沿空留巷聚乙烯醇纖維噴射混凝土快速封閉支護(hù)技術(shù)研究

姚 剛，李 農(nóng)，武雙兆，楊景院

（1.兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦,山東 鄒城 273500；2.中鐵三局集團(tuán)第五工程有限公司，山西 晉中 030600）

0 引言

近年來隨著煤礦開采逐漸進(jìn)入深部，受高地應(yīng)力和復(fù)雜地質(zhì)條件的影響，鄰近采面的采動(dòng)會(huì)造成沿空巷道煤柱的塑性破壞區(qū)增大、內(nèi)部裂隙發(fā)育，從而導(dǎo)致瓦斯氣體的滲漏，影響安全，因此需要對(duì)沿空巷道進(jìn)行封閉施工[1]。

目前的封閉施工常采用噴射混凝土或有機(jī)噴涂材料。由于有機(jī)噴涂材料的厚度有限，耐久性差，因此噴射混凝土仍是最常用的封閉方法。以東灘煤礦為例，封閉噴射混凝土厚度需8～12cm，施工速度一般為10～12m/班，效率較低，且運(yùn)輸成本較高。噴射混凝土為典型脆性材料，抗拉強(qiáng)度低，易出現(xiàn)受拉開裂，封閉效果差。因此，研發(fā)一種具有較高抗拉、抗裂性能、適用于快速施工的噴射混凝土材料及工藝，對(duì)礦井安全高效生產(chǎn)意義重大。

纖維增強(qiáng)混凝土，是一種是以混凝土為基材，以各種纖維為增強(qiáng)相組成的一組復(fù)合材料。早期以鋼纖維為主，但其自重大、易腐蝕，不適于薄層封閉施工[2-5]。聚乙烯醇纖維（PVA）是一種新型的纖維，

具有彈性模量高、強(qiáng)度大、抗酸堿性強(qiáng)、伸縮率低等優(yōu)點(diǎn)，目前在模筑施工中廣泛應(yīng)用，應(yīng)用于噴射混凝土仍處于起步階段，還沒有形成成熟的施工工藝，缺乏在煤礦封閉施工中的適用性研究[6-8]。

本文為研究PVA纖維噴射混凝土在沿空巷道封閉施工中的適用性，開展了PVA纖維對(duì)噴射混凝土滲透特性和力學(xué)性能的影響、以及合理支護(hù)參數(shù)的研究，并在東灘煤礦進(jìn)行了井下試驗(yàn)，形成了相關(guān)的施工工藝。

1 PVA纖維混凝土滲透特性研究

纖維混凝土的滲透性對(duì)其封閉效果具有重要影響，本節(jié)開展了不同纖維摻量的噴射混凝土的滲透試驗(yàn)，以評(píng)估纖維對(duì)噴射混凝土滲透特性的影響。

1.1 試驗(yàn)方案

PVA纖維混凝土滲透試驗(yàn)采用的是武漢巖土力學(xué)研究所自行研制的恒溫超低滲透率測試系統(tǒng)，其精度可達(dá)1×10-23m2，如圖1所示。

滲透試驗(yàn)所用試樣的PVA纖維體積摻量分別為0，0.2%，0.4%，0.6%。試樣為圓柱體，直徑50mm，高度40mm，如圖2所示。試驗(yàn)前將試樣放于烘箱內(nèi)60℃烘干12h去水分，自然冷卻，密封保存。

圖1 滲透試驗(yàn)設(shè)備

圖2 纖維混凝土試樣及編號(hào)

試驗(yàn)滲透氣體為高純度氮?dú)?，采用瞬態(tài)法測試，先將試樣放入夾持系統(tǒng)，連接好管路，保持夾持器容腔的密封性，防止壓力液泄露。按階梯加載形式對(duì)試樣緩慢施壓，圍壓泵保持1MPa壓力不變，軸向壓力設(shè)置階梯加卸載模式，研究軸向應(yīng)力對(duì)滲透率的影響規(guī)律，加載應(yīng)力路徑為1→4→10→14→10→4→1MPa。保持試樣上游氣體壓力恒定為0.5MPa，下游采用排水法記錄透過的氣體體積。試樣滲透率的計(jì)算公式如下[10]：

式中：Kg為巖芯表觀滲透率；Q為通過巖芯的氣體流量；μ為氣體的黏度；L為巖芯的長度；A為巖芯的截面積；P1為巖芯的入口壓力；P2為巖芯的出口壓力；Psc為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

不同纖維體積摻量下，混凝土滲透率的測試結(jié)果如表1所示。可以看出，當(dāng)纖維摻量在0%～0.6%之間變化時(shí)，滲透率變化不大，均小于1×10-15m2，表明纖維摻量對(duì)噴射混凝土滲透率的影響較小。

當(dāng)圍壓保持1MPa恒定，軸壓依次加卸載變化時(shí)，PVA纖維混凝土處于彈性階段，軸向壓力對(duì)纖維混凝土滲透特性的影響較小，且在卸載過程中沒有出現(xiàn)滲透率滯后現(xiàn)象（如圖3所示），即PVA纖維不會(huì)對(duì)彈性階段混凝土滲透性能產(chǎn)生影響。

表1 滲透率測試結(jié)果（1e-16m2）

圖3 滲透率隨軸向應(yīng)力的變化規(guī)律

綜上所述，不同纖維摻量下，彈性受力狀態(tài)的PVA纖維噴射混凝土的滲透率均小于1e-15m2，滿足封閉施工的要求。

2 PVA纖維對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

現(xiàn)場觀測表明，采區(qū)頂板冒落導(dǎo)致的封閉支護(hù)結(jié)構(gòu)的裂縫主要以拉裂縫為主，因此本節(jié)重點(diǎn)研究了PVA纖維摻量對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度的影響，為PVA纖維噴射混凝土支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2.1 試驗(yàn)方案

混凝土抗壓強(qiáng)度的測試主要包括3種方法，包括直接拉伸試驗(yàn)、劈拉試驗(yàn)和彎拉試驗(yàn)。其中直接拉伸試驗(yàn)由于試樣加工難度大、測試過程中容易出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，試驗(yàn)成功率較低。彎拉試驗(yàn)測得的抗彎強(qiáng)度一般大于直拉強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)高估其抗拉性能。因此采用劈拉試驗(yàn)作為測試?yán)w維混凝土抗拉性能的方法。

單軸劈拉試驗(yàn)采用φ50×30mm的圓柱體試樣，本次試驗(yàn)的纖維摻量為 0%、0.2%、0.4%和0.6%，試驗(yàn)設(shè)備采用多功能RMT巖石試驗(yàn)機(jī)，針對(duì)劈拉試驗(yàn)選擇特制的夾具，試驗(yàn)過程如圖4所示。

圖4 劈拉加載試驗(yàn)裝置

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)纖維摻量為0.1%、0.3%、0.5%和1.0%時(shí)，相較于無纖維的，其劈拉強(qiáng)度分別提高了8.1%、32.4%、51.3%和72.9%，表明PVA纖維對(duì)混凝土的劈拉強(qiáng)度有顯著提升作用，如圖5所示。

圖5 纖維摻量對(duì)混凝土劈拉強(qiáng)度

3 PVA纖維噴射混凝土封閉施工

PVA纖維可以有效的改善噴射混凝土的抗拉性能，因此可代替?zhèn)鹘y(tǒng)噴射混凝土，從而減小噴層厚度，提高封閉施工的效率。本節(jié)基于東灘煤礦1309綜放工作面基本情況，采用數(shù)值方法研究了PVA纖維噴射混凝土的合理封閉厚度，并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。

3.1 PVA纖維噴射混凝土合理封閉支護(hù)厚度研究

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，PVA纖維可以有效提高纖維噴射混凝土的力學(xué)性能，因此重點(diǎn)分析不同封閉厚度、纖維摻量條件下，封閉支護(hù)結(jié)構(gòu)受拉破壞情況。

根據(jù)東灘煤礦現(xiàn)場情況，建立的有限元模型如圖6所示，以巷道右邊5m處為開挖邊界，建立長為20m的開挖區(qū)域。巷道梯形斷面，上凈寬5.0m，下凈寬4.8m，凈高3.8m，凈斷面19.0m2。巷道處于煤層，以巷道斷面尺寸的6倍為模型計(jì)算邊界。

煤層和襯砌均采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，為反映噴射混凝土拉破壞的影響，計(jì)算過程中采用tension cutoff反映PVA纖維噴射混凝土的拉破壞[11]。計(jì)算過程中PVA纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度，如表2所示。

圖6 計(jì)算模型

表2 PVA纖維噴射混凝土抗拉強(qiáng)度

本次計(jì)算的計(jì)算工況如表3所示，纖維摻量為0.2%～0.6%，混凝土厚度為2～6cm，重點(diǎn)分析開采區(qū)頂板冒落對(duì)封閉支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響。

表3 計(jì)算工況

通過計(jì)算可以看出，在開采區(qū)頂板冒落的過程中，中間煤柱所受的豎向壓力減小，而水平壓力增大，導(dǎo)致封閉支護(hù)結(jié)構(gòu)鄰煤側(cè)的拉應(yīng)力增大，封閉支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞主要以拉破壞為主，如圖7所示。不同工況下，計(jì)算結(jié)果整理如圖8所示?？梢钥闯?，封閉支護(hù)結(jié)構(gòu)的受拉破壞區(qū)隨其厚度的增大而減小，隨PVA纖維摻量的增大而減小。當(dāng)封閉支護(hù)為2cm時(shí)，即使采用0.6%摻量的PVA纖維噴射混凝土，也會(huì)出現(xiàn)比較明顯的拉破壞區(qū)。當(dāng)封閉支護(hù)厚度為6cm時(shí)，當(dāng)纖維摻量為0.2%時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗拉破壞區(qū)即變?yōu)榱恪?/p>

圖7 纖維混凝土襯砌受拉破壞云圖（2cm厚度0.6%纖維摻量）

綜上所述，當(dāng)纖維摻量為0.2%～0.6%時(shí)，要保證封閉支護(hù)結(jié)構(gòu)不發(fā)生受拉破壞，封閉支護(hù)的厚度應(yīng)達(dá)到4～6cm。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性，建議PVA纖維噴射混凝土的厚度為4cm，纖維摻量為0.6%。

圖8 不同纖維摻量下的計(jì)算結(jié)果

3.2 1309綜放工作面現(xiàn)場應(yīng)用

現(xiàn)場封閉施工的地點(diǎn)位于1309軌順開門點(diǎn)至1308運(yùn)順停采線以東約50m范圍。試驗(yàn)時(shí)間為2018年4月，PVA纖維增強(qiáng)噴射混凝土的水灰比為0.8，纖維體積摻量約為0.6%，速凝劑摻量3%～5%。

根據(jù)現(xiàn)場施工，PVA纖維噴射混凝土，在光滑煤壁噴射厚度10～20mm，破碎區(qū)域厚度30～40mm，施工速度由原來的10～12m/班，提高至50m/班，掛壁效果良好（如圖9所示），回彈率10%～15%，基本能夠滿足封閉施工要求。

圖9 PVA纖維噴射混凝土井上、井下試驗(yàn)

4 結(jié)論

1）滲透試驗(yàn)表明，當(dāng)PVA纖維體積摻量為0.2%～0.6%時(shí)，彈性受力階段纖維混凝土的滲透系數(shù)小于1×10-15m2，纖維混凝土滿足巷道封閉要求。

2）劈拉試驗(yàn)表明，PVA纖維可以有效提高噴射混凝土的抗拉強(qiáng)度，當(dāng)纖維體積摻量為0.6%時(shí)，封閉厚度可以由原來的8～12cm，減小為4cm，即可滿足抗拉設(shè)計(jì)的要求

3）現(xiàn)場施工表明，PVA纖維噴射混凝土噴厚10～20mm（破碎區(qū)域 30～40mm），施工速度可以由原10～12m/班，提高至50m/班，掛壁效果良好，回彈率約為10%～15%，滿足井下封閉施工的要求。