郅荣伟

（山西工程职业学院采矿工程系，山西 太原 030001）

1 高水材料简介

高水材料本身和相关联技术趋于完善，并在多个矿务局的煤矿实施，留巷效果优良。

高水材料为快速凝结固化的特种水泥，并且可以在较高水灰比条件下(W/C=1.2:1～7.5:1)凝固。高水材料分为甲料、乙料，甲料浆与乙料浆两种材料浆液按等量比例配合均匀使用。两种料浆分开存放，可以达到24 h 不凝结，当甲料浆和乙料浆这两种料浆相互混合均匀后则可以快速凝结固化。

高水材料抗压强度与水灰比大小成反相关(如图1 所示)。水灰比越小，强度会越高，相同单位体积充填需使用高水材料越多，水用量越少；反之，水灰比越大，相同单位体积充填需要使用的高水速凝砂浆材料可以越少，水用量相对来说就越多，但是凝固结晶体强度就会越低。

2 充填支护墙体水灰比确定

为了更好地分析常村煤矿沿空留巷巷旁充填支护墙体合适水灰比，根据常村煤矿92102 轨道顺槽生产地质条件，利用FLAC3D模拟分析开采沿空留巷后，充填体及围岩的应力分布特性及塑性变化等情况，研究确定巷旁充填体水灰比等。

根据实际地质等情况，模拟煤层厚度1.2 m，计算模型尺寸长×宽×高=150.55 m×72 m×39.52 m，模型上部边界压力按采深600 m 计算，巷道宽×高=3.4 m×2.4 m（中线），数值计算模型图。岩石性能及力学参数见表1。

表1 岩石性能及力学参数

2.1 充填支护墙体宽度确定

模拟充填支护墙体宽度在1.0 m 时，该材料水灰比为1.5:1、1.0:1、1.8:1 和2.0:1（强度对应图1），巷旁充填支护墙体宽度均为1.0 m，留巷宽度3.4 m。高水速凝材料不同水灰比条件下沿空留巷围岩应力分布如图2 所示。

图2 不同水灰比条件下沿空留巷围岩应力分布

由图2 可知，高水速凝材料不同水灰比条件下留巷围岩应力分布有以下规律：

（1）当高水速凝材料水灰比为1.0:1 时，充填支护墙体内最大应力为16.25 MPa，实体煤帮最大应力为15.18 MPa；当高水速凝材料水灰比为1.5:1时，充填支护墙体内最大应力为7.8 MPa，实体煤帮最大应力为16.00 MPa；高水速凝材料水灰比为1.8:1 时，充填支护墙体内最大应力3.81 MPa，实体煤帮最大应力16.66 MPa；当高水速凝材料水灰比为2.0:1 时，充填支护墙体内最大应力2.71 MPa，实体煤帮最大应力16.7 MPa。即随着高水速凝材料水灰比增大，墙体强度减小，墙体应力减小，实体煤帮应力增大。

（2）当高水速凝材料水灰比为2.0:1 或1.8:1 时，巷旁充填支护墙体均未出现稳定承载应力核，充填支护墙体都处于完全塑性承载状态，且巷旁充填支护墙体靠近巷内一侧位置出现应力集中。说明巷旁充填支护墙体已被压变形，充填支护墙体稳定性差。当高水速凝材料水灰比小于1.5:1 时，采空区巷旁充填支护墙体内出现承载最强应力区，且随着材料水灰比的下降，巷旁充填支护墙体的承载能力越强，巷道围岩越稳定。

高水速凝材料不同水灰比条件下一次采动稳定后沿空留巷围岩变形量如图3 所示，其中两帮变形量是充填体帮与实煤体帮移近量的和。

图3 不同水灰比条件下沿空留巷围岩变形量

由图3 可知，高水速凝材料不同水灰比条件下沿空留巷围岩变形量有以下规律，

（1）当巷旁充填支护墙体高水速凝材料水灰比为1.0:1，巷道的顶板下沉量达136.89 mm，充填支护墙体帮最大移近量146.75 mm，实煤体帮最大移近量3.73 mm，充填支护墙体上方顶板最大下沉量154.22 mm；当巷旁充填支护墙体高水速凝材料水灰比为1.5:1 时分别为159.5 mm、190 mm、5.8 mm 和183.1 mm；当水灰比为2.0:1 时分别为230.11 mm、271.13 mm、12.63 mm 和259.43 mm。可得出，在巷旁充填支护墙体相等的墙体宽度条件下，随着材料水灰比增大（充填支护墙体强度的下降），沿空留巷的围岩位移量呈现逐渐变大的趋势。

（2）当巷旁充填支护墙体水灰比在1.5:1 时，巷旁充填支护墙体可以切断巷旁充填支护墙体外侧一定厚度的顶板，留巷围岩的形变量较小；当支护体水灰比在2.0:1 及以上时，支护体不能切下采空区侧岩板，只能被动适应顶板的下沉，沿空留巷的形变量较大，不能有效控制沿空留巷围岩变形。

2.2 数值模拟结果分析

数值分析计算表明：巷旁充填支护墙体的水灰比太大会严重影响留巷的维护效果。由巷旁充填支护墙体变形和留巷变形受控的情况，当巷旁充填支护墙体水灰比为1.5:1 时可以保障较好的巷道控制效果。

3 工业性试验

3.1 巷内增强支护

沿空留巷需要经历两次采煤面采动的影响，顶板活动强烈，为控制沿空留巷顶板，提高留巷效果，需在现有锚杆支护的基础上进行增强支护，具体增强支护如下：

采用Φ17.8×6200 mm 预紧应力锚索对巷道顶板进行增强支护，锚索每排两根，排距1600 mm，间距1200 mm，每根锚索分别采用一支CK2340 药卷和两支Z2360 药卷，每根锚索采用300×300×16 mm 钢托盘和一锁套，锚索安装预紧应力不小于195 kN，锚索锚固力不小于380 kN；实煤体帮及留巷帮下部采用直径20 mm、长2.2 m 的螺纹钢锚杆加强支护。巷内增强支护布置如图4 所示。

图4 92102 轨道顺槽巷内增强支护布置图

为了增加支护体的承载能力和抗横向变形能力，提高其整体的稳定性，采用前述方法，采用对拉锚杆来抵抗充填支护墙体横向变形，安装对拉锚杆和钢筋梯子梁保持充填支护墙体的整体稳定性。具体方法如下：距充填支护墙体上方往下250 mm穿顶部对拉锚杆，距下方往上250 mm 穿底部对拉锚杆，对拉锚杆的间排距为900 mm×900 mm（如图5 所示）。

图5 92102 轨道顺槽沿空留巷充填支护墙体对拉钢筋加固示意图

3.2 对拉锚杆载荷及充填支护墙体载荷分析

充填支护墙体与对拉锚杆载荷取决于充填支护墙体承受荷载的大小和充填支护墙体抗横向变形的能力。由图6 可知：在工作面后方20 m 以内，顶板发生缓慢下沉，此时充填支护墙体已经开始发挥承载作用。由于充填支护墙体早期强度高，上部岩体在实体侧帮发生一次破断后，对支护墙体发生挤压作用，其作用力处于一个快速增长的阶段，所以初期充填支护墙体所承受的附加荷载较小，其对应的对拉杆体应力比较小。在工作面后方25～50 m 范围内，由图可知，对拉锚杆应力达到极值，说明在这一范围内，上位顶板发生了二次断裂，围岩活动剧烈，矿压显现明显，导致对拉锚杆应力增长较快。在工作面后方60～120 m 范围内，此时基本顶上方的岩层被充填支护墙体有效切断，更上位岩层得到冒落矸石有效支撑，上位岩层应力重新分布，顶板活动趋于缓和，此阶段对拉锚杆载荷增速较缓。在该面后方100～120 m 后，此阶段属于平稳阶段，对拉锚杆应力趋于稳定。

图6 对拉锚杆的受力与回采面距离的关系

综合上述分析，采用高水速凝材料的充填支护墙体在性能上满足常村矿沿空留巷要求，不仅具有早期强度高的优点，且其增阻快速，稳定性好，能很好地满足现场工程实践的要求。

4 主要结论

（1）通过对载荷监测结果分析，得到了该留巷充填体的荷载规律，即在工作面后方20 m 以内，顶板发生缓慢下沉；在工作面后方25～50 m 范围内，对拉锚杆应力达到极值，上位顶板发生了二次断裂，围岩活动剧烈，导致对拉锚杆应力增长较快；在工作面后方60～120 m范围内，上位岩层应力重新分布，顶板活动趋于缓和，此阶段对拉锚杆载荷增速较缓；在工作面后方100～120 m 后，此阶段属于平稳阶段，对拉锚杆应力趋于稳定。

（2）常村煤矿92102 轨道顺槽沿空留巷所采用的水灰比方案在技术上可行、经济上合理，满足工程实践要求。