郅榮偉

（山西工程職業(yè)學(xué)院采礦工程系，山西 太原 030001）

1 高水材料簡介

高水材料本身和相關(guān)聯(lián)技術(shù)趨于完善，并在多個(gè)礦務(wù)局的煤礦實(shí)施，留巷效果優(yōu)良。

高水材料為快速凝結(jié)固化的特種水泥，并且可以在較高水灰比條件下(W/C=1.2:1～7.5:1)凝固。高水材料分為甲料、乙料，甲料漿與乙料漿兩種材料漿液按等量比例配合均勻使用。兩種料漿分開存放，可以達(dá)到24 h 不凝結(jié)，當(dāng)甲料漿和乙料漿這兩種料漿相互混合均勻后則可以快速凝結(jié)固化。

高水材料抗壓強(qiáng)度與水灰比大小成反相關(guān)(如圖1 所示)。水灰比越小，強(qiáng)度會(huì)越高，相同單位體積充填需使用高水材料越多，水用量越少；反之，水灰比越大，相同單位體積充填需要使用的高水速凝砂漿材料可以越少，水用量相對來說就越多，但是凝固結(jié)晶體強(qiáng)度就會(huì)越低。

2 充填支護(hù)墻體水灰比確定

為了更好地分析常村煤礦沿空留巷巷旁充填支護(hù)墻體合適水灰比，根據(jù)常村煤礦92102 軌道順槽生產(chǎn)地質(zhì)條件，利用FLAC3D模擬分析開采沿空留巷后，充填體及圍巖的應(yīng)力分布特性及塑性變化等情況，研究確定巷旁充填體水灰比等。

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)等情況，模擬煤層厚度1.2 m，計(jì)算模型尺寸長×寬×高=150.55 m×72 m×39.52 m，模型上部邊界壓力按采深600 m 計(jì)算，巷道寬×高=3.4 m×2.4 m（中線），數(shù)值計(jì)算模型圖。巖石性能及力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石性能及力學(xué)參數(shù)

2.1 充填支護(hù)墻體寬度確定

模擬充填支護(hù)墻體寬度在1.0 m 時(shí)，該材料水灰比為1.5:1、1.0:1、1.8:1 和2.0:1（強(qiáng)度對應(yīng)圖1），巷旁充填支護(hù)墻體寬度均為1.0 m，留巷寬度3.4 m。高水速凝材料不同水灰比條件下沿空留巷圍巖應(yīng)力分布如圖2 所示。

圖2 不同水灰比條件下沿空留巷圍巖應(yīng)力分布

由圖2 可知，高水速凝材料不同水灰比條件下留巷圍巖應(yīng)力分布有以下規(guī)律：

（1）當(dāng)高水速凝材料水灰比為1.0:1 時(shí)，充填支護(hù)墻體內(nèi)最大應(yīng)力為16.25 MPa，實(shí)體煤幫最大應(yīng)力為15.18 MPa；當(dāng)高水速凝材料水灰比為1.5:1時(shí)，充填支護(hù)墻體內(nèi)最大應(yīng)力為7.8 MPa，實(shí)體煤幫最大應(yīng)力為16.00 MPa；高水速凝材料水灰比為1.8:1 時(shí)，充填支護(hù)墻體內(nèi)最大應(yīng)力3.81 MPa，實(shí)體煤幫最大應(yīng)力16.66 MPa；當(dāng)高水速凝材料水灰比為2.0:1 時(shí)，充填支護(hù)墻體內(nèi)最大應(yīng)力2.71 MPa，實(shí)體煤幫最大應(yīng)力16.7 MPa。即隨著高水速凝材料水灰比增大，墻體強(qiáng)度減小，墻體應(yīng)力減小，實(shí)體煤幫應(yīng)力增大。

（2）當(dāng)高水速凝材料水灰比為2.0:1 或1.8:1 時(shí)，巷旁充填支護(hù)墻體均未出現(xiàn)穩(wěn)定承載應(yīng)力核，充填支護(hù)墻體都處于完全塑性承載狀態(tài)，且巷旁充填支護(hù)墻體靠近巷內(nèi)一側(cè)位置出現(xiàn)應(yīng)力集中。說明巷旁充填支護(hù)墻體已被壓變形，充填支護(hù)墻體穩(wěn)定性差。當(dāng)高水速凝材料水灰比小于1.5:1 時(shí)，采空區(qū)巷旁充填支護(hù)墻體內(nèi)出現(xiàn)承載最強(qiáng)應(yīng)力區(qū)，且隨著材料水灰比的下降，巷旁充填支護(hù)墻體的承載能力越強(qiáng)，巷道圍巖越穩(wěn)定。

高水速凝材料不同水灰比條件下一次采動(dòng)穩(wěn)定后沿空留巷圍巖變形量如圖3 所示，其中兩幫變形量是充填體幫與實(shí)煤體幫移近量的和。

圖3 不同水灰比條件下沿空留巷圍巖變形量

由圖3 可知，高水速凝材料不同水灰比條件下沿空留巷圍巖變形量有以下規(guī)律，

（1）當(dāng)巷旁充填支護(hù)墻體高水速凝材料水灰比為1.0:1，巷道的頂板下沉量達(dá)136.89 mm，充填支護(hù)墻體幫最大移近量146.75 mm，實(shí)煤體幫最大移近量3.73 mm，充填支護(hù)墻體上方頂板最大下沉量154.22 mm；當(dāng)巷旁充填支護(hù)墻體高水速凝材料水灰比為1.5:1 時(shí)分別為159.5 mm、190 mm、5.8 mm 和183.1 mm；當(dāng)水灰比為2.0:1 時(shí)分別為230.11 mm、271.13 mm、12.63 mm 和259.43 mm。可得出，在巷旁充填支護(hù)墻體相等的墻體寬度條件下，隨著材料水灰比增大（充填支護(hù)墻體強(qiáng)度的下降），沿空留巷的圍巖位移量呈現(xiàn)逐漸變大的趨勢。

（2）當(dāng)巷旁充填支護(hù)墻體水灰比在1.5:1 時(shí)，巷旁充填支護(hù)墻體可以切斷巷旁充填支護(hù)墻體外側(cè)一定厚度的頂板，留巷圍巖的形變量較?。划?dāng)支護(hù)體水灰比在2.0:1 及以上時(shí)，支護(hù)體不能切下采空區(qū)側(cè)巖板，只能被動(dòng)適應(yīng)頂板的下沉，沿空留巷的形變量較大，不能有效控制沿空留巷圍巖變形。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

數(shù)值分析計(jì)算表明：巷旁充填支護(hù)墻體的水灰比太大會(huì)嚴(yán)重影響留巷的維護(hù)效果。由巷旁充填支護(hù)墻體變形和留巷變形受控的情況，當(dāng)巷旁充填支護(hù)墻體水灰比為1.5:1 時(shí)可以保障較好的巷道控制效果。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 巷內(nèi)增強(qiáng)支護(hù)

沿空留巷需要經(jīng)歷兩次采煤面采動(dòng)的影響，頂板活動(dòng)強(qiáng)烈，為控制沿空留巷頂板，提高留巷效果，需在現(xiàn)有錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行增強(qiáng)支護(hù)，具體增強(qiáng)支護(hù)如下：

采用Φ17.8×6200 mm 預(yù)緊應(yīng)力錨索對巷道頂板進(jìn)行增強(qiáng)支護(hù)，錨索每排兩根，排距1600 mm，間距1200 mm，每根錨索分別采用一支CK2340 藥卷和兩支Z2360 藥卷，每根錨索采用300×300×16 mm 鋼托盤和一鎖套，錨索安裝預(yù)緊應(yīng)力不小于195 kN，錨索錨固力不小于380 kN；實(shí)煤體幫及留巷幫下部采用直徑20 mm、長2.2 m 的螺紋鋼錨桿加強(qiáng)支護(hù)。巷內(nèi)增強(qiáng)支護(hù)布置如圖4 所示。

圖4 92102 軌道順槽巷內(nèi)增強(qiáng)支護(hù)布置圖

為了增加支護(hù)體的承載能力和抗橫向變形能力，提高其整體的穩(wěn)定性，采用前述方法，采用對拉錨桿來抵抗充填支護(hù)墻體橫向變形，安裝對拉錨桿和鋼筋梯子梁保持充填支護(hù)墻體的整體穩(wěn)定性。具體方法如下：距充填支護(hù)墻體上方往下250 mm穿頂部對拉錨桿，距下方往上250 mm 穿底部對拉錨桿，對拉錨桿的間排距為900 mm×900 mm（如圖5 所示）。

圖5 92102 軌道順槽沿空留巷充填支護(hù)墻體對拉鋼筋加固示意圖

3.2 對拉錨桿載荷及充填支護(hù)墻體載荷分析

充填支護(hù)墻體與對拉錨桿載荷取決于充填支護(hù)墻體承受荷載的大小和充填支護(hù)墻體抗橫向變形的能力。由圖6 可知：在工作面后方20 m 以內(nèi)，頂板發(fā)生緩慢下沉，此時(shí)充填支護(hù)墻體已經(jīng)開始發(fā)揮承載作用。由于充填支護(hù)墻體早期強(qiáng)度高，上部巖體在實(shí)體側(cè)幫發(fā)生一次破斷后，對支護(hù)墻體發(fā)生擠壓作用，其作用力處于一個(gè)快速增長的階段，所以初期充填支護(hù)墻體所承受的附加荷載較小，其對應(yīng)的對拉桿體應(yīng)力比較小。在工作面后方25～50 m 范圍內(nèi)，由圖可知，對拉錨桿應(yīng)力達(dá)到極值，說明在這一范圍內(nèi)，上位頂板發(fā)生了二次斷裂，圍巖活動(dòng)劇烈，礦壓顯現(xiàn)明顯，導(dǎo)致對拉錨桿應(yīng)力增長較快。在工作面后方60～120 m 范圍內(nèi)，此時(shí)基本頂上方的巖層被充填支護(hù)墻體有效切斷，更上位巖層得到冒落矸石有效支撐，上位巖層應(yīng)力重新分布，頂板活動(dòng)趨于緩和，此階段對拉錨桿載荷增速較緩。在該面后方100～120 m 后，此階段屬于平穩(wěn)階段，對拉錨桿應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

圖6 對拉錨桿的受力與回采面距離的關(guān)系

綜合上述分析，采用高水速凝材料的充填支護(hù)墻體在性能上滿足常村礦沿空留巷要求，不僅具有早期強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，且其增阻快速，穩(wěn)定性好，能很好地滿足現(xiàn)場工程實(shí)踐的要求。

4 主要結(jié)論

（1）通過對載荷監(jiān)測結(jié)果分析，得到了該留巷充填體的荷載規(guī)律，即在工作面后方20 m 以內(nèi)，頂板發(fā)生緩慢下沉；在工作面后方25～50 m 范圍內(nèi)，對拉錨桿應(yīng)力達(dá)到極值，上位頂板發(fā)生了二次斷裂，圍巖活動(dòng)劇烈，導(dǎo)致對拉錨桿應(yīng)力增長較快；在工作面后方60～120 m范圍內(nèi)，上位巖層應(yīng)力重新分布，頂板活動(dòng)趨于緩和，此階段對拉錨桿載荷增速較緩；在工作面后方100～120 m 后，此階段屬于平穩(wěn)階段，對拉錨桿應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

（2）常村煤礦92102 軌道順槽沿空留巷所采用的水灰比方案在技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理，滿足工程實(shí)踐要求。