大体积混凝土充填墙体高温破坏机理研究_董承秀.pdf

第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．1 Jan． 2020 沿空留巷技术可避免形成孤岛工作面，消除煤 柱上下区域的应力集中，混凝土充填墙体作为巷旁 支护的核心结构[1]， 属于大体积混凝土范畴[2]， 且要 求速凝早强， 充填材料前期水化速度快、 生发量大， 高温问题较地面大体积混凝土更为严重[3]。充填墙 体高温引起的开裂现象，不仅影响墙体承载能力， 在恶化工作环境的同时， 还会埋下煤尘自然和瓦斯 爆炸的隐患[4]。之前针对充填墙体的研究多为充填 材料配比、 工艺优化及支护方案设计方面[5]， 由高温 引起的安全隐患问题暂未得到重视。因此，针对沿 空留巷充填墙体高温产生缘由、温度应力与矿山压 力耦合作用破坏机理的研究亟待开展，力争排除充 填墙体高温对安全回采的影响，最终实现煤炭资源 无煤柱安全绿色高效回收。 1现场充填墙体破坏特征 研究矿井为高瓦斯矿井， 1231 工作面采用沿空 留巷巷旁充填技术布置回采巷道，在充填支架后方 大体积混凝土充填墙体高温破坏机理研究 董承秀 （山东英才学院 建筑工程学院， 山东 济南 250104） 摘要 混凝土充填墙体是沿空留巷技术实施的核心构筑物， 为解决地下大体积混凝土充填墙 体因高温产生温差裂缝等破坏状况的难题， 综合运用现场调研、 理论分析、 实验室测试及数值模 拟等多种研究方法， 对巷旁充填墙体高温演化规律、 多场耦合作用下的破坏机理进行系统研究。 结果表明 充填材料高水化热、 导热性差是导致温度裂缝产生的关键因素， 温度应力超过墙体表 面抗拉强度即产生温度裂缝， 且出现表面裂缝后的大体积混凝土充填墙体对矿山压力的敏感度 提高， 在多应力场耦合作用下， 墙体表面裂缝加速向深部扩展成贯穿裂缝， 导致墙体呈多向裂隙 破坏状态， 充填墙体应在经受采动影响前加以强化控制。 关键词 沿空留巷； 大体积混凝土； 温度裂缝； 破坏机理； 耦合作用 中图分类号 TD266文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 01-0052-04 Failure Mechanism of Mass Concrete Filling Wall Under High Temperature DONG Chengxiu （Architectural Engineering Institute, Shandong Yingcai University, Jinan 250104, China） Abstract The concrete filling wall is the core structure for the gob-side entry retaining technology． In order to solve the problem of high temperature cracks of mass concrete filling wall, s such as field investigation, theoretical analysis, laboratory testing and numerical simulation are used to study the high temperature evolution law and the failure mechanism under coupling multi- field effect of the mass concrete filling wall． The results show that the key factors causing the temperature cracks are the high hydration heat and poor thermal conductivity of the filling materials． When the temperature stress exceeds the tensile strength of the wall, the temperature cracks appear． However, the stability of the filling wall is significantly affected by mining stress． Under the coupling effect of thermal stress and mining stress, the temperature cracks extend to the deep of the filling wall, and eventually develop into through cracks． Therefore, the filling wall should be strengthened before mining． Key words gob-side entry retaining; mass concrete; temperature crack; failure mechanism; coupling effect 基金项目 2018 年山东英才学院重点课题资助项目 （18YCZDZR04 ） DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．01．012 董承秀．大体积混凝土充填墙体高温破坏机理研究［J］．煤矿安全，2020，51（1）52-55，59． DONG Chengxiu． Failure Mechanism of Mass Concrete Filling Wall Under High Temperature［J］． Safety in Coal Mines, 2020, 51（1） 52-55,59． 移动扫码阅读 52 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol．51No．1 Jan． 2020 图 1TAM Air 等温微量热仪 Fig．1 TAM Air isothermal microcalorimeter 图 2水化放热速率曲线 Fig．2 Hydration exothermic rate curves 图 3水化放热量曲线 Fig．3Hydration heat release curves 立模充填特制混凝土充填材料。现场调研发现， 脱 模后充填墙体温度上升较快，尤其是 3 d 龄期内更 为显著，由现场充填墙体破坏照片看到，墙体表面 伴随出现大面积片落和较宽表面裂缝。尽管现阶段 片帮和表面裂隙对充填墙体整体强度和密封性还不 能造成威胁，但考虑到井下高温高瓦斯的恶劣作业 环境，且大体积混凝土墙体导热性差，在经受工作 面采动影响时，势必会加剧充填墙体的破坏程度， 甚至有可能形成贯穿裂隙，致使充填墙体的整体稳 定性和密封性大大降低，同时埋下了瓦斯爆炸的隐 患， 对此问题应引起足够的重视。 2充填材料水化热测定 充填材料释放的水化热是造成充填墙体高温的 直接因素[6-7]， 1231 工作面采用的充填材料中矿渣水 泥是水化热的产生体，因此将对矿渣水泥水化热进 行测定。依据水泥水化热测定国家标准，实验室采 用直接法测定，可以连续测量矿渣水泥 7 d 内的水 化热情况， 实验选用 TAM Air 型八通道热导式等温 微量热仪， 仪器及测试样品如图 1。 实验室共设 4 组 测试样品， 采用固定水灰比 （0．45） 不同质量的形式， 量热仪每间隔 52 s 采集 1 次数据， 充填材料水化放 热量速率和水化放热曲线如图 2 和图 3。 由图 3 和图 4 可以看出 4 组实验得到的水化 放热速率和放热量曲线呈同一趋势，水化放热速率 在前期均有 1 次较小波动，水化放热量在 7 d 内均 呈持续上升趋势，说明水化热一直在混凝土墙体内 积聚； 1．5 d 龄期时达到最大速率， 2 d 龄期后水化放 热速率开始呈下降趋势， 3 d 龄期后的水化放热速率 开始呈现为水化末期状态， 放热总量达到 169 kJ/kg， 与现场 3 d 龄期墙体温度持续高温状况吻合， 7 d 龄 期后基本趋近于 0， 放热总量达到 217 kJ/kg， 前 3 d 放热量占前 7 d 总量的 77．9；标号为 27．5 的矿渣 硅酸盐水泥 3 d 和 7 d 龄期的放热总量分别为 146 kJ/kg 和 208 kJ/kg，前 3 d 放热量占前 7 d 总量的 70．2[8]， 2 种材料的放热总量接近， 但前 3 d 的放热 比重相差较大。究其原因，矿用充填料为满足早强 的要求添加了速凝剂， 加快了矿渣水泥的放热速率， 促使绝大比重水化热在 3 d 内释放，使占比 77．9 的热量在前期释放，远高于地面大体积混凝土的前 期放热比重，足以说明井下充填材料前期水化反应 的剧烈程度， 需采取一定的降温措施保障安全。 3充填墙体温度数值模拟 运用 ANSYS 数值模拟软件， 分析不同阶段混凝 土充填墙体表面及中心温度变化规律，墙体表面及 中心温度分布云图如图 4 和图 5，充填墙体温度变 化曲线如图 6。 综合对比图 4～图 6，可知充填墙体中部为高 温集中区且温度最高， 其次顶板温度＞底板温度＞巷 道内侧墙体＞沿空侧墙体； 2 d 龄期内墙体内外部温 度均呈快速上升趋势，墙体表面温度在 2．5 d 龄期 后呈明显下降趋势；墙体中心温度在 3 d 龄期后温 度上升趋势缓和，并于 4．5 d 龄期达到温度的峰值 61 ℃， 5 d 龄期后温度才开始呈现明显下降趋势， 滞 后墙体表面下降龄期 3 d 左右；墙体内外的最大温 （a ） 仪器（b） 测试样品 53 ChaoXing 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.1 Jan. 2020 图 6充填墙体温度变化曲线 Fig.6 Filling wall temperature change curves 图 5充填墙体中心温度场 Fig.5Filling wall temperature field center 图 4充填墙体表面温度场 Fig.4Filling wall surface temperature field 差达到 22 ℃左右， 且 3 d 龄期后， 墙体内外温差持 续在 20 ℃以上， 由于温度应力与温差成正比， 说明 充填墙体内外温度应力较大且持续时间比较长。 4多场耦合作用数值分析 4.1充填墙体温度裂缝产生判据 混凝土结构的抗压强度远大于其抗拉强度， 充 填墙体的破坏多因所承受拉应力超过抗拉强度所 致。充填墙体裂缝多出现于墙体表面，究其原因可 知是由于其内外温差△T 引起的温度应力大于墙体 表面抗拉强度所致。因此， 墙体在产生裂隙前， 墙体 表面可以视作墙体内部的约束， 墙体内部温度高， 产 生膨胀， 墙体外部温度相对较低， 膨胀速率远小于内 部膨胀速率， 墙体内外产生压力差即温度应力， 因温 度应力产生的裂缝称为温度裂缝。 充填墙体温度应力可按下式计算[9] σ α 2 E （t） △TH（1 ） 式中 σ 为墙体温度应力， MPa； α 为充填材料的 线性膨胀系数； E （t） 为墙体的弹性模量， MPa； H 为 墙体的松弛系数； △T 为墙体内外温差， ℃。 则墙体温度裂缝产生的判据为 σ≥[σ]R （t） /1.15（2 ） 式中 σ 为墙体温度应力， MPa； [σ] 为抗拉应力 最大允许值， MPa； R （t） 为墙体抗拉强度设计值。 4.2充填墙体温度应力场分析 假设充填墙体为弹性体， 运用 ANSYS 数值计算 软件模拟充填墙体巷道内侧温度变化，可反映出墙 体温度应力的发展规律，巷道内侧墙体 7 d 龄期温 度应力变化曲线如图 7。 从图 7 可以看出，充填墙体许用应力为 1.57 MPa， 墙体表面在 3.5 d 龄期时超过许用应力， 在 6.5 d 龄期时达到最大值 1.95 MPa，之后开始呈下降趋 势，可以看出墙体表面温度裂缝最有可能于 3.5 d 龄期后产生， 这与现场实际情况基本吻合。 4.3充填墙体耦合破坏机理分析 为研究矿山压力与温度应力对充填墙体破坏的 54 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol．51No．1 Jan． 2020 图 7 巷道内侧墙体温度应力变化曲线 Fig．7 Variation curve of temperature stress of inner wall of roadway 图 8 多场耦合作用下裂隙分布云图 Fig．8 Fracture distribution cloud map under multi-field coupling 耦合作用，因此模拟分析充填墙体在温度应力一定 （2 MPa） 的条件下矿山压力对充填墙体裂缝发展 的耦合作用。多场耦合作用下裂隙分布云图结果如 图 8。 由图 8 可知，在 2 MPa 温度应力单独作用下， 充填墙体表面中间部位出现 2 条 2 mm 左右的延伸 性较小的裂缝； 当耦合 7 MPa 矿山压力时， 充填墙 体表面裂缝向逐步向深部扩展，同时墙体其他面也 出现了裂缝， 处于裂缝扩展阶段； 当矿山压力增加到 15 MPa 时， 原有裂隙继续向墙体内部延深， 墙体表 面更出现了多组新裂隙，并处于延伸阶段，此时墙 体裂隙发育但暂未贯通，倘若耦合矿山压力进一步 提升，则极易形成贯通裂隙，导致充填墙体的破 坏， 可见温度应力与矿山压力的耦合作用加快了充 填墙体的破坏进程， 且两者耦合作用明显， 应加以控 制措施。 5结论 1 ） 充填墙体高温主要是由充填材料水化热引起， 添加速凝剂后充填材料 3 d 龄期释放的水化热占总 热量的 77．9， 远大于普通硅酸盐水泥的 30， 加剧 了大体积混凝土充填墙体的高温状态。 2 ） 墙体热量多集中于四角和墙体中部， 2 d 龄期 内墙体内外部温度均呈快速上升趋势， 4．5 d 龄期墙 体温度达到峰值，墙体内部下降期滞后墙体表面下 降龄期 3 d 左右，且 3 d 龄期后墙体内外温差基本 在 20 ℃以上。 3） 温度应力与温差成正比， 温度应力是产生温 度裂缝的起因， 温度应力与矿山压力耦合作用下， 表 面裂缝向深部延伸扩展， 直至墙体破坏， 温度应力与 矿山压力的耦合作用加快了充填墙体的破坏速率和 程度， 当矿山压力达到 15 MPa， 充填墙体应加以稳 定性保障措施。 参考文献 ［1］ 柏建彪， 周华强， 侯朝炯， 等．沿空留巷巷旁支护技术 的发展 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2004， 33 （2） 183． ［2］ 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． ［3］ 张高展， 王雷， 孙道胜．煤矿沿空留巷巷旁支护充填材 料的制备 ［J］ ．硅酸盐通报， 2012， 31 （3） 590－594． ［4］ 颜志平， 漆泰岳， 张连信， 等．ZKD 高水速凝材料及其 泵送充填技术的研究 ［J］ ．煤炭学报， 1997， 22 （3） 270－275． ［5］ 张吉雄， 姜海强， 缪协兴， 等．密实充填采煤沿空留巷 巷旁支护体合理宽度研究 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2013， 30 （2） 159－164． ［6］ 王晓卿， 张农， 阚甲广， 等．大尺度混凝土巷旁墙体开 （下转第 59 页） 55 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol.51No.1 Jan. 2020 够防止散体帮在未压实状态向巷道鼓出，控制巷旁 侧向移近量。 参考文献 ［1］ 陈勇， 柏建彪， 王襄禹， 等．沿空留巷巷内支护技术研 究与应用 ［J］ ．煤炭学报， 2012， 37 （6） 903－910． ［2］ 华心祝．我国沿空留巷支护技术发展现状及改进建议 ［J］ ．煤炭科学技术， 2006， 34 （12） 78－81． ［3］ 宁建国， 马鹏飞， 刘学生， 等．坚硬顶板沿空留巷巷旁 “让－抗” 支护机理 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2013 （3） 369－374． ［4］ 高玉兵， 郭志飚， 杨军， 等．沿空切顶巷道围岩结构稳 态分析及恒压让位协调控制 ［J］ ．煤炭学报， 2017， 42 （7） 1672－1681． ［5］ 姜鹏飞， 张剑， 胡滨．沿空留巷围岩受力变形特征及支 护对策 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2016， 33 （1） 56. ［6］ 柏建彪， 周华强， 侯朝炯， 等．沿空留巷巷旁支护技术 的发展 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2004， 33 （2） 59－62． ［7］ 华心祝， 赵少华， 朱昊， 等．沿空留巷综合支护技术研 究 ［J］ ．岩土力学， 2006， 27 （12） 2225－2228． ［8］ 谭云亮， 于凤海， 宁建国， 等．沿空巷旁支护适应性原 理与支护方法 ［J］ ．煤炭学报， 2016 （2） 376－382． ［9］ YANG J，HE M，CAO C． Design principles and key technologies of gob side entry retaining by roof pre － fracturing ［J］ ． Tunnelling and Underground Space Tech－ nology， 2019， 90 309－318． ［10］ YANG J，LIU B，GAO Y，et al． Dynamic Load Char－ acteristics and the Pressure Reduction Caused by the Cutting Seam on the Roadside Roof of a Large Mining Height Longwall Face in a Shallow Coal Seam［J］ ． Geotechnical and Geological Engineering，2019， 37 （4 ） 2949－2962． ［11］ 何满潮， 高玉兵， 杨军， 等．无煤柱自成巷聚能切缝技 术及其对围岩应力演化的影响研究 ［J］ ．岩石力学 与工程学报， 2017， 36 （6） 1314－1325． ［12］ 韩昌良， 张农， 李桂臣， 等．大采高沿空留巷巷旁复合 承载结构的稳定性分析 ［J］ ．岩土工程学报， 2014， 36 （5） 969－976． ［13］ 安长青．无巷旁充填沿空留巷支护技术研究 ［J］ ．煤炭 与化工， 2017， 40 （11） 100－102． ［14］ 何满潮， 陈上元， 郭志飚， 等．切顶卸压沿空留巷围岩 结构控制及其工程应用 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2017， 46 （5） 959－969． ［15］ 惠兴田， 胡梓俊．切顶留巷沿空巷旁 U 型钢让压滑动 性研究 ［J］ ．煤炭技术， 2018， 37 （9） 125－128． 裂机理及控制对策 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2017， 46 （2） 237－243． ［7］ 杨俊彩．浅埋深厚煤层柔模混凝土沿空留巷矿压规律 研究 ［J］ ．煤炭科学技术， 2015， 43 （S2） 29－32． ［8］ 张川， 文志杰， 胡善超．采场顶板控制理论在沿空留巷 中的应用 ［J］ ．煤矿安全， 2011， 42 （4） 119－122． ［9］ 黄玉诚， 孙恒虎．沿空留巷护巷带参数的设计方法 ［J］ ． 煤炭学报， 1997 （2） 17－21． 作者简介 董承秀 （1979） ， 女， 山东英才学院建工学 院副教授， 在读博士研究生， 主要研究方向为建筑结构。 （收稿日期 2018-08-01； 责任编辑 朱蕾） （上接第 55 页） 作者简介 李帅 （1981） ， 男， 河南商水人， 工程师， 硕士， 2008 年毕业于兰州理工大学，主要从事煤矿液压支 架设计及特殊支护设备研究工作。 （收稿日期 2018-11-01； 责任编辑 朱蕾） 59 ChaoXing