余 洋

（太原華潤(rùn)煤業(yè)有限公司）

自上世紀(jì)50年代以來(lái)，地下煤礦巷旁支護(hù)主要通過(guò)木垛、密集支柱等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，而這些方法在應(yīng)用中卻暴露出很多缺陷，主要包括增阻速度慢、壓縮變形量大、工作強(qiáng)度大、支承性差等，達(dá)不到預(yù)期效果，還容易造成漏風(fēng)、自燃等問(wèn)題［1-5］。高水充填材料則集成了新興材料的所有性能優(yōu)勢(shì)，不僅能克服傳統(tǒng)支護(hù)的所有不足，還實(shí)現(xiàn)了巷旁支護(hù)和密閉采空區(qū)的深層次融合，因此，無(wú)論是在技術(shù)還是在經(jīng)濟(jì)方面，都是較理想的解決方案［6-8］。

某礦采礦工作面是比較常見(jiàn)的“U”型通風(fēng)系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)地勘察與深入研究后發(fā)現(xiàn)，也存在瓦斯治理難度大、資源浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題，并且應(yīng)力集中會(huì)對(duì)2#煤層開(kāi)采產(chǎn)生不利影響。而采用高水充填材料沿空留巷可形成“Y”型通風(fēng)，也能將隅角瓦斯控制在要求范圍之內(nèi)；同時(shí)也能撤出區(qū)段煤柱，實(shí)現(xiàn)真正意義上的無(wú)煤柱開(kāi)采，極大降低原有的不利影響。高水充填材料的選擇受多重因素的影響，充填體的相關(guān)參數(shù)以及材料的配比等是研究的重點(diǎn)方向。

1 工作面概況

10604工作面坐落于南六采區(qū)左翼，開(kāi)采2#煤層，煤層厚度最低為1.6 m，最高達(dá)2.47 m，其傾角最小為1°，最大為9°，地質(zhì)條件中等。10604軌道巷開(kāi)口于南六皮帶下山，巷道坡度為1°～11°，采用錨網(wǎng)梁＋錨索聯(lián)合支護(hù)，巷道凈寬、高分別為4.2和2.6 m，詳見(jiàn)圖1。

對(duì)于沿空留巷巷旁充填材料選擇，一直是礦山亟需解決的問(wèn)題，若充填材料選擇不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致充填效果不佳，采空區(qū)的有毒有害氣體會(huì)逸散至工作面中。對(duì)充填材料的選擇，其核心在于掌握巷旁支護(hù)參數(shù)和充填材料的配比。

2 沿空留巷巷旁支護(hù)參數(shù)

研究表明，沿空留巷和采場(chǎng)存在很多共性特征，所以它們的礦壓機(jī)理也非常相近。不過(guò)，它們?cè)谶吔缟蠀s存在本質(zhì)性差異，沿空留巷采用固定邊界，采場(chǎng)則采用移動(dòng)邊界［9］。隨著采煤工作面的不斷推進(jìn)，在工作面下端頭處，形成“弧形三角板”，在此結(jié)構(gòu)下，其穩(wěn)定性也就成為了重點(diǎn)考慮因素，需要在這種結(jié)構(gòu)下完成巷旁早期支護(hù)參數(shù)計(jì)算。為保證計(jì)算結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)性，需從多方面綜合考慮其極限狀況，并根據(jù)獲取到的參數(shù)值設(shè)計(jì)出相對(duì)應(yīng)的彈性基礎(chǔ)梁模型。與此同時(shí)，在回采面持續(xù)推行的情況下，控頂范圍也會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，導(dǎo)致頂板出現(xiàn)破斷，無(wú)法保持良好穩(wěn)定性。對(duì)于巷旁充填體來(lái)說(shuō)，必須具備可達(dá)到極限彎矩的支護(hù)阻力。巷旁充填體受力模型見(jiàn)圖2。圖中α為煤層傾角，（°）；c為巷道寬度，m；d為巷旁支護(hù)體寬度，m；Pq為切頂阻力，MN/m；ML為極限彎矩，Nm；M0為殘余彎矩，Nm；NC為C處采空區(qū)側(cè)受到的剪力，MPa，TC為C處沿巖層方向產(chǎn)生的推力，MN；NB為B處采空區(qū)側(cè)受到的剪力，MPa，TB為B處沿巖層方向產(chǎn)生的推力，MN；NA為A處采空區(qū)側(cè)受到的剪力，MPa，TA為A處沿巖層方向產(chǎn)生的推力，MN；q為基本頂及其上部軟弱巖層單位長(zhǎng)度的自重，MN/m；q0為直接頂單位長(zhǎng)度自重，MN/m；e為BC巖塊的長(zhǎng)度，m；x0為留設(shè)煤柱寬度，m。根據(jù)圖2，采用成熟的平衡法對(duì)AB、BC兩巖塊建立相適應(yīng)的力學(xué)方程，從徑向方向和切向方向，綜合分析了切頂卸壓的阻力：

式中，h為基本頂巖層厚度，m；ΔSB為基本頂跨落前B端的下沉量，m，其表達(dá)式為ΔSC為基本頂跨落前C端的下沉量，m；e為BC巖塊的長(zhǎng)度，b為基本頂來(lái)壓步距，m；Lm為工作面長(zhǎng)度，m。

2#煤層厚度平均為2.17 m，采高為2.6 m，工作面長(zhǎng)度為175 m，老頂周期來(lái)壓步距按10 m考慮，巷道最大埋深約為520 m，直接頂平均厚度為3.06 m，基本頂平均厚度為3.10 m，留巷后巷道寬度為4.2 m，上覆巖層容重為25 kN/m3，應(yīng)力集中系數(shù)為2.0，基本頂巖層抗拉強(qiáng)度為6.0 MPa，側(cè)壓系數(shù)為0.4，煤層黏聚力為1.6 MPa，內(nèi)摩擦角為24°，一次采煤幫采用錨桿支護(hù)，其支護(hù)阻力按0.10 MPa考慮，煤層平均傾角按4°考慮。將上述參數(shù)代入計(jì)算式，得到10604軌道巷充填體的切頂阻力為20.42 MN/m。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，充填體平均強(qiáng)度按10 MPa考慮，計(jì)算所需的充填體寬度理論計(jì)算值為2.04 m。

根據(jù)計(jì)算數(shù)值，結(jié)合長(zhǎng)期積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并從安全等角度考慮，將充填體全部置于采空區(qū)，留巷寬度為4.2 m，充填體寬和高分別設(shè)定為2.2和2.6 m。

此種留巷方式是工程師們最新提出的一種充填體加固方案，集成了多重優(yōu)勢(shì)為一身，具體表現(xiàn)為增強(qiáng)了承載能力和抗變形能力，達(dá)到了沿空留巷要求，從整體上保證了工作面的安全性和穩(wěn)定性。但是對(duì)于切頂卸壓過(guò)程中使用的高水充填材料，需要通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試。

3 高水充填材料配比選擇

根據(jù)前述對(duì)10604巷道的巷旁支護(hù)參數(shù)的計(jì)算，并結(jié)合10604巷道的實(shí)際情況，對(duì)不同水灰比條件下高水充填材料的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選擇最優(yōu)的高水充填材料配比。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在水灰比W/C=（1.3∶1）～（3∶1）時(shí)，高水充填材料無(wú)需太長(zhǎng)時(shí)間就能達(dá)到凝結(jié)狀態(tài)。高水充填材料由兩部分構(gòu)成，一是甲料，二是乙料，分別按1∶1進(jìn)行配比。這2種材料分別與水混合，24 h不凝結(jié)，從而防止了堵塞，省去了沖洗管路的麻煩。但是只要這2種材料相混合，就會(huì)立即凝結(jié)并逐漸硬化。整體來(lái)看，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究不僅能明確抗壓強(qiáng)度與水灰比的影響關(guān)系，還能選擇高水充填材料的最優(yōu)配比。下面通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)抗壓強(qiáng)度與水灰比的影響關(guān)系進(jìn)行分析，以此來(lái)選擇最優(yōu)的高水充填材料配比。

3.1 抗壓強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系

如圖3所示，抗壓強(qiáng)度與水灰比呈顯著反關(guān)聯(lián)，即只要水灰比足夠小，強(qiáng)度就會(huì)急劇增大，使用的充填材料越多，充填體的強(qiáng)度就越能滿足要求，反之則不能取得理想強(qiáng)度。當(dāng)水灰比W/C=0.5∶1～0.75∶1時(shí)，這種新材料的抗壓強(qiáng)度超過(guò)了30～50 MPa。由此可以看出，只需科學(xué)調(diào)整水灰比，就能實(shí)現(xiàn)抗壓強(qiáng)度的本質(zhì)性改善，進(jìn)而能適用各種工程需要。

3.2 高水充填材料的變形性能

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在水灰比為1.5∶1時(shí)，這種材料在凝結(jié)7 d后發(fā)生明顯形變變化，其塑性特征極其突出，即便達(dá)到最高載荷水平，仍保持一定的承載能力。當(dāng)應(yīng)變持續(xù)增大時(shí)，承載能力出現(xiàn)了下降之勢(shì)。與普通材料相比，這種材料的承載能力下降更慢一些。整體來(lái)看，在此配比工況下，這種材料的峰值抗壓強(qiáng)度達(dá)到了10.4 MPa，當(dāng)應(yīng)變超過(guò)10%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度仍穩(wěn)定在65%以上，應(yīng)變達(dá)到18%時(shí)，殘余強(qiáng)度則降為59%。

通過(guò)上述分析表明，高水充填材料充填體的塑性優(yōu)勢(shì)很強(qiáng)，即便承受不斷增大的壓力，也能滿足塑性變形要求，而且強(qiáng)度衰減慢，可確保殘余強(qiáng)度在要求范圍之內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）從工程實(shí)際出發(fā)，結(jié)合常年積累的工作經(jīng)驗(yàn)，基于多方面考慮與分析后，將充填體全部置于采空區(qū)，理論計(jì)算得留巷寬度為4.2 m，充填體寬和高分別設(shè)定為2.2和2.6 m。

（2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析得出，高水充填材料的最優(yōu)配比為1.5∶1。此配比下，高水充填材料充填體的塑性特征極其顯著，即便承受不斷增大的壓力，也能滿足塑性變形要求，而且強(qiáng)度衰減慢，可確保殘余強(qiáng)度在要求范圍之內(nèi)。