孫 壘，曹 悅，徐金海，王 琪，張皓文，張曉悟，曾慶林

(1.中國礦業(yè)大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116； 2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116； 3.四川川煤集團 華榮能源有限責任公司，四川 成都 610000)

沿空留巷技術(shù)因其少留甚至不留煤柱，降低巷道掘進工程量，提高煤炭資源回收率而廣泛應用于煤炭行業(yè)[1-3]，其充填方式由木垛、密集支柱等傳統(tǒng)的留巷技術(shù)逐漸發(fā)展到膏體膠結(jié)材料、高水材料以及柔?；炷恋刃滦统涮顗w支護[4，5]。目前我國沿空留巷充填墻體主要有剛性充填與柔性充填，柔?；炷翉姸容^高但接頂較差，留巷初期易漏風，且墻體延展性差留巷后期易切斷巷道頂板；后者強度相對較低，在高應力條件下易造成墻體大變形，頂板下沉嚴重。因此，沿空留巷巷旁支護材料在保證強度的基礎上，還應具有讓壓接頂性能，使充填墻與頂板巖層充分接觸且協(xié)調(diào)變形，并對上覆應力適當讓壓，避免頂板被切斷[6]。因此，構(gòu)建以“高強承載層+讓壓接頂層”的組合結(jié)構(gòu)為主體的充填墻是高應力高瓦斯礦井沿空留巷成功的關(guān)鍵之一。

開展實驗研究材料的力學性能及行為已經(jīng)得到行業(yè)的廣泛認可，國內(nèi)外許多學者通過類似的方法研究沿空留巷充填材料以及組合結(jié)構(gòu)試樣的力學響應機制[7-12]。

眾多學者對于高水材料、混凝土以及不同材料組合試樣的力學性能等進行了大量研究[13-16]，但有關(guān)沿空留巷不同充填材料組合體的力學性能試驗和工程應用研究則相對較少，難以為高應力高瓦斯礦井沿空留巷雙層充填墻體的構(gòu)建提供相應的理論與技術(shù)支持。因此，本文在總結(jié)柔?；炷脸涮畈蛔愕幕A上，提出了雙層充填墻體的新型沿空留巷方法，探討了不同高比混凝土-高水材料組合試樣的力學性能及宏觀破裂模式，并開展工業(yè)性試驗，研究結(jié)果將為我國礦井沿空留巷雙層充填墻體的構(gòu)建提供參考與借鑒。

1 工程概況

漳村煤礦主要開采3#煤層，煤層厚度為5.42～7.63m，平均厚度為6.53m，煤層傾角2°～5°，瓦斯含量8.2～11.2m3/t?；卷斢善骄穸葹?2.4m的細粒砂巖組成，裂隙垂直發(fā)育，夾泥質(zhì)條帶；直接頂是平均厚度為3.65m的灰黑色塊狀泥巖；直接底由平均厚度為5.7m細粒砂巖構(gòu)成，基本底主要成分為砂質(zhì)泥巖，平均厚度為1.85m。漳村煤礦目前主采區(qū)為26采區(qū)，該采區(qū)位于3#煤層，采區(qū)東西方向長約1923.7m，南北方向長1270～1840m。在掘進過程中，開采深度不斷增加，并且瓦斯含量隨開采深度增加呈上升趨勢。煤層頂?shù)装逯鶢钊鐖D1所示。

圖1 煤層頂?shù)装逯鶢?/p>

礦井目前主采2603工作面，通過對漳村煤礦2308工作面沿空留巷進行現(xiàn)場調(diào)研，留巷初期柔?；炷两禹斴^差，部分地段存在漏風現(xiàn)象；留巷后期因充填體強度過大導致巷道超前支承壓力區(qū)域沿空留巷側(cè)頂板破斷，頂板下沉量最大超過1.5m，嚴重影響工作面的正常生產(chǎn)。因此，對于高瓦斯高地應力礦井沿空留巷而言，必須將充填墻體的初期結(jié)頂與后期的有限讓壓相結(jié)合，構(gòu)建沿空留巷組合充填墻體，通過充填墻體上分層材料改變混凝土結(jié)頂效果差的狀況，同時防止采空區(qū)漏風；其次，通過上分層的軟接頂實現(xiàn)有限讓壓，降低圍巖應力；最后通過下分層的高強承載作用，阻止巷道進一步變形破壞。

2 組合試樣基本力學性能試驗

國內(nèi)外有關(guān)沿空留巷雙層墻體的研究較少，僅有的研究均局限于理論分析與力學模型構(gòu)建等領域，尚未開展不同充填材料組合試樣的力學實驗。在前人研究的基礎上，開展組合試樣基本力學性能試驗，探討不同組合占比條件下組合試樣力學性能及宏觀破裂模式。

2.1 雙層充填墻體材料選擇

1)高強承載層。借鑒漳村煤礦2308工作面沿空留巷充填墻材料及其配比，本次試驗高強承載層選取混凝土作為雙層墻體的高強承載基座，混凝土設計強度為C40，配比見表1。

表1 C40混凝土各摻量配比

2)讓壓接頂層。高水材料具有易于泵送、凝固速度快、增阻速度快、具有一定的可變形性、機械化程度高以及接頂較好等優(yōu)點[17，18]，其缺點在于該材料充填強度與柔?；炷料啾容^低，在高應力礦井沿空留巷應用中受限，但作為組合墻體的“讓壓接頂層”材料則較為合適。為了保證組合試樣的分界面的黏接性，選用水灰比1.2∶1的高水材料，實驗室測得其最終抗壓強度在6MPa左右。

2.2 試樣制備與試驗方案

為準確分析“混凝土+高水組合充填體”相互協(xié)同受力情況，探究不同高水材料占比下的組合試樣最優(yōu)解。將組合試樣分為五組，分別為：50%混凝土+50%高水材料組合試樣、60%混凝土+40%高水材料組合試樣、70%混凝土+30%高水材料組合試樣、80%混凝土+20%高水材料組合試樣以及90%混凝土+10%高水材料組合試樣，并制備100%混凝土試樣作為對照，脫模后試樣如圖2所示。試樣為100mm×100mm×100mm的立方體試塊[19，20]，為保證實驗的準確度，每組試驗制備5個試樣，對其進行編號A1—A5、B1—B5、C1—C5、D1—D5以及E1—E5。采用MTS電液伺服萬能試驗機進行加載，加載速度為0.5MPa/s。

圖2 脫模后試樣

2.3 試驗結(jié)果分析

2.3.1 應力應變曲線分析

對不同高比混凝土-高水組合試樣進行單軸壓縮試驗，其典型單軸抗壓應力應變關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 組合試樣應力應變曲線

由圖3可得，不同高比混凝土-高水組合試樣單軸抗壓應力應變曲線分析如下：

1)組合試樣單軸抗壓應力應變曲線與典型單軸抗壓應力應變曲線大致相同，均可分為壓密、彈性、塑性以及破壞等4個階段。純混凝土試樣達到其強度極限后，裂紋迅速貫通試樣，應力應變曲線驟然下降，試樣失穩(wěn)破壞。高水材料占比30%、40%以及50%時，曲線壓密、彈性、塑性等階段與純混凝土試樣相同，但曲線斜率更小，組合試樣達到峰值后仍有一定的承載能力，其峰后應力應變曲線呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢。

2)高水材料占比10%及20%時，在加載過程中上分層高水材料較下分層混凝土材料更快的進入彈性及塑性階段，組合試樣應力應變曲線出現(xiàn)明顯的“凸”形，此時上分層高水材料失穩(wěn)破壞，但試樣整體并未破壞。試驗機通過上分層高水材料繼續(xù)向下分層混凝土材料施加力，從而使曲線應變繼續(xù)增加，尤其高水材料占比20%時最為明顯。當高水材料占比超過30%時，軟分層占比較大導致下部混凝土在發(fā)揮足夠支撐作用之前試樣已經(jīng)發(fā)生整體破壞，致使其應力應變曲線前期沒有出現(xiàn)“凸”形。

2.3.2 組合試樣峰值強度分析

不同占比組合試樣峰值單軸抗壓強度見表2。

表2 不同占比組合試樣力學參數(shù)

由表2可得，不同占比組合試樣峰值單軸抗壓強度隨高水材料占比的增加而逐漸減小，其峰值應力平均值分別為30.71MPa、21.13MPa、18.07MPa、14.86MPa以及7.7MPa，相較純混凝土峰值應力平均值分別下降了18.95%、44.23%、52.31%、60.78%、79.68%，試樣峰值應力的最大相對偏差為13.3%，符合《普通混凝土力學性能試驗標準》。

不同占比組合試樣峰值應力如圖4所示，對組合試樣峰值應力平均值進行函數(shù)擬合，擬合優(yōu)度R2均大于0.95，表明擬合的曲線方程可以較好的反應力學參數(shù)隨高水材料之間的變化趨勢，擬合方程：

yσ= -0.5759x+36.124(R2=0.968)

(1)

式中，yσ為組合試樣峰值應力，MPa；x為高水材料占比。

圖4 不同占比組合試樣峰值應力

2.3.3 組合試樣破壞形貌分析

不同占比組合試樣宏觀破裂模式如圖5所示，由圖可得，高水材料占比10%以及20%時，組合試樣表面分布一條或數(shù)條近似豎直貫通裂紋，試件破壞嚴重，完整性較差，上分層高水材料高度下降明顯，表明組合試樣在加載過程中起到讓壓作用；70%混凝土占比組合試樣下部混凝土分布一條平行于試件軸向的豎直裂紋，局部有少量塊體剝落，上部高水材料分層高度明顯減小；60%及50%混凝土占比組合試樣上分層高水材料破壞嚴重，塊體剝落較大，下分層混凝土材料則相對完整，其表面未發(fā)現(xiàn)裂紋，表明組合試樣破壞時，下分層混凝土承擔支撐作用較小或幾乎未發(fā)揮支撐作用。綜上所述，當高水材料占比小于20%時，組合試樣在保證一定強度的同時具有讓壓作用；當高水材料占比超過20%時，軟分層材料占比過高會降低底部高強材料的支撐作用，進而影響了試件的整體強度。

圖5 試件破壞形貌

3 工程應用

漳村煤礦2603工作面運輸巷高度為3.7m，采用巷內(nèi)充填的方式構(gòu)建充填墻體。根據(jù)試驗結(jié)果，若上分層讓壓空間較大，不僅影響組合墻體的整體強度，同時造成頂板下沉較大?？紤]到實驗室試驗與現(xiàn)場之間的差異性，同時兼顧工程安全，選擇“90%混凝土+10%高水材料”作為漳村煤礦2603工作面沿空留巷雙層墻體的組合占比，混凝土強度為C40，高水材料水灰比為1.2∶1，開展工業(yè)性試驗，對雙層墻體位移以及巷內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊冗M行監(jiān)測，驗證研究成果的可靠性。

3.1 雙層墻體位移監(jiān)測結(jié)果

采用位移傳感器對雙層充填墻體變形量進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，在工作面后方約0～70m范圍內(nèi)，高水分層橫向位移量變化曲線斜率較大，表明橫向變形量增加速度較快；當工作面繼續(xù)向前推進與測站相距70～130m范圍內(nèi)時，高水分層橫向位移量變化曲線斜率逐漸趨向于0，其變形量穩(wěn)定在15cm，底部混凝土分層則變形不明顯。監(jiān)測結(jié)果表明，組合墻體充分發(fā)揮了高水分層的讓壓以及混凝土分層的高強承載作用，沿空留巷效果較好。

圖6 雙層充填體橫向變化速率及變形量

3.2 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測結(jié)果分析

通過光干涉式瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測儀對沿空留巷內(nèi)瓦斯?jié)舛冗M行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖7所示，瓦斯?jié)舛茸兓禑o較大波動，平均瓦斯?jié)舛炔▌又翟?.001%～0.023%，巷道內(nèi)瓦斯無急劇突出段，表明雙層充填墻體接頂效果較好，起到了良好的密閉采空區(qū)、防止瓦斯泄露的作用。

圖7 沿空留巷內(nèi)瓦斯?jié)舛炔▌?/p>

4 結(jié) 論

1)高水材料占比10%及20%時，加載過程中上分層高水材料較下分層混凝土材料更快的進入彈性及塑性階段，導致組合試樣應力應變曲線前期出現(xiàn)較為明顯的“凸”形。高水材料占比不低于30%時，其峰前應力應變曲線與純混凝土試樣峰前應力應變曲線大致相同，但曲線斜率更小，峰后應力應變曲線則呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢。

2)不同占比組合試樣峰值強度隨高水材料占比的增加而逐漸減小，其峰值強度分別為30.71MPa(10%)、21.13MPa(20%)、18.07MPa(30%)、14.86MPa(40%)以及7.7MPa(50%)，相較純混凝土峰值強度分別下降了18.95%、44.23%、52.31%、60.78%以及79.68%。高水材料占比不超過20%時，組合試樣在保證一定強度的同時具有讓壓作用；當高水材料占比超過20%時，軟分層材料占比過高會降低底部高強材料的支撐作用，進而影響了試樣的整體強度。

3)將“90%混凝土+10%高水材料”雙層充填墻體應用于漳村煤礦2603工作面，工業(yè)性試驗表明，雙層充填墻體處于工作面后方100m后逐漸穩(wěn)定，其高水分層穩(wěn)定變形量約為15cm，混凝土分層則變形不明顯，沿空留巷瓦斯?jié)舛炔▌又翟?.001%～0.023%范圍內(nèi)，表明雙層充填墻體起到了良好的接頂、讓壓以及高強承載作用，留巷效果較好。