沿空留巷巷旁充填材料性能優化研究

黃正棟，張東峰，張小強

（太原理工大學 礦業工程學院，太原 030000）

沿空留巷技術是對上個工作面的運輸巷道進行復用，以滿足其作為鄰近工作面回風巷道的二次使用[1]，該技術具有提高資源采出率、減少巷道掘進量、改善工作面通風條件等優點[2-4]。但在實際工程中，由于巷旁巷道受多次采動的影響，傳統的巷旁充填體存在脆性大、可收縮量小等缺點，難以適應沿空留巷圍巖的變形，嚴重影響了沿空留巷充填效果，為此，許多學者對巷旁充填體進行了大量研究。李迎富等[5]提出了關鍵塊的穩定性判據；巨峰等[6]提出了固體充填采煤沿空留巷“承重巖層-充填體-巷旁支護體-巷內支護體煤體”上覆巖層協同控制系統的概念；徐金海等[7]發現了充填體的穩定性主要取決于充填體內部結構、幾何尺寸、材料性能等；寧建國等[8]以沿空留巷巷旁支護的力學模型和數值模擬為基礎，提出了充填體應具有較大的可縮量，允許頂板有一定下沉從而釋放掉頂板壓力的結論；韓昌良等[9]將頂底板和充填體視作復合承載結構，通過分析頂板不同運動階段對復合承載結構的作用，從而確定充填體的合理尺寸；鄧雪杰等[10]采用理論分析和數值模擬的方法研究了不同埋深、巷旁充填體寬度和強度條件下沿空留巷圍巖應力演化與移動破壞的特征；張東升[11-12]等采用相似模擬對沿空留巷基本頂破斷位置與形狀、不同支護方式對頂板的影響以及巷旁充填參數進行了研究；唐建新等[13]基于斜中厚煤層綜采工作面沿空留巷頂板巖層運動規律及其變形特征,分析了采用普通混凝土進行巷旁充填沿空留巷的可行性，提出了支護體具有增阻速度快和較大的變形量的結論；譚云亮[14]等提出沿空留巷支護適應性原理，構建了“柔-強”組合巷旁支護力學結構模型；康紅普[15]等提出深部沿空留巷支護原則：高預應力、高強度、高剛性并具有足夠沖擊韌性的錨桿與錨索的巷內支護，高支撐力的巷內加強支護能控制頂板下沉及離層，利于沿采空側切斷頂板；柏建彪[16]等認為巷旁支護體應具有足夠的支護強度及適量的可縮量。前者切落足夠高度的頂板巖層，使更上位巖層得到采空區矸石的支撐，后者滿足上覆巖層的旋轉下沉，防止巷旁支護體破壞。上述學者對沿空留巷巷道充填體的性質提出了一定的建議，基于此，以沿空留巷巷旁充填體混凝土為研究對象，通過添加鋼纖維和聚合物，來優化改變混凝土不可協調變形的脆性特征[17-19]，使其具有一定的可協調變形特征，且不喪失要求的承載能力，從而達到“讓壓-承載”相互協調支護的目的[20]；并將最佳配比下改進后的巷旁充填材料的力學性能進行數值模擬試驗，對巷旁充填體應力和頂底板位移變化結果進行分析，檢驗改性混凝土的讓壓性能，為沿空留巷巷旁充填體的改進提供一條新思路。

1 巷旁充填材料試驗

1.1 巖層力學參數

山西梗陽麥地掌煤礦2#煤層位于山西組中部，平均埋藏深度在650 m，煤層厚度在1.55～3.25 m，平均為2.4 m，煤層傾角為2°～11°，平均約6°，煤層結構簡單，屬全井田穩定可采煤層。具體的煤和頂底板的各巖層力學參數見表1。

表1 巖層力學參數Table 1 Mechanics parameters of rock stratum

1.2 試驗材料與方法

充填材料混凝土采用的水泥為P.II42.5硅酸鹽水泥；細骨料采用標準中級砂；粗骨料采用5～20mm連續級配碎石；水為實驗室自來水；鋼纖維采用銑削波浪型鋼纖維；聚合物為乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA，Ethylene Vinyl Acetate）。改性混凝土試件的乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）摻量分別為5%、10%、15%、20%，放入養護箱中標準養護。

試驗用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件進行混凝土試件的單軸抗壓強度測試?；炷猎嚰屋S抗壓強度的測試方法依據現行國家標準《普通混凝土配合比設計規程》和《纖維混凝土試驗方法標準》，加載速度設置為0.5 MPa/s。

1.3 應力-應變試驗

試件單軸壓縮應力-應變曲線如圖1。

圖1 單軸壓縮應力-應變曲線圖Fig.1 Uniaxial compress stress-strain curves

以單軸抗壓最大軸向應變率展現混凝土材料的讓壓性能，具體表現為充填體隨頂板活動最多可下降的高度[20]。由圖1可以看出，聚合物和鋼纖維的摻入提高了混凝土的塑性變形能力和荷載峰后延性；隨著聚合物摻量的增加，混凝土試件的最大軸向應變率先增大最后減少，當聚合物摻量為15%時混凝土材料的讓壓性最大，高達6.10%，而基準混凝土的讓壓性僅有0.87%。說明在基準混凝土中加入聚合物能夠增加混凝土試件的變形能力，提高其讓壓性能。并最終將聚合物摻量確定為15%。

1.4 抗壓強度試驗

改性混凝土試件的抗壓強度在不同時間的變化如圖2。

圖2 混凝土強度與時間的關系Fig.2 Relation of concrete strength to time

由圖2可以看出，改性混凝土試件在1～3 d時，抗壓強度相比于基準混凝土抗壓強度增長的較慢，這主要是因為聚合物的摻入，減緩了水泥水化的速度，從而使改性混凝土的前期強度增長速度低于基準混凝土；在3～7 d時，改性混凝土試件抗壓強度增加的速度追趕上基準混凝土增長的速度，分析原因認為聚合物在混凝土試件內部形成日趨完整的薄膜及網狀結構，與水泥水化物相互纏繞，對其內部空隙起到填充作用并發揮其承載作用。改性混凝土與基準混凝土相比，28 d強度可以達到基準混凝土抗壓強度的77.5%。

1.5 彈性模量試驗

改性混凝土試件彈性模量在不同時間的變化如圖3。

圖3 彈性模量與時間的關系Fig.3 Relation of elasticity modulus to time

由圖3可以看出，改性混凝土的彈性模量相比于基準混凝土下降較多，一是因為聚合物在混凝土中形成的薄膜及網狀結構有一定的塑性，牽制住了混凝土結構；二是因為銑削波浪型鋼纖維的摻入提高固結體的剛性，兩者的共同作用導致了混凝土試件彈性模量的降低。彈性模量越低，受同荷載條件下其讓壓性能表現越好，改性混凝土的讓壓性能較基準混凝土更好。

1.6 曲線擬合

通過對圖2、圖3中改性混凝土抗壓強度p和彈性模量E隨時間t變化的點線圖進行曲線擬合得到式（1）和式（2）：

式中：p為充填體強度，MPa；t為時間，d。

擬合的四次函數曲線相關系數R2為0.996 75，具有較好的可信度。

式中：E為充填體彈性模量，GPa。

擬合的四次函數曲線相關系數R2為0.980 97，具有較好的可信度。

2 數值模擬

由于沿空留巷巷道受到工作面二次采動的影響，因此需要進一步提高巷旁充填體的讓壓承載能力，使充填體在多次采動影響下具備較好的完整性，可以適應頂板活動起到讓壓作用，提高留巷效果。采用有限差分數值計算軟件FLAC3D進行模擬，分析不同工作面下巷旁充填體的垂直應力變化和頂底板移近量，檢測改性混凝土的讓壓性能。

2.1 數值模擬模型

模擬巷道為山西梗陽麥地掌煤礦21213工作面回風巷，模型初始地應力采用井下實測數據，使用水壓致裂法在該工作面附近進行原巖應力測量，測量結果為：最大水平主應力19.79 MPa，方向N33.5°W，最小水平主應力9.77 MPa，垂直主應力15.5 MPa。

巷道斷面尺寸（寬×高）4 400 mm×2 400 mm，充填體使用混凝土泵泵注接頂，巷旁充填體設置4種寬度分別為0.8、1.2、1.6、2.0 m。根據現場條件建立計算模型，模型中各邊界均留有一定的邊界影響區域，最終確定模型的尺寸為140 m×120 m×50 m（長×寬×高）。為使模型接近井下實際回采情況，采用分步開挖，對于21213工作面每次推進3 m，共推進30次；對于21214工作面每次推進6 m，共推進15次。巷旁充填體緊隨工作面充填，并賦予充填體第1 d的強度和彈性模量，再次推進時，對已澆筑的充填體賦予后1 d的強度和彈性模量。模型中巖層、煤層和充填體均服從莫爾-庫侖屈服準則。

2.2 21213工作面下巷旁充填體模擬

21213工作面1.2 m巷旁充填體垂直應力分布云圖如圖4。21213工作面下不同寬度充填體垂直應力分布如圖5。

圖4 21213工作面1.2 m巷旁充填體垂直應力分布云圖Fig.4 Vertical stress distribution of 1.2 m filling body in 21213 working face

圖5 21213工作面充填體應力分布圖Fig.5 Vertical stress distribution of filling body in 21213 working face

由圖4可知，當工作面推進30 m時，巷旁充填體的垂直應力為17.24 MPa；當工作面推進到60 m時，垂直應力為18.56 MPa；當工作面推進到90 m時，垂直應力為18.87 MPa。隨著21213工作面的推進，巷旁充填體主要承受上覆巖層的重力以及采空區一側頂板的回轉下沉，適應頂板活動，起到支撐作用。

從圖5可以看出，在工作面推進0～9 m范圍內，隨著工作面距離的推進，充填體垂直應力增加速度非常劇烈；在工作面推進9～27 m后，充填體垂直應力的增加速度有所下降；在工作面推進27 m后，垂直應力逐漸穩定。當充填體寬度由0.8 m增加到1.2 m時，巷旁充填體內最大垂直應力從17.14 MPa增大至18.87 MPa，垂直應力增長幅度為10.09%；而當充填體寬度由1.2 m增加到1.6 m時，充填體垂直應力增幅僅為6.31%；當充填體寬度由1.6 m增加2.0 m時，充填體垂直應力增幅為5.73%。

21213工作面1.2 m巷旁充填體頂底板移近量變化圖如圖6。21213工作面充填體處頂底板移近量如圖7。

圖6 21213工作面1.2 m巷旁充填體頂底板移近量變化圖Fig.6 Displacement of upper and lower plate of 1.2 m filling body in 21213 working face

圖7 21213工作面充填體處頂底板移近量Fig.7 Displacement of upper and lower plate in 21213 working face

由圖6可知，當工作面推進到30 m時頂底板移近量為211 mm；當工作面推進到60 m時，移近量為289 mm，當工作面推進到90 m時，頂底板移近量增加到312 mm。

由圖7可以看出，工作面推進在0～9 m范圍內時，充填體處頂底板移近量有所增加，因為頂板懸露初期自身的自穩能力未給巷旁充填體太多的壓力，充填體初期彈性模量較小，可提供的變形大；工作面推進在9～21 m范圍內時，充填體處頂底板移近量增加較多，此時是因為頂板懸露面積的增大，使得充填體所受壓力增加，此時充填體強度還不是很大，也有較好的塑性變形能力，充填體發揮讓壓性能隨頂板一起下沉并釋放壓力；工作面推進在21～45 m范圍內時，充填體處頂底板移近量的增加有所減緩，且隨著充填體寬度的增加，頂底板移近量增加速度越小，越早平緩，這是由于之前充填體隨著頂板下沉釋放壓力后，之后充填體所受壓力得以緩解，充填體所受應力和頂底板移近量速度增加的相對較慢；工作面推進45～90 m范圍內，充填體的應力和頂底板移近量的增加有平穩的趨勢，并最終趨于穩定。當充填體寬度由0.8 m增加到1.2 m時，充填體處頂底板移近量從360 mm減小到312 mm，減少了13.33%；當充填體寬度由1.2 m增加到1.6 m時，頂底板移近量減少了14.1%；當充填體寬度由1.6 m增加到2.0 m時，頂底板移近量減少了24.3%。

2.3 21214工作面下巷旁充填體模擬

隨著21214工作面的推進，沿空留巷受到二次采動的影響，此時承受上覆巖層重力及21213、21214采空區兩側頂板的回轉下沉。21214工作面1.2 m巷旁充填體垂直應力分布圖8。21214工作面充填體垂直應力分布圖如圖9。

圖8 21214工作面1.2 m巷旁充填體垂直應力分布Fig.8 Vertical stress distribution of 1.2 m filling body in 21214 working face

圖9 21214工作面充填體垂直應力分布圖Fig.9 Vertical stress distribution of filling body in 21214 working face

由圖8可知，此時的垂直應力較21213工作面時提高了，當工作面推進到90 m時，垂直應力為25.95 MPa，增加了37.51%。

由圖9可知，當充填體寬度為1.6 m和2 m時巷旁充填體垂直應力曲線與圖5形式大致相同，而充填體寬度為0.8 m和1.2 m時巷旁充填體垂直應力下降的較多；當充填體寬度由1.2 m增加到1.6 m時，充填體垂直應力增加較為明顯，從25.95 MPa增加到28.49 MPa，增幅為9.8%；當充填體寬度由1.6 m增加到2 m時，充填體垂直應力增幅僅為0.34%。

21214工作面1.2 m巷旁充填體頂底板移近量變化如圖10。21214工作面充填體處頂底板移近量如圖11。

圖10 21214工作面1.2 m巷旁充填體頂底板移近量變化圖Fig.10 Displacement of upper and lower plate of 1.2 m filling body in 21214 working face

圖11 21214工作面充填體處頂底板移近量Fig.11 Displacement of upper and lower plate in 21214 working face

由圖10可知，當工作面推進到30 m時，總的頂底板移近量為116 mm，總的移近量為327 mm；60 m時為164 mm,總的移近量為453 mm；90 m時為192 mm，總的移近量為505 mm。工作面不斷推進，巷旁充填體可以發揮其較好的變形能力，以適應基本頂巖層旋轉下沉引起的變形。

由圖11可知，工作面推進在0～6 m范圍內時，21214工作面頂板自身的自穩能力使得頂底板移近量增加的不多；工作面推進在6～24 m范圍內時，充填體處頂底板移近量增加的較多，此階段相比于21213工作面開采時要提前較多，是因為21214工作面的開采使得頂板懸露面積的非常大，此時充填體仍有較好的讓壓性能，隨頂板的回轉下沉產生位移；工作面推進在24～48 m范圍內時，充填體處頂底板移近量的增加有所減緩，且隨著充填體寬度的增加，頂底板移近量增加速度越小，越早平緩；工作面推進48 m范圍后，寬度為1.6 m和2 m的充填體頂底板移近量增加量很早就平穩到1個大致范圍，充填體寬度0.8 m，充填體頂底板移近量仍在增加，且沒有平穩的趨勢，外加21213工作面開采時頂底板的移近量，共移近了586 mm，此時充填體及巷道頂底板變形較大，雖然充填體充分發揮了其讓壓性能，但頂底板因移近量最終沒有放緩的趨勢，所以寬度為0.8 m的充填體無法滿足生產需求；而充填體寬度為1.2 m時，平緩時間雖遲于充填體寬度為1.6 m和2 m，但最終達到平穩的趨勢，能充分發揮其讓壓作用，說明改性混凝土與頂板運動匹配性較好，可隨頂板一起下沉來釋放頂板壓力，達到讓壓-承載支護的目的。

3 結 語

1）聚合物（EVA）對巷旁充填體混凝土有較好的改性作用，使其具有了較好的變形能力，提高了讓壓性能，當聚合物摻量為15%時改性效果最佳。

2）改性混凝土材料前期因鋼纖維和聚合物的存在，具有一定的強度和塑性變形能力，可隨頂板下沉較多距離后釋放頂板壓力，后期有足夠的強度切斷頂板，達到從而達到“讓壓-承載”相互協調支護的目的。

3）數值模擬結果顯示在工作面推進時，巷旁充填體的應力和頂底板移近量與充填體材料的讓壓性能有著較大的關系。改性混凝土作為巷旁充填體，在保證自身強度的條件下，可以隨頂板的下沉，并且巷道充填體寬度為1.2 m讓壓性能最好。

4）以改性混凝土作為巷旁充填體的數值模擬結果為基礎，未來應將其應用到沿空留巷實際工作中去，進一步考察其讓壓性能。