现场应用试验

4.1 沿空留巷安全支护技术措施

4.1.1 架前临时支护

在进行柔模充填体浇筑前，需先确定巷道围岩的安全情况，然后在140号～145号支架铺网作业后进行临时支护作业，临时支护选用单体液压支柱，柱间距不得大于1.0 m，单体柱必须紧贴煤壁支打，柱帽为长度1.0 m的木板。

4.1.2 架后正式支护

架后正式支护采用打锚索方式进行，确认柔模支设处顶板完好后，待拉架、顶溜后，架后支打临时支护，在140号～145号支架后先支打第一排锚索；在140号～145号支架支打第二排锚索，每排布置5根锚索，机尾为第一根依次向机头方向布置5根，柔模两侧加强锚索(第一根、第二根)选用D21.8 mm×7 200 mm钢绞线，锚索配2 m长槽钢；第三根、第四根锚索选用D21.6 mm×5 200 mm钢绞线，锚索配2 m长槽钢；第五根锚索选用D21.6 mm×5 200 mm钢绞线，锚索配0.4 m长槽钢，槽钢间距1 m。

钢绞线张拉后，D21.6 mm锚索设计承载能力为318 kN，D21.8 mm锚索设计承载能力为364 kN，张拉预紧力不小于300 kN。

4.2 应用效果分析

为验证1.2 m宽度充填体的留巷效果，在3216工作面巷道内布置测站，对留巷期间巷道的围岩位移情况进行监测分析，如图6所示。

图6 巷道围岩位移情况

由图6可知，沿空留巷围岩的变形量主要在滞后工作面0～60 m的范围内急剧增长，在滞后工作面80 m之后，围岩变形逐渐趋于稳定。其中顶底板的累计变形量为293 mm，两帮的累计变形量为211 mm，且留巷期间充填体具备一定的让压性能，未出现破坏情况，能够满足工作面安全高效的生产需求。

5 结 语

1) EVA聚合物可以有效提高充填混凝土的让压性能，通过试验确定出混凝土中合理的聚合物掺量为15%.

2) 根据新景煤矿3216工作面的实际地质条件，通过FLAC3D数值模拟软件分析了不同充填体宽度的留巷效果，确定出合理的充填体宽度为1.2 m。

3) 根据实际条件设计了沿空留巷的安全支护措施，现场试验结果表明，采用1.2 m宽度的改性混凝土作为充填体后，围岩整体位移较小，留巷效果较好。