综放工作面沿空留巷多层位充填体承载结构及支护方法与流程
本发明属于巷道支护技术领域，具体涉及一种综放工作面沿空留巷多层位充填体承载结构及支护方法。
背景技术：
沿空留巷是将上区段工作面的运输平巷用作下区段工作面的回风平巷，它减少了巷道的掘进量，缓解了采掘接替的紧张局面，减少煤柱的留设，消除了煤柱上下区域的应力集中，实现了工作面y型通风，解决了工作面上隅角瓦斯超限和积聚的问题。
近年来，我国学者已经在留巷围岩活动规律、巷内支护技术等方面进行了大量的研究，为留巷墙体稳定和围岩控制奠定了丰富的理论基础。充填墙体作为沿空留巷的核心，稳定的承载特性十分重要。随着工作面回采，沿空留巷基本顶周期性断裂形成的关键块将以旋转基点为轴心向采空区侧回转下沉，且靠近墙体侧的下沉值远大于实体煤帮的下沉值，在此过程中，充填墙体为避免破断失稳而产生适量的“变形-让压”以适应直接顶下沉很有必要。为了达到这一目的，通过在混凝土墙体和直接顶之间填塞木料来充当软介质，利用软介质高的压缩率来适应直接顶的回转下沉；膏体充填材料阐述了“上软下硬”不等强充填体在坚硬直接顶条件下的“让-抗”机理。将预留的顶煤当作软介质来改善充填墙体的受力环境。这些尝试为进一步改善充填体的受力环境、提高巷道围岩稳定性提供了新思路。高水材料因具有速凝早强、强度灵活可调和施工简便等优点而被广泛应用于沿空留巷。但单纯以高水材料构筑的充填体同样面临着“变形-让压”能力弱，与直接顶协同变形能力差的问题，这就导致充填体在直接顶活动初期就可能出现严重破裂，甚至失稳的现象。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
技术实现要素：
本发明的目的是克服上述现有技术中单纯以高水材料构筑的充填体具有“变形-让压”能力弱，与直接顶协同变形能力差的问题，这就导致充填体在直接顶活动初期就可能出现严重破裂，甚至失稳的现象。因此本发明提供一种综放工作面沿空留巷多层位充填体承载结构及支护方法解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种综放工作面沿空留巷多层位充填体承载结构，所述多层位充填体承载结构位于采空区内，用于支撑采空区内的顶板；
所述多层位充填体承载结构包括ⅰ类胶结体和ⅱ类胶结体；
所述ⅰ类胶结体位于所述ⅱ类胶结体的上方，所述ⅰ类胶结体的顶部顶靠在巷道上方的直接顶上，所述ⅱ类胶结体底部位于采空区的巷道底板上；
所述ⅰ类胶结体和所述ⅱ类胶结体的宽度相同，所述ⅱ类胶结体的高度大于所述ⅰ类胶结体的高度；
所述ⅰ类胶结体的压缩率大于所述ⅱ类胶结体的压缩率，所述ⅰ类胶结体的刚度低于所述ⅱ类胶结体的刚度。
如上所述的综放工作面沿空留巷多层位充填体承载结构，优选的，所述ⅰ类胶结体的高度是所述ⅱ类胶结体的高度的20％～30％，所述ⅰ类胶结体用于变形让压，所述ⅱ类胶结体用于承载。
如上所述的综放工作面沿空留巷多层位充填体承载结构，优选的，所述ⅱ类胶结体为甲乙两种浆料组成的高水速凝材料，甲浆料主要成分为硫铝酸盐水泥熟料，乙浆料主要成分为石灰石膏，甲乙两种浆料的配比为1：1。
如上所述的综放工作面沿空留巷多层位充填体承载结构，优选的，所述ⅰ类胶结体为高水膨胀材料，所述ⅰ类胶结体的浆液通过向所述ⅱ类胶结体的浆液中添加引气剂和聚丙烯纤维制成，添加的引气剂与聚丙烯纤维的总量不超过ⅰ类胶结体浆液总量的3‰；
再优选的，所述ⅰ类胶结体的压缩率为6‰～10‰。
如上所述的综放工作面沿空留巷多层位充填体承载结构，优选的，所述ⅰ类胶结体的高度为0.5m，所述ⅱ类胶结体的高度为2.5m。
如上所述的综放工作面沿空留巷多层位充填体承载结构的支护方法，优选的，所述支护方法包括如下步骤：
s1，建立多层位充填体承载结构力学模型，对多层位充填体受力特征进行分析，得出多层位充填体各个胶结体的高度；
s2，对多层位充填体承载变形机制进行分析，进一步得出两种工况条件下的多层位充填体的变形特征，采用ⅰ类胶结体和ⅱ类胶结体进行充填承载；
s3，对步骤s2中的ⅰ类胶结体料和ⅱ类胶结体的材料进行实验和分析，分别为高水膨胀材料和高水速凝材料；
s4，先配置ⅱ类胶结体高水速凝材料浆液并进行注浆，然后在ⅱ类胶结体浆液的基础上配置ⅰ类胶结体的浆液并再次进行注浆；
s5，对步骤s4中的多层位充填体承载后的巷道围岩变形进行监测。
如上所述的综放工作面沿空留巷多层位充填体承载结构的支护方法，所述步骤s1具体包括如下步骤：
s101，根据砌体梁断裂的理论建立多层位充填体承载结构力学模型，并得出：
式中：p为老顶旋转下沉对下位岩层施加的压力；
e1为ⅰ类胶结体弹性模量；
e2为ⅱ类胶结体弹性模量；
e3直接顶等效弹性模量；
e4底煤弹性模量；
h1为ⅰ类胶结体高度；
h2为ⅱ类胶结体高度；
h3为直接顶高度；
h4为底煤高度；
x0为关键块断裂点距煤帮的距离；
b为留巷宽度；
a为充填体宽度；
l为关键块断裂长度；
s102，根据步骤s101得出的充填体结构力学模型，将h1由0m增加到3m并得到充填体的受力特征曲线，综合充填体最大压缩量和材料成本的因素得出ⅰ类胶结体的高度和ⅱ类胶结体的高度。
如上所述的沿空留巷多层位充填体承载结构的支护方法，优选的，所述步骤s2具体包括如下步骤：
s201，将要充填的工作面分为两种工况，分别为工况一：充填体完全采用ⅱ类胶结体；工况二：采用多层位充填体，充填体底部采用高度为2.5m的ⅱ类胶结体，顶部采用高度为0.5m的ⅰ类胶结体；
s202，分别对工况一和工况二中的充填体模型进行加载施加垂直应力，并得出充填体的变形曲线，并得出ⅰ类胶结体的高压缩率和ⅱ类胶结体的高强度结合起来可以适应顶板的回转下沉，增强充填体的稳定性。
如上所述的综放工作面沿空留巷多层位充填体承载结构的支护方法，优选的，所述步骤s3具体包括如下步骤：
s301，对高水膨胀材料浆液制成的pzgs试样和高水速凝材料浆液制成的ptgs试样分别进行单轴压缩试验；
s302，根据步骤s301中两种试样的试验结果得出单轴压缩下两种试样的应力-应变曲线；
s303，根据步骤s302中的应力-应变曲线得出将高水膨胀材料和高水速凝材料结合组成多层位充填体。
如上所述的综放工作面沿空留巷多层位充填体承载结构的支护方法，优选的，所述步骤s4具体包括如下步骤：
s401，先将甲乙两种浆料与水按照水料比1.5：1的比例配置高水速凝材料，并进行注浆，形成ⅱ类胶结体，当ⅱ类胶结体注浆到2.5m时停止注浆；
s402，在高水速凝材料浆液的基础上添加引气剂和聚丙烯纤维后得到高水膨胀材料浆液，并再次进行注浆，形成ⅰ类胶结体，当ⅰ类胶结体的高度达到0.5m即停止注浆。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：
本发明提供了一种综放工作面沿空留巷多层位充填体承载结构及支护方法，本发明相比现有技术至少具有如下的技术效果：
1、多层位充填体能够降低巷道直接顶垂直应力及充填体自身的应力集中，并将高应力向煤帮侧转移，优化了自身的承载环境，进一步提高了充填体的稳定性；
2、ⅰ类胶结体依靠自身的“变形-让压”特性吸收并转移部分外部荷载，降低巷道直接顶垂直应力及充填体自身的应力集中，而强度较高的ⅱ类胶结体可确保为直接顶提供可靠支撑，两者结合起来可以较好的适应直接顶的回转下沉，增强充填体的稳定性；
3、多层位充填体中的胶结体具有速凝早强、强度灵活可调、操作简单方便，适合工作者在地下顺利操作同时能够降低岩体能量释放速度，防止应力集中，减少岩爆危害。
附图说明
图1为本发明实施例中沿空留巷多层位充填体的结构示意图；
图2为本发明实施例中单轴压缩下试样应力-应变曲线的示意图；
图3为本发明实施例中多层位充填体承载系统力学模型示意图；
图4为本发明实施例中多层位充填体受力特征曲线示意图；
图5为本发明实施例中顶板垂直应力分布特征曲线示意图；
图6为本发明实施例中充填体应力变化特征曲线示意图；
图7为本发明实施例中充填体离层示意图；
图8为本发明实施例中巷道围岩变形量和断面收缩率示意图。
图中：1、顶板；2、老顶；201、老顶a；202、老顶b；203、老顶c；3、直接顶；4、煤体；5、巷道；6、ⅰ类胶结体；7、ⅱ类胶结体；8、采空区；9、多层位充填体。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
名词解释：
莫尔-库仑本构模型：一个基于工程常用土体参数的非线性模型，但不包含土体的所有非线性特性，莫尔-库仑本构模型可应用于地基的实际承载能力和失效荷载的计算，以及其它以土体破坏为关键因素的计算。
本发明提供一种综放工作面沿空留巷多层位充填体承载结构，沿空留巷的多层位充填体位于采空区内，用于支撑采空区内的顶板1，巷道5是地下采矿而掘进的通道；地下采矿时，为采矿提升、运输、通风、排水、动力供应等而掘进的通道，巷道5断面形状多为拱形、梯形或矩形，围岩松软的为圆形、椭圆形或马蹄形，巷道5根据长轴线与水平面的关系又可以分为直立巷道、水平巷道和倾斜巷道，煤体4是沿巷道掘进的方向需要挖掘的煤炭；煤炭挖掘以后通过巷道运送至地面，顶板1是位于煤体上方的岩层，顶板1包括直接顶3和老顶2，老顶2包括老顶a201、老顶b202和老顶c203。通常情况下，紧贴煤体之上的是伪顶，伪顶是极易随煤炭的采出而同时垮落的较薄岩层，厚度一般为0.3～0.5m，多由页岩、炭质页岩等组成，若在没有伪顶的情况下，煤体4之上的岩层就是直接顶3，常随着回撤支架而垮落，厚度一般在1～2m，直接顶3一般情况下夹在煤体4与基本顶之间，多由泥岩、而岩、粉砂岩等较易垮落的岩石组成，位于直接顶3之上的厚而坚硬的岩层是基本顶，基本顶又称为老顶2，常在采空区8上方悬露一段时间，直到达到相当面积之后才能垮落一次，通常由砂岩、砾岩、石灰岩等坚硬岩石的组成。当煤体4开采完之后，就形成了采空区8，上面的直接顶3没有煤体4的支撑容易发生垮落造成安全事故，直接顶3的垮落也会造成老顶2的悬空而造成塌陷，采空区8是指地下煤层被采出后留下的空洞区，出现采空后，其上覆盖的岩层将失去支撑，原来的平衡条件被破坏，使得上覆岩层产生移动变形，直到破坏塌落，最后导致地表各类建筑变形破坏，地表大面积下沉、凹陷。依次需要煤体4与巷道5底板之间填充充填体9，支撑着直接顶3，使得煤体4与直接顶3之间达成一种新的平衡，稳定煤体4、直接顶3与老顶2之间的平衡关系。
本发明提供一种综放工作面沿空留巷多层位充填体承载结构，多层位充填体9承载结构包括ⅰ类胶结体6和ⅱ类胶结体7，ⅰ类胶结体6位于ⅱ类胶结体7的上方，ⅰ类胶结体6的顶部顶靠在巷道5上方的直接顶3上，ⅱ类胶结体7底部位于采空区的巷道5底板上，ⅰ类胶结体6为高压缩率、低刚度的新型高水膨胀材料，增强多层位充填体9与直接顶3的协调变形能力，ⅱ类胶结体7为低压缩率、高刚度的高水速凝材料，为多层位充填体9和直接顶3提供可靠的支撑，多层位充填体9上部与直接顶3接触连接，多层位充填体9的下部与工作面接触连接，多层位充填体9水平方向位于巷道5与采空区8之间，垂直方向位于直接顶3与巷道5底板之间；ⅰ类胶结体6依靠自身的“变形-让压”特性吸收并转移部分外部荷载，降低巷道直接顶3垂直应力及充填体自身的应力集中，强度较高的ⅱ类胶结体7可确保为直接顶提供可靠支撑，两者结合起来可以较好的适应直接顶的回转下沉，增强充填体的稳定性。
ⅱ类胶结体7的高度要大于ⅰ类胶结体6的高度，ⅰ类胶结体6的高度是ⅱ类胶结体7的高度的20％～30％(比如21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％、30％)，ⅰ类胶结体6变形上部让压，ⅱ类胶结体7下部承载，增强多层位充填体9承载结构的稳定性，若ⅰ类胶结体6的厚度大于ⅱ类胶结体7的厚度，直接顶垮落的时候只有ⅰ类胶结体6依靠自己的“变形-让压”的变形能力来协调，适应直接顶的回转下沉，而ⅱ类胶结体7不能起到其应有的支撑作用，此多层位充填体就失去了应有的作用。ⅱ类胶结体7和ⅰ类胶结体6位均选用实心的立体结构，同时上下两层的立体结构的规格也要保持一致，实心的立体形状可以更好的发挥其支撑和“变形-让利”的作用，具体形状可以依据现场巷道的实际情况来自由选择，比如：圆柱体、长方体等，圆柱体适合在空间小而且垮落地方不是特别严重的情况下使用，长方体一般适用于大的巷道，直接顶单块面积大表面曲折以及容易垮落的地方。
如图1所示，多层位充填体9的上部是ⅰ类胶结体6，使用具有高压缩率和低刚度的新型高水膨胀材料(以下简称pzgs)，通过材料自身的“变形-让压”来增强多层位充填体9与直接顶3的协调变形能力，适应直接顶3的回转下沉，新型高水膨胀材料本身的属性具有高的压缩率，当直接顶3回转下沉时，材料本身依据特有的属性承载直接顶3并能化掉大部分垂直向下的作用力，保护底部的胶结体；多层位充填体9的底部是ⅱ类胶结体7，使用低压缩率、高刚度的高水速凝材料(以下简称ptgs)，确保多层位充填体9能为直接顶3提供可靠的支撑。根据两种材料性能的不同多层位充填体9自上而下划分为两个层位，新型高水膨胀材料组成的ⅰ类胶结体66和由高水速凝材料组成的ⅱ类胶结体7。根据巷道空间高度的高度来规定充填体的高低，ⅱ类胶结体7具有速凝早强、强度灵活可调和施工简便等优点，当ⅱ类胶结体7充填达到规定高度后，在原有材料的基础上将配置好的改性剂添加至浆液中制得pzgs材料，随之继续泵送完成ⅰ类胶结体6的充填。
ⅱ类胶结体7为低压缩率、高刚度的高水速凝材料，高水速凝材料由两种料浆组成，料浆的材料与水的比例为1:1.2～1:1.8，(比如1:1.2、1:1.3、1:1.4、1:1.5)，本实施例优选料浆的材料与水的比例为1:1.5，双料浆混合后可在8～10min内失去流动性、18～20min硬化，1d强度可达最终强度的50％；ⅰ类胶结体6是高压缩率、低刚度的新型高水膨胀材料，ⅰ类胶结体6的压缩率为6‰～10‰(比如6‰、7‰、8‰、9‰、10‰)，新型高水膨胀材料是在高水速凝材料的基础上添加适量引气剂和聚丙烯纤维后得到高水膨胀材料，引气剂和聚丙烯纤维添加量均不超过ⅰ类胶结体6总量的3‰。高水膨胀材料除具备速凝早强的特性外，还具有相对较高的压缩率和残余强度。
ⅱ类胶结体为甲乙两种浆料组成的高水速凝材料，甲浆料主要成分为硫铝酸盐水泥熟料，乙浆料主要成分为石灰石膏，甲乙两种浆料的配比为1：1，高水速凝材料与传统的水泥混凝土相比，以水代替砂料，具有“点水成石”的功能，它广泛应用于煤炭冶金、建筑、环保、水利、交通、石油等领域，是一种多功能工程施工材料。该材料早期强度高，胶结性能好，特别适合作为巷道旁支护和充填胶结材料使用。
为更好的了解上述多层位充填的效果以及在现实煤矿中的实际表现，本发明还提供一种综放工作面沿空留巷多层位充填体承载结构的支护方法，所述试验方法包括以下步骤：
s1，建立多层位充填体承载结构力学模型，对多层位充填体受力特征进行分析，得出多层位充填体各个胶结体的高度。
s101，根据砌体梁断裂的理论建立多层位充填体承载结构力学模型，并得出：
s102，根据步骤s101得出的充填体结构力学模型，将h1由0m增加到3m并得到充填体的受力特征曲线，综合充填体最大压缩量和材料成本的因素得出ⅰ类胶结体的高度和ⅱ类胶结体的高度。
依据砌体梁理论，断裂的老顶2在采空区触矸稳定之后会与周边岩体相互铰接形成类似于砌体结构的平衡体，建立多层位充填体9承载结构力学模型，如图3所示。
假设覆岩层均匀地施加在老顶2上，老顶b202在回转下沉过程中对下覆岩层施加的给定变形s可表示为：
式中：x0为关键块断裂点距煤帮的距离；
b为留巷宽度；
a为充填体宽度；
l为关键块断裂长度；
δs为关键块在采空区侧的最大下沉值。
可由式(2)求得：
δs＝m+h3(1-k)(2)
式中：k为直接顶残余碎涨系数：
h3为直接顶高度，m为工作面采高。
关键块断裂长度l为：
式中：l′为工作面周期来压步距；
d为工作面长度。
已知4311工作面x0＝6.9m，d＝210m，l′＝30m，k＝1.13，m＝6.3m，b＝3m，a＝2m，h3＝38.4m，可求得充填体的最大压缩量为433mm。
老顶b202回转下沉对下位岩体施加的给定变形主要由直接顶3、多层位充填9体和底煤共同承担，故有：
s＝s1+s2+s3+s4(4)
式中：s1为ⅰ类胶结体6的变形量；
s2为ⅱ类胶结体7的变形量；
s3为直接顶的变形量；
s4为底煤的变形量。
在弹性范围内以上岩层的变形量可分别表示为：
式中：p为老顶2旋转下沉对下位岩层施加的压力；
e1为ⅰ类胶结体6弹性模量；
e2为ⅱ类胶结体7弹性模量；
e3直接顶等效弹性模量；
e4底煤弹性模量；
h1为ⅰ类胶结体6高度；
h2为ⅱ类胶结体7高度；
h3为直接顶高度；
h4为底煤高度。
已知留巷实际高度为3m，将式(5)带入(4)可得：
式(1)和(6)均表示在直接顶旋转下沉过程中下位岩体的变形量，两式相等，整理后可求得p为：
由式(7)可分析ⅰ类胶结体6高度h1的变化对充填体受力的影响规律，取e1＝1.6gpa，e2＝2.17gpa，e4＝2.6gpa，直接顶等效弹性模量e3＝3.2gpa，当ⅰ类胶结体6高度h1由0增加到3m时，充填体的受力特征曲线如图6所示。
如图4所示，多层位充填体9受力特征曲线：多层位充填体受力与ⅰ类胶结体6厚度呈反比关系，即随着ⅰ类胶结体6厚度的增大多层位充填体9受力逐渐降低。ⅰ类胶结体6具备较强的“变形-让压”能力，能够吸收并转移部分外部荷载，有利于多层位充填体9的稳定。
s2，对多层位充填体承载变形机制进行分析，进一步得出两种工况条件下的多层位充填体的变形特征，采用ⅰ类胶结体和ⅱ类胶结体进行充填承载。
s201，将要充填的工作面分为两种工况，分别为工况一：充填体完全采用ⅱ类胶结体；工况二：采用多层位充填体，充填体底部采用高度为2.5m的ⅱ类胶结体，顶部采用高度为0.5m的ⅰ类胶结体；
s202，分别对工况一和工况二中的充填体模型进行加载施加垂直应力，并得出充填体的变形曲线，并得出ⅰ类胶结体的高压缩率和ⅱ类胶结体的高强度结合起来可以适应顶板的回转下沉，增强充填体的稳定性。
现以成庄矿4311工作面为模拟对象进行实地测验，验证多层位充填体的支护效果优异于其他充填体的支护效果。
4311工作面布置3条巷道，43111巷、43112巷和43113巷，工作面采用两进一回通风方式，即43111巷和43113巷为进风巷，43112巷为回风巷，巷道断面为5×3.2m，采用锚网索支护，工作面倾斜宽210m，走向长1318.4m。利用成庄矿4311煤矿结构的稳定性作为模拟对象，对试验数据的准确性和试验操作的方便性提供有利条件。该工作面顶底板岩层物理力学参数如表2所示。建模时，根据对称性原则，模型尺寸145×120×45m(长×宽×高)，共85800个单元体。模型上边界施加11mpa垂直应力，左右边界施加水平方向的位移约束，底部边界施加垂直方向位移约束，侧压系数取0.5。模型中煤层、充填体及其它岩层均采用莫尔-库仑本构模型。工作面每个循坏开挖3m，共开挖40次。多层位充填体9承载结构的尺寸为6×2×3m(长×宽×高)，紧随着工作面的开挖进行充填。为更好的体现出多层位充填体的承载特性以及对巷道围岩应力的影响，模拟分两种工况进行。
工况一：充填体完全采用ⅱ类胶结体7；
工况二：采用多层位充填体9，即充填体底部采用ⅱ类胶结体7，高度为2.5m，顶部采用ⅰ类胶结体6，高度为0.5m。
表24311工作面顶底板岩层物理力学参数
(2)模拟结果分析
如图5所示，顶板垂直应力分布特征曲线：
a)采空区属卸压区，上覆岩层荷载由煤体4和充填体共同承担，直接顶3垂直应力分布呈双峰状。
b)“多层位”充填体具有转移高应力的特征。工况一：ⅱ类胶结体7充填体上方直接顶3垂直应力峰值为12.1mpa，位于距模型左边界44.1m的位置，而煤体4上方垂直应力峰值为23.8mpa，峰值点距煤壁约3.3m。工况二：多层位充填体9上方直接顶3垂直应力峰值为9.5mpa，较工况一下降约21.5％，应力峰值位于距模型左边界44.6m的位置，煤体4侧直接顶3垂直应力峰值为25.7mpa，较工况一增加了约8.0％，峰值点位于距煤壁内2.6m的位置。
c)“多层位”充填体能够进一步降低巷道上方直接顶3垂直应力，优化巷道围岩应力分布，使巷道维护处于低应力区，有利于巷道围岩的稳定。工况一巷道上方垂直应力的最小值为8.3mpa，工况二中巷道上方垂直应力最小值为7.3mpa，较工况一降低了约12.0％。
如图6所示，充填体应力变化特征曲线：两种工况下充填体承载特性的变化趋势基本一致。但“多层位”充填体的垂直应力和水平应力明显小于完全由ⅱ类胶结体7组成的充填体(即工况一)，这表明“多层位”充填体9通过应力转移和“变形-让压”降低了自身的应力集中。以工作面推进24.0m为例，此时工况一：充填体上的垂直应力为21.2mpa，水平应力为4.7mpa；工况二：作用在充填体的垂直应力为17.6mpa，水平应力为3.2mpa，两者较工况一分别降低了约17.0％和31.9％。
s3，对步骤s2中的ⅰ类胶结体料和ⅱ类胶结体的材料进行实验和分析，分别为高水膨胀材料和高水速凝材料。
s301，对高水膨胀材料浆液制成的pzgs试样和高水速凝材料浆液制成的ptgs试样分别进行单轴压缩试验；
s302，根据步骤s301中两种试样的试验结果得出单轴压缩下两种试样的应力-应变曲线；
s303，根据步骤s302中的应力-应变曲线得出将高水膨胀材料和高水速凝材料结合组成多层位充填体。
选用性能指标和测试系统满足要求的刚性伺服试验机对试样进行压力测试，本发明优选rmt-301型单轴岩石力学试验机对试样进行压力测试。
高水速凝材料的试样为d＝50mm、高l＝100mm的圆柱体试样。
新型高水膨胀材料的试样为d＝50mm、高l＝100mm的圆柱体试样。
依据工程岩体试验方法标准：gb/t50266-2013，选取试样为d＝50mm、高l＝100mm的圆柱体试样。得出ⅱ类胶结体7比ⅰ类胶结体6的刚度强，压缩率低的结论。
步骤s2和步骤s3中的试样通过步骤s1中的力学试验机测得的两类高水材料的力学参数见表1。
表中rc为峰值强度；εc为峰值应变；c为内聚力；
表1高水材料力学参数
单轴压缩下试样破裂形态可以看出：ptgs在单轴压缩下以纵向劈裂破坏为主，并伴随有局部剥落，试样表现出相对明显的脆性破坏特征，呈现出典型的拉伸破坏模式，pzgs以伴有张性裂隙的剪切破为主，试样脆性减弱，表现为拉剪破坏模式。
如图2所示，单轴压缩下试样应力-应变曲线得出：pzgs和ptgs的应力-应变曲线具有较大的差异。压密阶段(oa或o'a')，由于pzgs内部存在较多微小孔隙，曲线下凹的程度明显高于ptgs材料；弹性阶段(ab或a'b')，pzgs的平均模量要小于ptgs，在承受相同的载荷后，将会产生较大的让压变形；进入屈服阶段以后(bc或b'c')，曲线逐渐变缓，斜率降低，试样内部微裂纹逐渐扩展、贯通，试样产生不可逆的塑性变形，但ptgs对应的曲线斜率高于pzgs，表明前者具备更高的抵抗非弹性变形的能力。pzgs的峰值强度rc＝9.86mpa，相应ptgs的峰值强度rc＝12.94mpa，但前者对应的峰值应变εc1＝6.72×10-3，后者的峰值应变εc2＝4.8×10-3，pzgs峰值应变在ptgs的基础上提高了约28.6％；进入后破坏阶段后(cd或c'd')，pzgs的应力跌落速率远底于ptgs，而对应的残余强度高于ptgs，这主要是因为聚丙烯纤维在pzgs内部发挥一维拉筋或网式三维拉筋的作用，能够分担部分外部荷载。此外，表1还显示，pzgs的泊松比μ、内摩擦角
以上分析可以得出，两类材料在抵抗非弹性变形、峰值应变、峰后应力跌落速率以及破坏特征等方面的差异均表明ptgs具有比pzgs更加明显的脆性特征。ptgs虽然具较高的强度，但可压缩性差，而pzgs虽然强度较前者有所下降但其自身具有较高的可压缩性。
s4，先配置ⅱ类胶结体高水速凝材料浆液并进行注浆，然后在ⅱ类胶结体浆液的基础上配置ⅰ类胶结体的浆液并再次进行注浆。
s401，先将甲乙两种浆料与水按照水料比1.5：1的比例配置高水速凝材料，并进行注浆，形成ⅱ类胶结体，当ⅱ类胶结体注浆到2.5m时停止注浆；
s402，在高水速凝材料浆液的基础上添加引气剂和聚丙烯纤维后得到高水膨胀材料浆液，并再次进行注浆，形成ⅰ类胶结体，当ⅰ类胶结体的高度达到0.5m即停止注浆。
s5，对步骤s4中的多层位充填体承载后的巷道围岩变形进行监测。
选择两个间隔一定距离的充填体，在巷道侧分别向充填体中心位置打垂直钻孔，每个钻孔内安设一组多点位移计(包含三个位移基点)，基点埋深依次为0.5m、1.0m和1.5m，两组位移计依次命名为sjd-1和sjd-2，通过监测得出巷道围岩变形稳定之后充填体的最终离层量和离层百分比，计算结果见表3。离层百分比为不同基点所测得的离层量与总离层量比值的百分数。
表3充填体横向离层tab
为了直观的表现充填体横向离层特性，现提取sjd-1多点位移计监测数据，绘制离层量和离层百分比随充填体横向深度变化的曲线，如图7所示。可以看出，在ⅰ区(0～0.5)m范围内，充填体的离层量达178mm，占离层总量的86％，充填体破裂程度较大；ⅱ区(0.5～1.0)m和ⅲ区(1.0～1.5)m的离层量分别为17mm和12mm，分别占离层总量的8.2％和5.8％，充填体保持较高的完整性。受采动影响，“多层位”充填体横向离层的分布表现出明显的区域性，离层量随着充填体横向深度的增加而显著减少。“多层位”充填体依靠自身的“变形-耗载”特性，吸收并转移掉部分因关键块回转下沉而产生的给定变形和附加载荷，有效的避免充填体因脆性过大而发生的整体性破坏。
根据实测数据绘制的巷道围岩变形量和断面收缩率如图8所示，可以看出，采动影响下巷道两帮的最终移近量为350～490mm，顶底板的最终移近量为290～470mm，巷道断面的平均收缩率为20～30％，能够满足下区段工作面回采的需求。
综上所述，可以得出以下结论：
(1)ptgs单轴压缩下以纵向劈裂破坏为主，呈现出典型的拉伸破坏模式，改性后pzgs以伴有张性裂隙的剪切破坏为主，表现为拉剪破坏模式；pzgs平均模量e、泊松比μ、内摩擦角
(2)提出了构筑“多层位”充填体的复合充填思路，建立了“多层位”充填体承载结构力学模型，计算了“多层位”充填体的最大压缩量，得到了“多层位”充填体9受力与ⅰ类胶结体6厚度呈反比的关系。
(3)ⅰ类胶结体6依靠自身的“变形-耗载”特性吸收并转移部分外部荷载，降低巷道顶板垂直应力及充填体自身的应力集中，而强度较高的ⅱ类胶结体7可确保为顶板提供可靠支撑，两者结合起来可以较好的适应顶板的回转下沉，增强充填体的稳定性。
(4)“多层位”充填体9的变形可分为三个阶段，其中包含两个快速变形期，分别位于工作面后方35～90m和110～140m范围内；实践表明，“多层位”充填体9在经历剧烈的顶板结构调整后仍能保持较高的完整性，巷道断面平均收缩率为20～30％，能够满足下区段工作面回采的需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。
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