Research and application of heap spraying technology based on safe and high-efficiency supporting structure
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摘要:
针对煤矿井下作业环境的特殊性和现有支护技术的不足，提出了堆喷技术，确定了工艺参数，研发了堆喷外加剂（S2），揭示了S2强化堆喷料性能的作用机理，形成了一套完整的堆喷构筑矿用支护结构体的工艺方法，并应用于沿空留巷等工程实践。结果表明：①堆喷技术可以根据需要构筑支护结构体，不受空间断面限制，操作工远离危险区，安全高效控制围岩；②堆喷料潮拌及输料管路分段加水工艺，提前湿润物料，可以促进堆喷料水化作用、增强粘附性及和易性、降低粉尘和回弹率；③S2的促凝组分包括NaAlO2、Al2(SO4)3、NaF、Al(OH)3和快硬硫铝酸盐水泥（SAC-42.5），增粘抗裂组分为硅灰（GS）、聚丙烯纤维（JB），提高了支护结构材料的凝结速度和抗压强度，且具有微膨胀特性；④现场堆喷标准试件的单轴抗压强度测试结果为1天12.0 MPa，3天18.1 MPa，7天27.5 MPa，28天42.1 MPa，90天42.3 MPa，具有高强承载能力，且后期强度不倒缩，强度增长过程分为三个阶段：初期快速增长阶段（龄期0～14 d）、中期持续增长阶段（龄期14～28 d）、后期稳定阶段（龄期＞28 d）；⑤堆喷技术构筑巷旁隔离墙实现沿空留巷，拓展了矿用支护结构体的高效施工方法。
Abstract:Aiming at the special characteristics of underground coal mine operation environment and the deficiency of existing support technology, heap spraying technology was proposed, technological parameters were determined, heap spraying admixture (S2) was developed, the mechanism of S2 was revealed, and a complete set of heap spraying construction technology was formed and applied to gob-side entry retaining. The results show that: ① Heap spraying technology can be used to construct the supporting structure according to need, which is not restricted by operating space and the operator is far away from the danger zone, so that the surrounding rock can be controlled safely and efficiently. ② Heap spraying material tide mixing and conveying pipeline segmentation with water process, wetting materials in advance, can promote material hydration, enhance adhesion and workability, reduce dust and rebound rate. ③ The accelerating components of S2 include NaAlO2, Al2(SO4)3, NaF, Al(OH)3 and fast-hardening sulfoaluminate cement (SAC-42.5), and the viscosifying and anti-cracking components are silica fume (GS), polymer propylene fiber (JB), S2 improves the compressive strength of the supportintg structure material and has micro-expansion properties. ④ Uniaxial compressive strength of the standard specimens molded by heap spraying is 12.0 MPa at 1 d, 18.0 MPa at 3 d, 27.5 MPa at 7 d, 42.1 MPa at 28 d and 42.3 MPa at 90 d, with high strength supporting capacity, and late strength does not shrink, the strength growth process is divided into three stages: the initial rapid growth stage (age 0−14 d), the medium sustained growth stage (age 14−28 d), and the later stable stage (age>28 d). ⑤Heap spraying technology can build the isolation wall along roadway to realize gob-side entry retaining, having a positive effect on expanding the construction method of supporting structure.
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0. 引 言
开采安全是煤炭生产领域长期致力于解决的重大问题。据统计，2021年我国煤炭行业的百万吨死亡人数为0.044人[1]，且安全事故在地下矿山发生居多。因此，要实现煤矿安全开采，就必须对采场及巷道进行可靠支护。矿用支护结构体是井工矿井采掘生产过程中，发挥支承、隔离、封闭等支护作用的结构物，如沿空留巷巷旁隔离墙、巷道密闭墙、煤柱旁充填体等。构建材料、支护性能和施工效率是支护结构体的3个重要指标[2-3]。构建煤矿井下性能优良的支护结构体，实现安全高效开采，是采矿从业人员关注的热点及难点技术之一。
砌筑墙（垛）体、浇筑混凝土、柔模混凝土、高水材料是我国当前矿用支护结构体的代表，在部分矿井应用并取得了一些研究成果。料石作为一种最常见的砌筑材料，最早在构筑矿用支护结构体方面被应用。韩昌良等[4]研究了沿空留巷砌块式墙体结构的承载特性，指出传统料石垛支护体存在可缩量大、密闭性差、劳动强度大等弊端。康红普等[5]对我国无煤柱开采围岩控制技术进行了系统性总结与研究，指出矸石、料石、混凝土块等墙式或垛式巷旁支护结构存在初期支护阻力小、增阻速度慢、可缩量大、巷道控顶宽度大、采空区封闭效果较差、砌墙劳动强度高等缺点。随着支护材料和施工技术的发展，使用料石砌筑支护结构体的方法已逐渐被淘汰。混凝土作为一种常见的建筑及岩土工程材料，具有承载强度高、耐久性好等优点，众多学者对其在煤矿井下的应用也开展了相关研究。姚直书等[6]、程桦等[7]对浇筑混凝土修复立井井壁技术进行了研究与应用，但浇筑混凝土支模、搅拌、浇注、拆模、养护等工序复杂，受煤矿井下作业空间和施工条件限制，顶板与墙体接顶处存在不均匀缝隙，墙体强度形成慢，早期强度低，且浇筑大体积混凝土的水化热会导致墙体出现温度裂缝。唐建新等[8]进行了普通混凝土巷旁充填沿空留巷试验，得出初凝时间长、初期强度低是其最大的缺点。目前，浇筑混凝土一般用于基建矿井的初期井巷工程中，回采期间的采场及巷道围岩控制方面使用较少。经过多年的研究与试验，我国煤矿支护结构材料取得了进一步发展，柔模混凝土支护材料及方法在煤矿井下获得了推广应用。Dimitri Feys等[9]对柔模混凝土的泵送过程进行了研究，得出混凝土在输送管道中承受很大的剪切速率，从而分散水泥颗粒，导致其填充能力、通过能力和自固结能力显著下降。马广兴[10]以城郊煤矿21404轨道巷沿空留巷为工程背景，从施工工艺、劳动强度和留巷效果等角度对柔模混凝土沿空留巷进行了详细分析，得出巷旁支护是沿空留巷的一个难点，柔模混凝土沿空留巷对顶板的要求较高，待浇筑空间顶板补强支护与采空区挡矸、挂设柔性膜袋施工难度相对较大，人员配置较多。目前，柔模混凝土在构筑沿空留巷巷旁支护墙体和井巷快速支护方面的应用较多。同时，采场及巷道围岩控制技术的发展促进了高水材料的研究与应用。ZHANG等[11]通过单轴压缩试验得出高水材料的峰值强度为10.29 MPa，实测沿空留巷高水材料巷旁墙体的横向塑性变形量为墙体宽度的9%，对墙体增加高强度对拉锚杆约束后，其横向变形量减小了56%。为了进一步改善高水材料的性能，新的添加物被考虑进来。熊祖强等[12]、李西凡等[13]试验研究了巷旁充填高水材料的单轴压缩变形破坏特征和力学性能，得出高水材料结构较为疏松，呈固、液、气构成的多孔海绵状结构，低水灰比条件下易发生剪胀破坏，高水灰比条件下易发生拉伸破坏，高水材料固结体韧性差，在顶板压力作用下会出现开裂、鼓出现象，进而导致其有效承载宽度减小，承载能力下降，添加聚丙烯纤维可以提升高水材料的强度。
上述支护结构材料及支护技术在不同时期对我国煤炭科技创新做出了积极贡献。但随着开采强度及深度增大，采掘条件越发复杂，矿用支护结构体需要的承载强度越大、接顶封闭性越强、支护及时性越迫切[14]。同时，由于煤矿井下的作业环境和使用要求特殊，现有支护结构材料及其施工方法的应用条件和效果存在一定的局限性，并不能完全满足采场及巷道围岩控制需求。
因此，根据煤矿井下的应用需求，开发一种材料来源广泛、高强及时支护、结构稳定、施工便捷、适应性强的支护结构材料与施工技术依然是煤炭生产过程中需要解决的重要课题。笔者及研究团队在研发与应用矿用新材料，积累生产实践经验的基础上，对堆喷技术进行研究，形成了一套完整的工艺方法。研究成果在煤矿井下安全高效地构建各类支护结构体应用方面，取得了较好的效果。
1. 矿用支护结构体成型方法
1.1 堆喷技术
堆喷技术（Heap Spraying Technology）是一种适用于煤矿井下的快速高效构筑支护结构体的新型方法，其工艺是将预拌混合料通过远距离大流量混凝土喷射机，高速高压输送至受喷面，按照设计的支护方案，通过控制喷头运移轨迹逐层堆叠构筑支护结构体[15]。堆喷成型不需要预制和安装模板，依托堆喷料的高黏附性和快速凝结硬化特性直接成型[16]。堆喷技术流程如图1所示。
堆喷技术与普通喷射混凝土方法有本质区别，普通喷射混凝土一般用于薄层衬砌封闭，防止风化，喷层厚度一般小于150 mm[17]，可视为形成“二维”的薄封闭层。另外，普通喷射混凝土还存在早期强度低、后期强度倒缩、不能作为承重支护结构体、回弹高等问题[18-19]。
堆喷技术解决了传统喷射混凝土支护技术的上述问题，同时突破了浇筑法构筑混凝土结构体的局限。该技术具有以下特点：①堆喷工艺无需支模和振捣，支护结构体成型快，一次构筑厚度不受限制；②堆喷料具有高黏附性与和易性，降尘封水，无需养护，回弹率小于5%；③支护结构体早强且后期强度不倒缩，终期强度超过C40，具有高强支承能力；④支护结构体具有高密度、高强度和微膨胀特性。
1.2 堆喷工艺
1）支护结构材料及其制备。堆喷技术所用的支护结构材料为：水泥、砂、石子、堆喷外加剂（S2）和水，其中水泥、砂、石子为堆喷主料，S2为堆喷辅料。支护结构体的设计强度等级为C40[20]。堆喷料各组分的作用及参数见表1。
表 1 堆喷料各组分的作用及参数Table 1. Function and parameters of each component of heap spraying material组分 材料 材料参数 功能 堆喷主料 水泥（P·O 42.5） 425号普通硅酸盐水泥 胶凝材料 砂 细度模数为2.6～3.0的天然砂 细骨料 石子 粒径为5～10 mm的碎石 粗骨料 堆喷辅料 堆喷外加剂（S2） 无机多功能复合料 支护结构材料制备的关键掺料 水 洁净且pH值为6～8 拌和作用 2）堆喷成型工艺及质量控制。当堆喷料拌和均匀后，上料至堆喷设备，利用压风沿管路输料，并与水混合后形成高速高压的喷射流。控制喷头做连续不断的螺旋状圆周运动，螺旋直径为20～30 cm，后一圈覆盖前一圈的1/3，堆喷路线呈“S”形运移，由内而外、自下而上逐层堆叠构筑支护结构体。堆喷料受到喷头出口压力和速度的连续冲击，无需支模和振捣也能得到压密与成型[21-22]。堆喷成型工艺如图2所示。
支护结构体的性能一方面由堆喷料的属性决定，另一方面堆喷工艺也是强化材料性能的一种物理作用过程。堆喷料性能和料束高速冲击二者的耦合作用构成了支护结构体密实过程的关键行为。结构体受料束冲击自密实的过程可概括为高速射流冲击和冲击响应2个阶段。堆喷料性能奠定了堆喷快速成型的基础，料束从喷嘴运动至结构体的用时极短，一般不超过0.2 s，到达结构体的料束冲击响应时间不超过2 min（初凝时间）。细骨料填充粗骨料之间的空隙，胶结浆体填充细骨料之间的空隙，逐级填充包裹黏结。已有研究表明，压风驱动砼混合料经喷头高速喷出的料束射流冲击力为10～15 N[23-24]，将到达结构体的堆喷料冲击密实，无需人工振捣即可达到结构体密实性的要求。
堆喷的水平喷射距离可以达到600 m，生产能力为7～8 m3/h。施工时喷头与受喷面的垂直距离为0.6～1.0 m，喷头出口处的空气压力为0.5～0.7 MPa，水灰比为0.4～0.5，现场粉尘浓度≤4 mg/m3。堆喷成型的支护结构体拱部圆滑、两帮平顺，表面凹凸度小于10 mm。
1.3 堆喷矿用支护结构体方法
堆喷构建矿用支护结构体的方法包括：拌料系统、运料系统和堆喷系统。堆喷系统如图3所示。拌料系统在地面实现，即在地面按比例定量配置好堆喷料。运料系统是通过下料孔或矿车将拌制均匀的堆喷料运输到煤矿井下的料场，井下料场无特殊要求，只需要满足临时存储当班使用的堆喷料和放置堆喷设备即可。堆喷系统是将料场的堆喷料加入到堆喷设备的料斗，通过压风驱动经管路输送到拟构筑支护结构体的地点，并由输料管路终端的喷头高速高压喷出，快速高效地堆喷构建支护结构体。
堆喷构建矿用支护结构体方法的优点为：堆喷设备小巧灵活，行走方便，输料距离远，机械拌料和上料，劳动强度低，用工少；堆喷施工无需支模和振捣，且不受巷道断面限制；工艺简单，操作工远离危险区，根据需要高效构建支护结构体。
堆喷技术的核心技术点为外加剂的研发，堆喷外加剂（S2）为快速成型构建支护结构体提供了材料基础。
2. 堆喷材料研发及其性能测试
2.1 堆喷外加剂配制
堆喷外加剂（S2）作为堆喷技术的核心材料支撑，是一种无机功能性掺料，可以实现支护结构材料无需支模养护、快速凝结硬化、早强、微膨胀、后期强度不倒缩。
堆喷外加剂（S2）的制备原材料为：①硅灰（GS），比表面积为20000 m2/kg，SiO2质量分数91.2%，起降低回弹和增强作用。②快硬硫铝酸盐水泥（SAC-42.5），起促凝、降低回弹和增强作用。③速凝剂母料（SM），起促凝作用。④Al(OH)3、Al2(SO4)3、NaF、硅酸镁铝（MV）、聚丙烯纤维（JB），主要作用是促凝增强、微膨胀、抗裂、降回弹、高粘结。⑤聚羧酸高性能减水剂（JS），降低拌合用水和增强作用。⑥石膏（G），主要作用是调节凝结时间，增加强度。堆喷外加剂（S2）原材料的化学成分见表2。
表 2 堆喷外加剂原材料的化学成分Table 2. Chemical composition of raw materials材料 化学成分质量占比/% SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 TiO2 Loss SAC-42.5 8.72 34.13 2.31 39.86 1.42 7.11 6.15 0.30 硅灰（GS） 7.65 52.17 2.38 36.15 1.59 0.04 — 0.02 石膏（G） 0.36 0.03 0.05 41.60 0.05 52.08 — 5.83 根据原材料的属性，按照不同物料正交组合，设计多种堆喷外加剂（S2）的配方。限于篇幅问题，结合前期研究基础，筛选了5个典型配方（S2-1～S2-5），按配比分别掺入堆喷料中，并构筑支护结构体，然后与使用普通速凝剂（S1）构筑的支护结构体进行综合性能对比分析。S2的配方见表3。
表 3 堆喷外加剂（S2）的配方Table 3. Composition of heap spraying admixture (S2)S2 所用原材料质量/(kg·t−1) GS SAC-42.5 G SM Al(OH)3 Al2(SO4)3 NaF MV JB JS S2-1 130 230 70 501 25 20 3 2 14 5 S2-2 140 220 80 489 30 18 2 2 14 5 S2-3 150 210 90 477 35 16 1 2 14 5 S2-4 160 200 100 464 40 14 1 2 14 5 S2-5 170 190 110 451 45 12 1 2 14 5 2.2 堆喷材料性能试验
按照混凝土力学性能试验方法标准[25]、混凝土外加剂应用技术规范[26]，实验室测试得到堆喷材料的凝结时间、单轴抗压强度、限制膨胀率等性能如图4—图6所示。
分析图4所示的凝结时间测试结果得出，堆喷外加剂（S2）可以加快堆喷材料的凝结时间，S2-4的凝结时间最快。与普通速凝剂S1相比，S2-4的初凝时间缩短53 s，初凝加快率为32.5%；终凝时间缩短71 s，终凝加快率为47.7%；S2-4的初凝、终凝时间共缩短124 s，凝结时间的总加快率为39.7%。
分析图5所示的抗压强度测试结果得出，使用S1形成的支护结构体90 d强度存在倒缩现象，与28 d抗压强度相比，倒缩率为17.5%。使用S2形成的支护结构体的不同龄期抗压强度均呈逐渐增大趋势，其中S2-4的各龄期强度均最大。与S1形成的支护结构体相比较，S2-4的1、3、7、28和90 d的抗压强度分别增大6.2、10.3、14.7、19.5和24.0 MPa。
分析图6所示的限制膨胀率测试结果得出，无论是14 d水中养护，还是水中14 d转空气中28 d，S1的限制膨胀率测试结果均为负值，说明其结构体存在体积收缩现象，不利于支护结构稳定。S2的限制膨胀率均为正值，且相差不大，说明S2不仅不会导致支护结构体的体积收缩，还具有微膨胀特性。
2.3 堆喷结构体微观形貌分析
选择S2-4作为优选配方，并与S1堆喷结构体进行SEM微观形貌分析，揭示堆喷外加剂高性能化支护结构体的作用机理。由于支护结构体1 d与3 d的SEM相近，7 d与28 d的SEM相近，因此重点对S1和S2-4的1、28和90 d的SEM微观形貌进行研究。S1和S2-4的不同龄期SEM如图7所示。分析图7所示的SEM结果可以看出，对比S1和S2-4的1 d微观形貌，S2-4中生成了大量纤维状或管状的钙矾石（AFt）和水化硅酸钙（C-S-H）；而S1中AFt和C-S-H非常少，并出现微小裂纹，其水化产物也很少。S2-4的28 d微观形貌中生成大量针状或纤维状的AFt，相互交错搭接，形成三维网状空间结构，并有大量C-S-H填充；S1中AFt和C-S-H有所增加，但只是局部出现，还有一些Ga(OH)2晶体生成，而且微观结构致密性较差。S2-4的90 d微观形貌中出现大量的块状晶体堆砌结构，结构较为致密，未见明显的凝胶，分析其原因是在水化过程中形成了结晶完好的AFt晶体；而S1中也有类似的块状晶体，但结构比较松散，未形成堆砌结构，且有大量C-S-H出现[27-28]。
通过SEM微观形貌分析，结合S1和S2-4材料组成可以很好的解释支护结构体宏观强度增大和出现不同微观形貌的原因。首先S1的主要促凝组分是NaAlO2，载体为粉煤灰，而S2-4中的促凝组分既有NaAlO2，又有Al2(SO4)3、NaF、Al(OH)3和SAC，同时引入硅灰和聚丙烯纤维等增粘抗裂组分，极大地提高了支护结构材料不同龄期的抗压强度和降低了使用过程中的回弹率[29]。引入Al2(SO4)3、石膏（G）和SAC能生成大量的AFt晶体，这也就解释了S2-4微观形貌中出现AFt晶体的原因，并引入SAC、NaF、硅灰以及减水剂的减水增强增密效果。
因此，优选S2-4作为堆喷外加剂（S2），开展现场堆喷构建矿用支护结构体。
2.4 现场制样实测结果及分析
2.4.1 单轴抗压强度
煤矿井下堆喷得到7组规格为150 mm×150 mm×150 mm的标准试件，每组3个，并按照《混凝土强度检验评定标准》[30]对试件进行抗压强度试验。试验过程如图8所示，测试结果如图9所示，并与图5中S2-4对应的实验室测试结果进行对比分析。
分析图9所示的测试结果得出，不论是实验室制作试件还是现场堆喷制作试件，结构体的单轴抗压强度均随时间呈前期逐渐增大、后期趋于稳定的发展趋势，且各龄期的强度值相近，验证了堆喷支护结构体承载性能的可靠性。
为了更加直观地表征堆喷结构体的承载性能，根据现场堆喷试件的单轴抗压强度测试结果，将其强度增长过程划分为3个阶段：初期快速增长阶段、中期持续增长阶段、后期稳定阶段。
1）初期快速增长阶段：龄期0～14 d，该阶段结构体的强度快速增长，平均增长率为2.54 MPa/d，14 d的平均强度已达到35.5 MPa，为90 d平均强度的84%。
2）中期持续增长阶段：龄期14～28 d，该阶段结构体的强度继续增大，但增长速度较慢，平均增长率为0.47 MPa/d，28 d的平均抗压强度为42.1 MPa，为90 d平均强度的99.5%，达到支护结构体C40承载强度的设计要求。
3）后期强度稳定阶段：龄期＞28 d，该阶段结构体的强度增大不明显，没有倒缩情况，28～90 d的平均增长率仅为0.003 MPa/d，90 d的平均抗压强度为42.3 MPa。
为了进一步分析堆喷支护结构体的强度特性，通过Origin软件数据拟合得到现场堆喷构建支护结构体的单轴抗压强度P随龄期t的表达式为
$$ P = - 34.60 {{\mathrm{e}}^{ - \tfrac{t}{{8.67}}}} + 42.71 ，\;\;(R^2=0.998) $$ 分析拟合函数关系式得出，随着龄期t逐渐增大，现场堆喷结构体的长期强度为42.71 MPa，与实验室和现场分别测试得到的90 d平均抗压强度44.7、42.3 MPa相吻合。可见，堆喷结构体的初期强度增速快，后期强度高且不倒缩，能很好地发挥支护作用。
2.4.2 表面破坏特征
表面破坏形态也是反映试件承载特性及破坏机理的一个显著特征。单轴压缩试验过程中记录的不同龄期标准试件的典型表面破坏形态如图10所示。
分析图10得出，堆喷试件不同龄期的表面破坏形态可以概括为2类：龄期小于14 d的塑性破坏和龄期大于14 d的脆性破坏，龄期越大，试件破坏形态越完整，破坏裂隙分布越均匀。龄期小于14 d的试件加载受压后，破坏前有明显的塑性变形预兆，破坏后断口色泽发暗，试件完整性较差，表现为塑性破坏。龄期大于14 d的试件加载受压后，破坏前无明显变形破坏预兆，破坏后断口比较平齐，呈色泽较亮的晶粒状，试件较完整，表现为弹性破坏。
分析认为，堆喷构建的结构体为不同粒径材料的胶结体，胶结材料水泥的水化反应产物将砂石骨料粘结在一起，试件内部的黏结强度随着水泥水化反应逐渐增强。当龄期小于14 d时，试件处于强度增长初期阶段，水泥的水化反应不完全，对砂石骨料的胶结强度较弱；当单轴载荷导致的剪切作用力超过粘结力时，发生扩容变形，直至试件整体发生塑性变形破坏。当龄期大于14 d时，水泥水化物进一步反应，堆喷结构体的承载强度较高；当受到单轴载荷时，试件内部的应力逐渐增大，并首先在试件中心产生微裂纹；随时载荷继续增大，微裂纹由试件中心向表面发展，直至扩展到表面形成贯通裂隙，发生宏观破坏。
因此，不同龄期试件的表面破坏特征进一步验证了堆喷构建支护结构体的工作性和稳定性。
2.4.3 回弹率
受施工工艺限制，堆喷构建支护结构体过程中不可避免地会发生回弹。回弹率也是表征堆喷工艺性能的一个指标，回弹率越高，说明材料的粘结性越差，材料浪费量越大。按照喷射混凝土应用技术规程[31]，现场测试得到堆喷过程中不同外加剂对应的回弹率如图11所示。
分析图11所示的回弹率测试结果得出，不论是S1还是S2对应的支护结构材料，堆喷施工时均存在不同程度的回弹。但与S1相比，S2的回弹率大幅降低，S2-5和S2-4的回弹率相近（5%左右），S2-5的回弹率最高降低26.3%，可以减少堆喷过程材料浪费和提高经济性。此外，回弹物料主要为粗骨料（碎石），低回弹率减少了堆喷料中的粗骨料损失，有利于堆喷料配比质量控制和支护结构体的耐久性。
3. 堆喷矿用支护结构体工程应用
3.1 沿空留巷工程概况
冀中能源峰峰集团辛安矿采用走向长壁后退式综采放顶煤工艺开采2号煤，煤厚平均4.4 m，倾角平均19°，井下标高−466.2～−583.9 m，地面标高+177.9～+215.6 m，低瓦斯矿井，水文地质条件复杂。辛安矿2号煤顶底板岩层柱状如图12所示。
辛安矿11212-2工作面运料巷为斜矩形断面，沿2号煤层顶板掘进，毛宽×毛高=4.6 m×3.4 m，采用锚网索支护。
为了尽最大可能提高煤炭资源采出率及延长矿井寿命，辛安矿采用堆喷工艺构筑巷旁隔离墙沿空留巷方法，实现了该矿2号煤层11212-2综放工作面运料巷沿空留巷无煤柱开采。
3.2 堆喷沿空留巷支护方式
沿空留巷是由煤帮、巷旁隔离墙及巷道上方顶板岩层所围成的空间[32]。煤系岩层为脆性材料，巷道顶板离层或下沉变形超过一定范围就会发生断裂破坏。沿空留巷围岩由巷内锚网支护及巷旁隔离墙共同承载，但由于巷内锚网支护能力有限，因此，留巷成功的关键在于巷旁墙体能够及早对顶板提供高强支承，阻止留巷顶板离层及下沉变形，同时能够发挥类似切顶柱的作用，对采空侧悬臂顶板垮落有一定的促进作用[33]，配合切顶工艺，使沿空留巷的采空区侧顶板岩层在矿压及人工辅助作用下断裂，减轻巷道围岩所承受的支承压力[34-35]。
沿空留巷堆喷巷旁隔离墙作为底板−墙体−顶板复合承载结构的基本组成，其赋存形态为沿巷道走向通长布置、留巷侧无支护、采空区侧垮落矸石自然堆积，受到顶板和底板的夹持而承载上覆岩层施加的载荷，可以简化为无侧向承重结构体，研究其承载特征和破坏机理对底板−墙体−顶板复合承载结构的设计至关重要。
以颗粒流程序PFC2D构建的数值模型作为无侧向承重结构体的研究对象，以不同粒径的圆形离散颗粒介质模拟堆喷料，固定模型下部模拟巷道底板，在模型上部施加力模拟作用到结构体上的顶板载荷（加载方式为位移加载，加载速度0.25 mm/s），运行软件直至模型发生破坏，模拟结构体在顶板载荷作用下的破坏过程。通过Fish函数监测计算过程中结构体中心的应力−应变，结合破坏形态研究其承载特征和破坏机理。通过在结构体内部设置不同的横向对拉约束钢筋，模拟不同配筋方式对结构体承载能力的影响，为设计沿空留巷堆喷巷旁支护结构体提供依据。颗粒流模拟堆喷墙体的物理力学参数如下
颗粒间接触模量/GPa 1.0 黏结刚度比 1.5 颗粒间摩擦因数 0.5 平行黏结模量/GPa 0.5 平行黏结刚度比 1.5 黏聚力/MPa 20 抗拉强度/MPa 20 内摩擦角/(°) 45 3.2.1 结构体断面
将断面形状作为变量，巷旁支护结构体可以分为矩形、直角梯形和等腰梯形3类。构建数值模型时，不同断面结构体的高度（4.0 m）和顶部长度（1.0 m）一致，仅分析断面形状对结构体承载性能的影响。不同断面结构体的数值模型及失稳结果如图13所示，应力−应变曲线如图14所示。
分析图13得出，不同断面结构体的破坏形态不同，矩形结构体整体应力集中程度较大，从中上部到底角发生了贯穿型剪切破坏失稳；直角梯形结构体的顶部和底部应力集中明显，对应发生了劈裂型剪切破坏；等腰梯形结构体的顶部应力集中，发生了X型剪切破坏，其他部位未发生明显失稳。
分析图14得出，发生峰值破坏前，不同断面的结构体均以弹性变形为主，应力−应变曲线近似呈直线。在应力值相等的情况下，3种断面结构体的应变由大到小为矩形，直角梯形，梯形，破坏载荷由大到小为等腰梯形（59.05 MPa），直角梯形（53.71 MPa），矩形（49.42 MPa）。
结合数值模拟结果及现场施工条件，选择直角梯形为堆喷沿空留巷的巷旁支护结构体断面。
3.2.2 结构体配筋
以无配筋的直角梯形结构体作为对照组，对不同横向配筋方式下结构体的承载特性进行计算，模拟分别在结构体顶底按照间距1.0、0.5 m配筋和在结构体整体按照间距1.0、0.5 m配筋4种不同配筋方式的破坏形态及承载性能。直角梯形结构体不同配筋方式的模型及破坏形态如图15所示，应力−应变曲线如图16所示。
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图 15 直角梯形结构体不同配筋模型及失稳结果Figure 15. Different reinforcement models and destabilization results of right-angled trapezoidal structures![]()
图 16 直角梯形结构体不同配筋应力−应变曲线Figure 16. Stress-strain curves of different reinforcements of right-angled trapezoid structure分析图15和图16得出，构造配筋可以提高支护结构体的承载及抵抗变形破坏的能力，不同配筋方式对结构体的破坏形态和破坏载荷影响显著。在直角梯形结构体的顶底部按照间距1.0、0.5 m配筋时，由于配筋部位受到横向约束作用，抵抗变形破坏能力增强，结构体的中部发生了剪切破坏。在结构体整体按照间距1.0、0.5 m配筋时，由于结构体整体受到横向约束作用，抵抗变形破坏能力增强更显著；间距1.0 m配筋时，结构体顶部发生了剪切破坏，底部右侧发生了局部垮落；间距0.5 m配筋时，仅在结构体顶部和底部发生了小范围剪切破坏，整体结构稳定。
发生峰值破坏前，不同配筋结构体均以弹性变形为主，应力−应变曲线近似呈直线；在应力值相等的情况下，不同配筋对应直角梯形结构体的应变由大到小为无配筋、顶底1.0 m配筋≈整体1.0 m配筋、顶底0.5 m配筋、整体0.5 m配筋，破坏载荷由大到小为：整体0.5 m配筋（63.91 MPa）、顶底0.5 m配筋（63.32 MPa）、整体1.0 m配筋（59.72 MPa）、顶底1.0 m配筋（56.94 MPa）、无配筋（53.71 MPa）。达到峰值载荷后，整体0.5 m配筋对应的结构体仍具有较大的承载能力，承载性能优于其他配筋方式。
根据上述数值模拟计算分析，设计堆喷沿空留巷的巷旁墙体断面为直角梯形，墙体两侧设置钢筋网片，沿墙体高度按照间距、排距0.5 m设置对拉钢筋，改善沿空留巷巷旁支护结构体的承载性能。
针对综放工作面沿空留巷的强矿压特点，从巷道顶板加固和巷旁隔离墙支承性能两方面提出堆喷沿空留巷的围岩控制原则：①使用强力锚杆、锚索及时支承巷道顶板，且施加足够的预紧力，减少顶板离层；②巷旁隔离墙的支承强度足够大，接顶能力强，抵抗动压影响，控制顶板下沉变形。
辛安矿11212-2工作面运料巷堆喷巷旁隔离墙沿空留巷的支护方式如图17所示，堆喷巷旁隔离墙的底部厚度为1.0 m、顶部厚度为0.8 m，墙体靠采空侧为一层钢筋网片，靠留巷侧为一层钢筋网片，沿高度方向设置对拉钢筋固定钢筋网片，发挥挡矸、控制墙体外形轮廓和构造配筋的作用。
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图 17 堆喷巷旁隔离墙沿空留巷支护示意Figure 17. Schematic of gob-side entry retaining by heap spraying wall工作面开采后，采空区顶板岩层从开始垮落到稳定需要一定的时间，导致留巷围岩初期受动压影响明显，需要临时加强支护。堆喷支护结构体的14 d强度即可达到设计强度的84%，已具备了承载能力。因此，堆喷沿空留巷仅需要14 d的临时加强支护，支护方式可以选择单体支柱+顶梁。
3.3 沿空留巷效果分析
在11212-2工作面运料巷留巷期间，对巷道围岩变形及巷旁墙体稳定性等进行了监测。现场观测堆喷构筑的巷旁隔离墙完全接顶，控顶性能优良，采空区无漏风；沿空留巷的顶底板最大移近量为641 mm，煤帮最大鼓出量为508 mm，实现了安全沿空留巷。受采动周期来压和覆岩垮落等动压影响时，巷旁墙体表面发生了局部喷层片落的强矿压现象，但其整体结构未发生失稳破坏。沿空留巷围岩变形量与采煤工作面距离的关系如图18所示，堆喷沿空留巷的工程影像如图19所示。
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图 18 沿空留巷围岩变形量与工作面距离的关系Figure 18. Relationship between surrounding rock deformation and working face distance of gob-side entry retaining分析图18得出，随着回采工作面不断推进，留巷围岩受本工作面采动及采空区覆岩垮落运动等因素影响，在距离工作面约80 m以后煤帮及顶底板变形量基本趋于稳定。沿空留巷内围岩变形以煤帮鼓出和底板鼓起为主，且均主要发生在滞后工作面20～60 m范围。
采用堆喷工艺构筑巷旁墙体支承巷道顶板及隔离采空区，满足厚煤层综放工作面沿空留巷强矿压的要求，巷旁墙体的强度上升速度快，及时支承不让压，临时支护时间短；巷旁墙体微膨胀，接顶密实不漏风，有效隔绝采空区；采煤与沿空留巷作业互不干扰，堆喷构筑巷旁隔离墙紧跟采煤工作面，操作工远离危险区，可以实现高产高效，能够适用于厚煤层、快速推采、地压大、埋深大、自燃发火煤层等复杂工程条件。
4. 结 论
1）提出了堆喷技术，获得了拌料、供水、成型等工艺参数，形成了一套完整的堆喷矿用支护结构体工艺方法。
2）研发了堆喷外加剂（S2），S2可以促进堆喷料水化过程中生成钙矾石（AFt）和水化硅酸钙（C-S-H），AFt相互交错搭接形成三维网状空间结构，并被C-S-H填充，从而使支护结构体的微观形貌致密，宏观上具有高强、密实性能。
3）堆喷结构体具有及早发挥支护强度且后期强度不倒缩的承载特性，其强度增长过程分为3个阶段，即初期快速增长阶段（龄期0～14 d）、中期持续增长阶段（龄期14～28 d）、后期稳定阶段（龄期＞28 d）。
4）将堆喷技术应用于安全高效地构筑沿空留巷巷旁隔离墙支护结构体，具有成型快、无需支模养护、一次构筑厚度不受限制、早强且后期强度不倒缩、高密度、高强度和微膨胀的特点。
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图 15 直角梯形结构体不同配筋模型及失稳结果
Figure 15. Different reinforcement models and destabilization results of right-angled trapezoidal structures
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图 16 直角梯形结构体不同配筋应力−应变曲线
Figure 16. Stress-strain curves of different reinforcements of right-angled trapezoid structure
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图 17 堆喷巷旁隔离墙沿空留巷支护示意
Figure 17. Schematic of gob-side entry retaining by heap spraying wall
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图 18 沿空留巷围岩变形量与工作面距离的关系
Figure 18. Relationship between surrounding rock deformation and working face distance of gob-side entry retaining
表 1 堆喷料各组分的作用及参数
Table 1 Function and parameters of each component of heap spraying material
组分 材料 材料参数 功能 堆喷主料 水泥（P·O 42.5） 425号普通硅酸盐水泥 胶凝材料 砂 细度模数为2.6～3.0的天然砂 细骨料 石子 粒径为5～10 mm的碎石 粗骨料 堆喷辅料 堆喷外加剂（S2） 无机多功能复合料 支护结构材料制备的关键掺料 水 洁净且pH值为6～8 拌和作用 
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表 2 堆喷外加剂原材料的化学成分
Table 2 Chemical composition of raw materials
材料 化学成分质量占比/% SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 TiO2 Loss SAC-42.5 8.72 34.13 2.31 39.86 1.42 7.11 6.15 0.30 硅灰（GS） 7.65 52.17 2.38 36.15 1.59 0.04 — 0.02 石膏（G） 0.36 0.03 0.05 41.60 0.05 52.08 — 5.83
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表 3 堆喷外加剂（S2）的配方
Table 3 Composition of heap spraying admixture (S2)
S2 所用原材料质量/(kg·t−1) GS SAC-42.5 G SM Al(OH)3 Al2(SO4)3 NaF MV JB JS S2-1 130 230 70 501 25 20 3 2 14 5 S2-2 140 220 80 489 30 18 2 2 14 5 S2-3 150 210 90 477 35 16 1 2 14 5 S2-4 160 200 100 464 40 14 1 2 14 5 S2-5 170 190 110 451 45 12 1 2 14 5
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颗粒间接触模量/GPa 1.0 黏结刚度比 1.5 颗粒间摩擦因数 0.5 平行黏结模量/GPa 0.5 平行黏结刚度比 1.5 黏聚力/MPa 20 抗拉强度/MPa 20 内摩擦角/(°) 45
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[1] 2021煤炭行业发展年度报告[R]. 北京:中国煤炭工业协会,2022. [2] 黄炳香,张 农,靖洪文,等. 深井采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论[J]. 煤炭学报,2020,45(3):911−926. HUANG Bingxiang,ZHANG Nong,JING Hongwen, et al. Large deformation theory of rheology and structural instability of the surrounding rock in deep mining roadway[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(3):911−926.
[3] 白锦文,崔博强,戚庭野,等. 关键柱柱旁充填岩层控制基础理论[J]. 煤炭学报,2021,46(2):424−438. BAI Jinwen,CUI Boqiang,QI Tingye, et al. Fundamental theory for rock strata control of key pillar-side backfilling[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(2):424−438.
[4] 韩昌良,张 农,王晓卿,等. 沿空留巷砌块式墙体结构承载特性及应用研究[J]. 采矿与安全工程学报,2013,30(5):673−678,685. HANG Changliang,ZHANG Nong,WANG Xiaoqing, et al. Bearing behavior of lock wall structure in gob-side entry retaining and its application[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2013,30(5):673−678,685.
[5] 康红普,张 晓,王东攀,等. 无煤柱开采围岩控制技术及应用[J]. 煤炭学报,2022,47(1):16−44. KANG Hongpu,ZHANG Xiao,WANG Dongpan, et al. Strata control technology and applications of non-pillar coal mining[J]. Journal of China Coal Society,2022,47(1):16−44.
[6] 姚直书,赵丽霞,程 桦,等. 深厚表土层冻结井筒高强钢筋混凝土内壁设计优化与实测分析[J]. 煤炭学报,2019,44(7):2125−2132. YAO Zhishu,ZHAO Lixia,CHENG Hua, et al. Research and application of high strength steel fiber concrete compound shaft lining with inner steel plate in deep alluvium shaft repair[J]. Journal of China Coal Society,2019,44(7):2125−2132.
[7] 程 桦,张 楠,姚直书,等. 厚表土井筒修复内套钢板混凝土井壁技术研究[J]. 煤炭科学技术,2019,47(6):58−65. CHENG Hua,ZHANG Nan,YAO Zhishu, et al. Study on the technology of inner steel plate concrete shaft lining for thick topsoil wellbore repair[J]. Coal Science and Technology,2019,47(6):58−65.
[8] 唐建新,胡 海,涂兴东,等. 普通混凝土巷旁充填沿空留巷试验[J]. 煤炭学报,2010,35(9):1425−1429. TANG Jianxin,HU Hai,TU Xingdong, et al. Experimental on roadside packing gob-side entry retaining for ordinary concrete[J]. Journal of China Coal Society,2010,35(9):1425−1429.
[9] DIMITRI Feys,GEERT De Schutter,KAMAL H. Khayat, et al. Changes in rheology of self-consolidating concrete induced by pumping[J]. Materials and Structures,2016,49:4657−4677. doi: 10.1617/s11527-016-0815-7
[10] 马广兴. 柔模混凝土沿空留巷和切顶卸压沿空留巷对比分析[J]. 能源与环保,2018,40(10):185−189. MA Guangxing. Comparing analysis on gob-side entry retaining for flexible concrete and gob-side entry retaining with roof cutting and pressure releasing[J]. China Energy and Environmental Protection,2018,40(10):185−189.
[11] ZHANG Feiteng,WANG Xiangyu,BAI Jianbiao, et al. Post-peak mechanical characteristics of the high-water material for backfilling the gob-side entry retaining:from experiment to field application[J]. Arabian Journal of Geosciences,2020,386(13):1−13.
[12] 熊祖强,刘旭锋,王 成,等. 高水巷旁充填材料单轴压缩变形破坏与能耗特征分析[J]. 中国安全生产科学技术,2017,13(1):65−70. XIONG Zuqiang,LIU Xufeng,WANG Cheng, et al. Analysis on deformation failure and energy consumption characteristics of high-water roadside filling materials under uniaxial compression[J]. Journal of Safety Science and Technology,2017,13(1):65−70.
[13] 李西凡,熊祖强,王 鹏. 高水巷旁充填材料力学性能改进试验研究[J]. 中国安全科学学报,2020,30(5):95−100. LI Xifan,XIONG Zuqiang,WANG Peng. Experimental study on improvement of mechanical properties of high-water filling materials in gob-side entry retaining[J]. China Safety Science Journal,2020,30(5):95−100.
[14] 任兴云,郝兵元,王宏伟. 矩形巷道顶板锚索布置参数优化研究与实践[J]. 中南大学学报(自然科学版),2021,52(9):3322−3330. REN Xingyun,HAO Bingyuan,WANG Hongwei. Research and practice on optimization of the layout parameters of roof cable in rectangular roadway[J]. Journal of Central South University (Science and Technology),2021,52(9):3322−3330.
[15] 郝兵元,任兴云,李铁良,等. 一种用于煤矿井下的堆喷混凝土快速筑墙方法[P]. 中国:ZL 201810566315.0,20181116. [16] 喷射混凝土材料与工程技术及应用-喷射混凝土材料与工程技术分会2020年度行业发展报告(摘编)[J]. 混凝土世界,2021(12):24−29. [17] 康红普. 煤矿巷道支护与加固材料的发展及展望[J]. 煤炭科学技术,2021,49(4):1−11. KANG Hongpu. Development and prospects of support and reinforcement materials for coal mine roadways[J]. Coal Science and Technology,2021,49(4):1−11.
[18] 白金超,成云海,郑强强,等. 干、湿喷混凝土受载力学特性及破坏机制[J]. 煤炭学报,2020,45(8):2777−2786. BAI Jinchao,CHENG Yunhai,ZHENG Qiangqiang, et al. Mechanical characteristics and failure mechanism of dry and wet shotcrete under loading[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(8):2777−2786.
[19] 王家滨,牛荻涛,张永利. 喷射混凝土力学性能、渗透性及耐久性试验研究[J]. 土木工程学报,2016,49(5):96−109. WANG Jiabin,NIU Ditao,ZHANG Yongli. Investigation of mechanical,permeability and durability performance of shotcrete with and without steel fiber[J]. China Civil Engineering Journal,2016,49(5):96−109.
[20] 张荣立,何国纬,李 铎. 采矿工程设计手册[M]. 背景:煤炭工业出版社,2010. [21] CHEN Lianjun,LI Pengcheng,LIU Guoming, et al. Development of cement dust suppression technology during shotcrete in mine of China-A review[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2018,55:232−242. doi: 10.1016/j.jlp.2018.07.001
[22] LINDEMANN H,GERBERS R,IBRAHIM S, et al. Development of a shotcrete 3D-Printing (SC3DP) technology for additive manufacturing of reinforced freeform concrete structures[J]. International Union of Laboratories and Experts in Construction Materials,2019,19:287−298.
[23] 宁逢伟,蔡跃波,白 银,等. 湿喷混凝土射流密实过程研究进展[J]. 人民长江,2021,52(10):208−213. NING Fengwei,CAI Yuebo,BAI Yin, et al. Research progress of compaction process of wet-sprayshotcrete jet flow[J]. Yangtze River,2021,52(10):208−213.
[24] 颜永弟. 喷射混凝土最佳喷速及一次喷层厚度的理论解[J]. 岩土工程学报,1998,20(4):105−108. YAN Yongdi. Theoretical solution of optimum jet velocity and layer thickness of once gunited concrete[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,1998,20(4):105−108.
[25] 中华人民共和国建设部. 普通混凝土力学性能试验方法标准:GB/T 50081-2002[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2002. [26] 中华人民共和国建设部. 混凝土外加剂应用技术规范:GB 50119-2013[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2013. [27] KAREN L Scrivener,PATRICK Juilland,PAULO J M Monteiro. Advances in understanding hydration of Portland cement[J]. Cement and Concrete Research,2015,04982:1−19.
[28] Sara Bahafifid,Siavash Ghabezloo,Myriam Duc, et al. Effect of the hydration temperature on the microstructure of Class G cement:C-S-H composition and density[J]. Cement and Concrete Research,2017,95:270−281. doi: 10.1016/j.cemconres.2017.02.008
[29] 李学彬,曲广龙,杨春满,等. 弱胶结巷道新型聚合物喷层材料及其喷射支护技术研究[J]. 采矿与安全工程学报,2019,36(1):95−102. LI Xuebin,QU Guanglong,YANG Chunman, et al. Study on new polymer spray-layer material and its spray support technology for weakly cemented rock roadway[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2019,36(1):95−102.
[30] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 混凝土强度检验评定标准:GB/T 50107-2010[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2010. [31] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 喷射混凝土应用技术规程:JGJ/T 372-2016[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2016. [32] 王方田,尚俊剑,赵 宾,等. 切顶卸压沿空留巷围岩结构特征及锚索强化支护技术[J]. 岩石力学与工程学报,2021,40(11):2296−2305. WANG Fangtian,SHANG Junjian,ZHAO Bin, et al. Surrounding rock structural characteristics and anchor-cable strengthened support technology of the gob-side entry retaining with roof cutting and pressure releasing[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2021,40(11):2296−2305.
[33] 郝兵元,任兴云,李宪军,等. 一种综采放顶煤工作面堆喷混凝土沿空留巷方法[P]. 中国:ZL202111115809.5,20211130. [34] 谢生荣,张 晴,陈冬冬,等. 沿空留巷顶板非对称锚固深梁承载结构模型研究及应用[J]. 采矿与安全工程学报,2020,37(2):298−310. XIE Shengrong,ZHANG Qing,CHEN Dongdong, et al. Research and application of asymmetric anchorage deep beam bearing structure model in gob-side entry retaining roof[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2020,37(2):298−310.
[35] DU Zhaowen,CHEN Shaojie,MA Junbiao, et al. Gob-Side Entry retaining involving bag filling material for support wall construction[J]. Sustainability,2020,12:6353. doi: 10.3390/su12166353
-
期刊类型引用(2)
1. 孙强. 堆喷工艺在水峪矿快速构筑密闭墙的应用. 山西焦煤科技. 2024(09): 39-41+50 . 
百度学术
2. 宋腾飞. 矿井断层破碎带巷道快速掘进高效支护技术研究. 矿业装备. 2024(11): 76-78 . 百度学术
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