超高水材料充填空巷研究與工業(yè)性試驗

肖龍正，賈凱軍，郭楠楠，戚 洋

超高水材料充填空巷研究與工業(yè)性試驗

肖龍正，賈凱軍，郭楠楠，戚 洋

(中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221008)

長期以來，工作面過空巷是煤礦開采中難以解決的問題。傳統(tǒng)的空巷支護方式不能有效地對頂板和煤壁提供足夠的阻力或阻止圍巖破壞范圍的擴大。本文在分析工作面空巷圍巖活動規(guī)律和超高水材料性能的基礎上，論證了超高水材料充填空巷的可行性，并確定了充填體的力學參數(shù)和充填工藝?，F(xiàn)場試驗證明，采用超高水材料充填空巷是一種安全、經濟、高效的方法，較傳統(tǒng)空巷支護方法具有較大的優(yōu)勢。

超高水材料;空巷;充填

回采工作面過空巷是煤礦開采中經常遇到但未能得到很好解決的技術問題。當工作面推進到空巷附近時，由于巷道原有支護強度難以承受超前支撐壓力而導致巷道頂板垮落，甚至發(fā)生基本頂斷裂，造成煤壁片幫嚴重，使工作面不能正常推進。以空巷為切眼重新布置工作面，增加了工作面搬家的工序，降低了煤炭采出率，故已很少采用。工程應用中多采用補強空巷支護、調整工作面與空巷夾角、減少每次割煤揭露空巷的長度，并輔之以相應的頂板管理方式等方法，而其中以加強空巷支護強度尤為重要。

傳統(tǒng)的空巷支護方法存在支護效果不佳、勞動強度大、成本高、施工組織要求高等諸多問題。因此，本文提出了超高水材料充填空巷的方法。理論研究與王莊礦5216工作面超高水材料充填空巷的應用實踐證明，超高水材料充填能夠有效地解決上述傳統(tǒng)支護方式存在的問題，其應用前景廣闊。

1 工作面空巷支護方法

1.1 傳統(tǒng)工作面空巷支護方法

木垛支護阻力小、壓縮量大，在超前支承壓力作用下，因過度壓縮易導致頂板破碎和下沉，甚至垮落，而且穩(wěn)定性差，極易在側向力作用下傾倒失效，不能有效支護頂板。密集支柱或垛式支架能提供較大的支護阻力，但同木垛一樣不能對兩幫提供支護，極易引起大范圍片幫，從而加劇冒頂，形成惡性循環(huán)。同時，工作面過空巷時木垛被切割或支柱被回收，而支架不能及時前移至煤壁，從而使控頂距增加，易導致大范圍冒頂、片幫和壓死支架的事故，存在嚴重的安全隱患。

錨桿和錨索加固空巷可在一定程度上維護空巷頂板和兩幫的完整性，空巷頂板一般不會大面積垮落。但由于空巷圍巖常常已處于塑性或破裂狀態(tài)，加固后的圍巖仍難以承受超前支承壓力的作用，不能有效控制主要頂板的提前下沉和斷裂。

此外上述支護方式均存在支護工作量大、成本高、施工組織要求高、巷道修復困難、支護及回柱作業(yè)安全性差等問題。

1.2 空巷高水速凝材料預充填

在空巷內充填高水速凝材料是近幾年發(fā)展起來的一種新方法。實踐證明：高水速凝材料充填體具有較高的抗壓強度并呈現(xiàn)明顯的塑性特征，在壓力作用下可允許較大的塑性變形，強度衰減比較緩慢，并可維持較高的殘余強度。因此，充填體可以避免在支承壓力作用下突然破壞而片幫，相同強度要求條件下，較之脆性材料，可以取更小的安全系數(shù)，即可以降低強度要求。同時，該材料可以實現(xiàn)中低濃度料漿的水力輸送，簡化了工藝過程，減少了運行成本。

但是，由于高水材料水灰比在2.5∶1左右［1］，用作大范圍充填時成本較高，限制了該技術的推廣應用。

2 超高水材料充填空巷技術分析

2.1 超高水材料簡介

超高水材料是一種新型充填材料，其原料來源豐富，生產工藝簡單。材料由A、B兩種骨料和AA、BB兩種輔料組成。其中A料主要以鋁土礦、石膏等獨立高溫燒制而成，B料由石膏、石灰混磨而成，AA料為復合超緩凝分散劑，BB料為復合速凝劑。各組分按A∶B∶AA∶BB為10∶10∶4∶1的質量比進行配比。使用時A和AA，B和BB分別配制成兩種以水為主要成分、流動性極好、且持續(xù)30～40 h不凝固的單漿液A和B。單漿通過管路輸送到充填區(qū)域混合后可快速水化并能在可控時間內(8～90 min)初凝，最終形成水灰比最高可達11∶1的固結體［2］。

生成的固結體由鈣礬石、鋁膠和游離水構成，具有親水性，在水環(huán)境中不收縮不擴散，穩(wěn)定性良好且體積應變小，在三向受力狀態(tài)下有良好的不可壓縮性。該材料唯一的不足就是抗風化及抗高溫(400℃以上)性能較差，不適于在干燥、開放及高溫環(huán)境中使用［3］。因此，在井下密閉、潮濕、低溫的環(huán)境中，超高水材料是一種非常適用的充填材料。其固結體抗壓強度可通過改變水體積或外加劑配方而進行調節(jié)，見圖1。

圖1 固結體三面受限時各齡期強度隨時間變化曲線

2.2 充填體圍巖作用機理

1)礦巖屬于脆性介質，充填體對圍巖或煤柱內部應力分布影響很小，所以充填體對阻止圍巖或礦柱的破壞作用不大，但由于充填體能充滿巷道，限制了圍巖的移動空間，能夠阻止破裂或疏松的圍巖或煤柱破壞范圍繼續(xù)擴大。

2)充填體對圍巖或煤柱的側壓作用可使其由二相受力狀態(tài)轉為三相受力狀態(tài)，抗壓強度增大;同時充填漿液滲流進入破碎的頂板和煤幫，并最終與之凝結成整體，阻止片幫加劇的同時，也增大了煤柱的抗壓強度。

綜上所述，超高水材料具有速凝、早強的特點，較高水灰比條件下形成的固結體能提供一定強度并有效支撐頂板和兩幫，高水灰比管路輸送降低了充填成本、簡化了工藝過程，為工作面空巷支護提供了新的解決途徑。

3 王莊礦綜放工作面過空巷方法

3.1 工程概況

5216工作面標高605～656 m，地面標高1 002～1 011 m，煤層厚度穩(wěn)定，平均為6.80 m，含少量夾矸。該面整體上為一單斜構造，煤層傾角為2°～10°。工作面共揭露4條斷層，5216探巷斜穿工作面中部(見圖2)。直接頂為4.5 m均質泥巖或泥質砂巖，基本頂為6.7 m致密塊狀砂巖或砂質泥巖，直接底為2.6 m致密泥巖，老底為4.4 m中砂巖。工作面采用傾向長壁、后退式綜合機械化低位放頂煤采煤法，全部垮落法處理采空區(qū)。底分層采高3.0±0.1 m，循環(huán)進度0.8 m，頂煤平均高度3.80 m，直接頂初次垮落步距為10～14 m，老頂初次跨落步距為30～40 m，周期來壓步距為9～12 m。

圖2 5216工作面平面圖

空巷為5216探巷，沿煤層底板布置，斜穿工作面中部，兩端與5216運巷和5216風巷斜交，斷面為3.2 m×3.5 m。巷道采用錨網支護，由于成巷時間較長，且受周邊采動影響，巷道至風巷口向里213 m(F167斷層下)到距運巷口30 m處破壞嚴重，片幫深度20～100 cm，兜網顯現(xiàn)普遍，高冒區(qū)部分區(qū)段冒落煤塊堆積高度直至頂板，同時還存有一定量的積水，施工環(huán)境危險，無法進行作業(yè)?？障镎６窝a打錨索、架設木垛，并在巷道兩端開口處注漿加固?？障?5216探巷)概況見圖3。

圖3 5216工作面空巷(5216探巷)示意圖

3.2 充填體支撐強度確定

工作面過空巷過程中，隨著工作面的推進，工作面與空巷間的煤柱寬度逐漸減小并在超前支撐壓力作用下破碎、失穩(wěn)，基本頂空頂長度逐漸增大，極易在空巷上方斷裂［4－5］?？障锷戏巾敯迤茢嗵卣饕妶D4。

圖4 空巷上方基本頂破斷特征示意圖

因此，充填體應能平衡直接頂?shù)闹亓亢突卷?圖2)回轉下沉形成的擠壓變形壓力。同時還要對空巷兩幫提供有效支護，防止煤體片幫。

5216工作面空巷與工作面夾角較大(見圖2，圖3)，工作面推進至空巷時，同時揭露的空巷斷面較小，空巷最遠端尚距工作面約140 m，而周期來壓步距為9～12 m，因此，空巷在工作面通過過程中，依次逐段經歷采場礦壓作用。而充填體在此期間承受的壓力峰值為工作面超前支撐壓力和通過時的采場最大壓力。

由上述分析，按支護受力與煤層厚度近似直線關系增長的觀點，得出充填體支護強度公式為：

式中：

P—充填體強度;

N—取8(載荷取8倍采高巖重計算);

h —空巷高度，m，取3.2;

γ—頂板巖石的平均密度，kg/m3，取2 500;

K—動壓系數(shù)，參照同煤層來壓期間與正常回采期間頂板對巷道的壓力比值，巷道兩幫為實煤體時一般為1.1 ～1.2，取1.2。

故：P≥753 kN/m2。

考慮充填制漿質量、斷層影響、成本控制以及1.5倍的安全系數(shù)，最終確定充填漿液水灰比為6∶1，相應的水體積比為94.7%，終凝強度2.2 MPa，7 h抗壓強度約為 1.3 MPa。

3.3 空巷充填工藝

3.3.1 泵站及充填管路布置

為節(jié)約成本，選用王莊礦現(xiàn)有流量為60 L/min的雙液柱塞泵充填能力(單吸漿管流量為30 L/min)。泵站配置4個容積為1.2 m3的攪拌桶 ，分別用于A、B兩種漿液的制取和攪拌。每次稱量出A料20 kg、B 料 20 kg、AA 料 2 kg、BB 料 0.8 kg、A 水128 kg、B水128 kg，水線高度用油漆在攪拌桶中標出。

由充填泵站敷設2趟d25 mm的高壓膠管分別輸送A、B漿液，單漿液輸送20 m后，經三通混合，并經管路輸送至充填區(qū)域。為保證A、B漿液混合均勻，混合管長度不應小于50 m，且為保證充填質量，預先敷設混合管時應將其出漿口安設在冒頂區(qū)最高處，并敷設一趟排氣管，以確保充滿包括冒頂區(qū)在內的整個巷道空間。充填工藝系統(tǒng)見圖5。

3.3.2 構筑止?jié){墻

為將空巷充填密實，防止充填漿液外漏，同時承載漿液壓力，需在空巷兩端各砌筑一道止?jié){墻。止?jié){墻用加氣混凝土塊砌筑，兩側應深入煤幫約400 mm的穩(wěn)定處，并用水泥混凝土密封嚴實。

圖5 超高水材料充填系統(tǒng)示意圖

止?jié){墻的砌筑高度可根據(jù)充填進度進行調整。初始充填時可先砌筑一半巷道高度的止?jié){墻，隨著充填的進行再逐漸加高，以便觀察巷內充填情況，出現(xiàn)問題及時處理。

3.3.3 充填過程相關注意事項

1)空巷存有約100 m3的積水，為不影響充填效果，先將這部分積水抽出。

2)每次制漿按照比例量取材料和水，保證單漿均勻攪拌5 min以上，并注意觀測A、B兩單漿吸漿速度，若不一致，應即時停泵檢查，確保制漿質量。

3)為避免漿液堵塞泥漿泵和管路，每次充填前和結束后都要用清水試泵和洗管，待出漿口有清水流出時停止。

4)為提高效率，A、B應各有2個攪拌桶進行制漿，盡量保證泵站不間斷制漿。

5)4種材料應分開放置，且材料堆放平臺下應鋪墊木板、石塊等，使平臺與巷道積水保持一定的距離。同時，為防止頂板淋水，堆料平臺上要鋪設防水塑料布。

4 充填效果分析

1)空巷充填段長度80 m，待充填空間為896 m3，共計使用超高水材料150 t。與用高水材料充填空巷相比，材料用量節(jié)約近3/5。

2)現(xiàn)場顯示充填體在20～50 min內凝固，7 h后便達到一定強度。充填漿液滲流進煤體裂隙中，固結體與煤壁及片幫破碎煤體粘結良好。

3)充填工藝簡便，工人勞動強度低，作業(yè)環(huán)境安全。

4)充填材料反應會產生一定熱量，在空巷內顯現(xiàn)較明顯，但不會造成熱害。

5)當工作面通過空巷時，充填體由采煤機直接切割，此時應對工作面支架阻力、頂板冒落、煤壁片幫、充填體變形等情況進行觀測，以便進一步驗證試驗效果。

5 結論

王莊礦5216工作面空巷充填試驗，顯示出超高水材料在水灰比較大、材料用量相對較少的條件下具有速凝、早強的特點，凝固后的充填體能達到一定強度，同時加固了空巷兩幫破裂煤體，有效維持了空巷圍巖的穩(wěn)定性。

超高水材料充填工藝簡單、工人勞動強度低、作業(yè)環(huán)境安全，較傳統(tǒng)的空巷支護方法和高水速凝材料充填具有明顯的技術和成本優(yōu)勢。試驗解決了工作面高冒空巷支護的技術難題，為工作面過空巷技術提供了新的解決途徑。

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［2］ 馮光明.超高水充填材料及其充填開采技術研究與應用［M］.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2009：45－57.

［3］ 馮光明，丁 玉，朱紅菊，等.礦用超高水充填材料及其結構的實驗研究［J］.中國礦業(yè)大學學報，2010，39(6)：813－819.

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Research and Practice on Superhigh－water Material Filling to Abandoned Roadway

Xiao Long－zheng，Jia Kai－jun，Guo Nan－nan，Qi Yang

It is always a difficulty for the working face passes through the abandoned raodway.The traditional methods can not consolidate the crushed coals in both sides of the abandoned workings or to maintain the rock stability of the abandoned workings successfully.The success of goaf filling methods with superhigh － water material offers a new choice for the supporting of abandoned workings.In this paper，based on the analysis for the law of surrounding rock of the abandoned roadway in the front of the working face and the superhigh－water material，the mechanical parameters of backfilling mass and the filling system was defined.Successful practice shows the application of such backfill material to abandoned roadway is a better solution than others to support abandoned roadway safely，economically and quickly.

Superhigh－water material;Abandoned roadway;Backfill

TD353

A

1672－0652(2012)01－0021－04

2011－11－29

肖龍正(1985—)，男，山東兗州人，2010級中國礦業(yè)大學在讀碩士研究生，主要從事充填開采及沿空留巷等采礦工程方面的研究，(E －mail)xlz759@126.com