高水材料在桃山煤礦井下充填實(shí)驗(yàn)

李鳳義,　李　譚,　王維維

(1.黑龍江科技學(xué)院 安全工程學(xué)院, 哈爾濱 150027; 2.黑龍江科技學(xué)院 黑龍江礦業(yè)研究院, 哈爾濱 150027)

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高水材料在桃山煤礦井下充填實(shí)驗(yàn)

李鳳義1,2,李譚2,王維維1,2

(1.黑龍江科技學(xué)院 安全工程學(xué)院, 哈爾濱 150027; 2.黑龍江科技學(xué)院 黑龍江礦業(yè)研究院, 哈爾濱 150027)

為了使采空區(qū)頂板得到有效控制，根據(jù)采空區(qū)充填體控制機(jī)理，利用高水材料，在七臺河桃山煤礦九采區(qū)三井右四片進(jìn)行了采空區(qū)部分充填的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。對充填管路進(jìn)行合理選擇和布置，分析了充填體的力學(xué)、結(jié)構(gòu)和讓壓作用機(jī)理。結(jié)果表明：該充填體可以實(shí)現(xiàn)主動接頂，有效防止老頂?shù)淖冃?，提高煤炭的采出率?，F(xiàn)場實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足井下充填要求，可以為相似地質(zhì)條件下進(jìn)行煤礦采空區(qū)部分充填提供借鑒。

高水材料； 部分充填； 主動接頂

0　引　言

1　工作面概況及高水材料特性

桃山煤礦九采區(qū)三井位于七臺河市桃山區(qū),其上方是村莊,下方壓煤嚴(yán)重,目前回采93#、94#煤層,總厚度2.4～2.8 m。九采三井右四片工作面煤層厚0.9～1.1 m,煤層傾斜11°～13°, 平均埋藏深度220 m,工作面斜長最小34 m,最大91 m,走向長約680 m。

桃山礦高水材料充填主要是以矸石電廠的工業(yè)廢料粉煤灰為主,加入添加劑A和B料。A料起激發(fā)粉煤灰活性的作用,B料是將粉煤灰漿液快速凝固,同時(shí)實(shí)現(xiàn)主動接頂。桃山礦九采三井充填實(shí)驗(yàn)所用粉煤灰化學(xué)成分如表1所示。

表1　粉煤灰的化學(xué)組成Table 1　Characteristics & chemical composition of fly ash

A料主要是將粉煤灰顆粒表面的玻璃體結(jié)構(gòu)破壞,與粉煤灰中活性的SiO2和Al2O3發(fā)生火山灰反應(yīng),最終生成具有強(qiáng)度的鈣礬石[2]。B料主要是提高粉煤灰漿液凝結(jié)的速度,同時(shí)起到使充填體體積膨脹的作用,實(shí)現(xiàn)充填體主動接頂。在加入A料之后,未加入B料之前,能使制成的粉煤灰漿液14 h內(nèi)不凝結(jié),且保持良好的流動性。高水材料充填體抗壓強(qiáng)度可根據(jù)添加劑A和B料的不同配方進(jìn)行調(diào)節(jié),且能實(shí)現(xiàn)在 30～40 min后產(chǎn)生強(qiáng)度,強(qiáng)度增長速度很快,其8 h強(qiáng)度可達(dá)到1～3 MPa[3]。調(diào)整添加劑B料的組成成分,能使初凝時(shí)間在8～30 min之間調(diào)節(jié)。

2　高水材料采空區(qū)充填工藝

利用相關(guān)設(shè)備將高水材料輸入采空區(qū),并根據(jù)現(xiàn)場需求,控制高水材料的初凝時(shí)間和充填體的強(qiáng)度,對采空區(qū)進(jìn)行合理充填。

2.1高水充填工藝流程

結(jié)合高水材料的基本性能和九采三井右四片的實(shí)際情況,選擇單充填管路,在井上將粉煤灰注入到活化罐內(nèi),加入A料,啟動活化罐,使活化罐均勻轉(zhuǎn)動,活化4 h后,選用型號為GMZ-80-65-180的渣漿泵,泵送到井下攪拌硐室,在攪拌硐室內(nèi)加入B料,攪拌均勻后,再由另一臺同型號渣漿泵泵送到采空區(qū)充填場地?；竟に嚵鞒倘鐖D1 所示。

圖1　基本工藝流程Fig. 1　Basic technological process

2.2充填管路選擇及布置

管路輸送系統(tǒng)的作用是輸送充填漿,主要由特種塑料管、電動閘閥、手動閘閥、手動球閥、負(fù)壓閥、卸壓出料管和充填軟帶組成。根據(jù)高水材料的基本特性,采用的特種輸送管壁厚為φ160 mm×11.8 mm,不圓度2%,由于漿液在泵送過程中具有一定的沖擊力,所以管路的抗拉伸強(qiáng)度大于15.0 MPa,拉斷伸長率380%。井下安裝管路必須使用阻燃防靜電的特殊管材。為適合井下巷道狹窄的特殊環(huán)境,便于安裝,使用管長為6 m,所有管路之間采用法蘭盤連接。根據(jù)九采三井的巷道情況,所有充填管路全部用錨桿吊掛在巷道上方,并用“U”形夾固定,這樣既不影響行車運(yùn)料又不影響行人。斜巷全長520 m,落差大約180 m,漿液從井上到井下三片車場時(shí)的巨大沖擊力,在管路拐角最大的三片車場處是最薄弱的,針對這種情況,在三片車場處的所有管路,用鋼筋混凝土對其進(jìn)行二次加固。

感官評價(jià)：依據(jù)SB/T 10416—2007的感官要求進(jìn)行評價(jià)，感官評分由在浙江圣塔紹興酒有限公司有品酒經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員和外聘評酒師10人完成，分別以色澤、香氣、滋味和體態(tài)各25分的評分標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行評價(jià)，采用百分制，以平均值計(jì)。

2.3充填袋的掛構(gòu)

在采空區(qū)內(nèi)(距采煤工作面2～3 m)構(gòu)建充填模架,充填模架由木立支柱和建筑模板組成。為防止充填過程中模架漏漿,在建構(gòu)模架時(shí),在模架內(nèi)部掛上充填袋(充填袋由礦山廢棄的風(fēng)筒布編制),規(guī)格為:1.0 m×1.1 m×5.0 m;為保證采空區(qū)充填時(shí)頂板管理,采空區(qū)采用打臨時(shí)支柱的方式加強(qiáng)對采空區(qū)頂板支護(hù);同時(shí),為準(zhǔn)確控制采空區(qū)充填量,在采空區(qū)充填袋入漿口1 m處安裝壓力導(dǎo)向閥,防止充填漿液注滿而脹裂充填袋。工作面充填如圖2 所示。

圖2　工作面充填示意Fig. 2　Mining face filling schematic

3　充填體的作用機(jī)理

3.1充填體力學(xué)作用

充填體進(jìn)入采場后,改變了采場的應(yīng)力狀態(tài),使其原來的單軸或雙軸應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)殡p軸或三軸應(yīng)力狀態(tài),大大提高了圍巖的強(qiáng)度,增強(qiáng)了圍巖的支撐能力。因此,充填體不僅起到支撐作用,更重要的是提高了圍巖自身強(qiáng)度和自支撐能力。

3.2充填體結(jié)構(gòu)作用

地下開挖時(shí),巖體原始的結(jié)構(gòu)體系受到破壞,其本來能夠維持平衡和承受載荷的“幾何不變體系”變成了幾何變形體,導(dǎo)致圍巖不同程度的破壞。采場充填后,盡管充填體的強(qiáng)度不高,承載時(shí)變形,但是它能起到維護(hù)原巖體結(jié)構(gòu)的作用,使圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,避免圍巖結(jié)構(gòu)的突然變形,如圖3所示[4]。

圖3　充填體作用分析Fig. 3　Filling body effect of graph

3.3充填體讓壓作用

因?yàn)槌涮铙w的變形大于原巖體,因此,充填體能夠在維護(hù)圍巖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系的情況下,緩慢讓壓,使其圍巖地壓緩慢釋放;同時(shí),充填體施壓于圍巖,對圍巖起到一定的柔性支護(hù)作用[5]。

4　桃山礦高水材料充填效果

4.1高水材料現(xiàn)場充填效果

充填1 m3空間所需高水材料約為500 kg,所需水量800 kg,20 min內(nèi)失去流動性,初凝時(shí)間30 min,2 h產(chǎn)生強(qiáng)度,4 h達(dá)到最終強(qiáng)度的85%,最終抗壓強(qiáng)度為3 MPa,在材料膨脹結(jié)束同時(shí)實(shí)現(xiàn)主動接頂,接頂率為95%,形成密實(shí)而質(zhì)輕的充填體。其時(shí)間-強(qiáng)度關(guān)系如圖4所示。由圖4可見,充填體最初是不受力的,以后隨著強(qiáng)度的提高,具備了吸收應(yīng)力和轉(zhuǎn)移應(yīng)力的能力。

圖4　充填體強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系Fig. 4　Filling body strength and time of relationship curve

4.2充填體的數(shù)值模擬

利用ANSYS模擬軟件對充填體的受力情況進(jìn)行模擬,利用該礦其他工作面沉陷實(shí)測數(shù)據(jù)對模擬參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化擬合,由此確定數(shù)值模擬計(jì)算的力學(xué)參數(shù)。充填體的彈性模量為4.5 GPa,泊松比為0.248,內(nèi)摩擦角為35°。上覆巖層依次為表土層、粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖、黏土層等。埋深230 m,充填體高1 m,寬1 m,長5 m,充填體之間的間距為1 m。單獨(dú)取出一個(gè)充填體進(jìn)行受力分析,如圖5a所示。

圖5　充填體受力模擬Fig. 5　Filling body stress simulation graph

圖5a中,紅色區(qū)域表示壓力集中區(qū),充填體的四角最容易受到來壓時(shí)的破壞,黃色區(qū)域受破壞程度次之,中間綠色區(qū)域破壞程度最弱,模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際觀察相符。

取充填后采空區(qū)的一部分進(jìn)行受力分析,如圖5b 所示。由圖5b可見,細(xì)微裂隙在充填體與頂板相接的邊處產(chǎn)生,頂板略微變形,說明充填體對采空區(qū)頂板起到了很好的控制作用。

圖6　采空區(qū)充填前后對比Fig. 6　Before and after mined-out area filling contrast

4.3同煤層有無充填體的對比

工作面未充填的實(shí)際情況如圖6a所示,而屬同一煤層的相臨工作面充填體現(xiàn)場充填接頂實(shí)際效果如圖6b所示。由此可見,沒有進(jìn)行充填的工作面頂板已經(jīng)下沉,而已充填的工作面頂板比較完整,說明此充填體對頂板管理起到了很好的控制作用。

5　結(jié)束語

采空區(qū)部分充填現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足井下充填要求,表明該高水充填材料對采空區(qū)頂板管理問題有一定的控制作用,實(shí)現(xiàn)了充填體主動接頂,保障了井下安全生產(chǎn),效果顯著。由于粉煤灰是矸石電廠的廢料,且A料和B料在充填過程中所占的比例少,使成本大大降低。該次現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)成功,可以成為煤礦井下局部充填的重要方向,其前景廣闊,具有推廣意義。

[1]胡炳南, 李宏艷. 煤礦充填體作用數(shù)值模擬研究及其機(jī)理分析[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2010, 38(4): 13-16.

[2]吳浩, 管學(xué)茂. 粉煤灰充填注漿材料研究[J]. 粉煤灰綜合利用, 2003(4): 17-19.

[3]馮光明, 賈凱軍, 李風(fēng)凱, 等. 超高水材料開放式充填開采覆巖控制研究[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 40(6): 841-845.

[4]王新民, 古德生, 張欽禮. 深井礦山充填理論與管道輸送技術(shù)[M]. 長沙: 中南大學(xué)出版社, 2010.

[5]趙昕楠, 節(jié)茂科, 張吉雄. 采后充填固體充填材料力學(xué)特性測試研究[J]. 煤礦開采, 2010, 15(5): 18-20.

(編輯徐巖)

Filling experiment of high-water material in Taoshan coal mine

LIFengyi1,2,LITan2,WANGWeiwei1,2

(1.College of Safety Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China;2.Heilongjiang Mining Industry Research Institute, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)

Aimed at effectively controlling the roof of goaf, this paper describes a field test of the partial filling of goaf, based on controlling mechanism of goaf filling, at the right fourth part of the third mine, ninth panel of Taoshan coal mine in Qitaihe by using the high water materials. The test consists of the reasonable selection and arrangement of filling pipes, and the mechanism analysis of the mechanics, structure and pressure of the filling. The result show that the filling, capable of actively binding roof, contributes to preventing the deformation of the old roof effectively and increasing the recovery ratio of coal. All the indexes of field test, up to the underground filling requirements, can offer reference for the filling of goaf in other coal mines with similar geological conditions.

high-water material; partial filling; top directly

1671-0118(2012)03-0221-04

2012-04-24

李鳳義(1963-)，男,回族,黑龍江省雞西人,教授,博士,研究方向:煤礦圍巖災(zāi)變及控制、長鉆孔松動爆破、矸石山滅火及采空區(qū)回填,E-mail:lifyxz@163.com。

TD823.7

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