新安煤礦井下沿空留巷巷旁充填實(shí)驗(yàn)

李鳳義,　王偉淵

(黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

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新安煤礦井下沿空留巷巷旁充填實(shí)驗(yàn)

李鳳義,王偉淵

(黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)回采巷道頂板的有效支撐及巷道圍巖的有效控制,根據(jù)沿空留巷圍巖控制機(jī)理,研究粉煤灰-高水材料沿空留巷巷旁充填工藝,并在雙鴨山新安煤礦綜三工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:沿空留巷期間,巷道頂?shù)装?、兩幫移近量隨著與工作面距離的增加而增加;充填體可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)接頂,有效防止老頂?shù)淖冃?其強(qiáng)度隨著時(shí)間的增加迅速提高;充填條帶密實(shí)性較好,可阻止有害氣體逸出。該研究為類似條件礦井沿空留巷巷旁充填提供了借鑒。

圍巖變形; 新安煤礦; 沿空留巷; 充填; 抗壓強(qiáng)度

沿空留巷即在上區(qū)段采過(guò)后,通過(guò)加強(qiáng)支護(hù)或者其他有效方法,保留上區(qū)段工作面運(yùn)輸平巷,作為下區(qū)段回采時(shí)的回風(fēng)平巷。作為一種無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù),沿空留巷可以最大限度地回收資源,避免煤炭浪費(fèi)[1]。目前,沿空留巷巷旁充填方式主要為高水材料雙管路重填、以水泥為膠結(jié)料的單管路重填、矸石垛與煤垛重填等。粉煤灰-高水材料沿空留巷采用單管路系統(tǒng),系統(tǒng)簡(jiǎn)單、易于操作,在井下巷旁充填沿空留巷和采空區(qū)充填中具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。筆者根據(jù)沿空留巷圍巖控制機(jī)理,以粉煤灰-高水材料為充填材料,在新安煤礦綜三工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),以期實(shí)現(xiàn)對(duì)回采巷道頂板的有效支撐及巷道圍巖的有效控制,為類似條件的沿空留巷提供借鑒。

1　工作面概況

雙鴨山新安煤礦八層綜三工作面,為水平煤層,煤厚平均2 m,傾角一般小于1°。直接頂為粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖,厚度2.6 m,莫氏硬度系數(shù)介于3～7之間;老頂為粗砂巖局部含礫,厚度7 m,莫氏硬度系數(shù)介于8～10之間;直接底為粉砂巖,厚度1.8 m,莫氏硬度系數(shù)介于3～7之間。工作面是綜合機(jī)械化采煤工作面,每刀推進(jìn)度最大800 mm,留巷巷道為下巷運(yùn)輸巷,留巷成功后,此運(yùn)輸巷將成為下一工作面的回風(fēng)巷,巷道凈斷面12.4 m2。據(jù)實(shí)測(cè)無(wú)積水,但有瓦斯積聚,頂板破壞嚴(yán)重。

2　材料與充填工藝

2.1充填材料

充填材料是沿空留巷技術(shù)能否成功的關(guān)鍵,對(duì)充填質(zhì)量、留巷成本以及沿空留巷效果起著決定性作用。根據(jù)沿空留巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,用于巷旁充填的材料應(yīng)當(dāng)具有支護(hù)強(qiáng)度高、速凝早強(qiáng)等特點(diǎn),并應(yīng)具有足夠的可縮量、較高的后期強(qiáng)度以及密閉性好等性能[3]。此次在新安煤礦綜三工作面進(jìn)行的工業(yè)實(shí)驗(yàn)選用粉煤灰-高水材料作為充填材料。該材料主要以雙鴨山國(guó)電電廠的工業(yè)廢料粉煤灰為主料,加入活化劑和水,強(qiáng)力攪拌30 min,完成物理-化學(xué)復(fù)合活化過(guò)程,再加入一定比例的外加劑、懸浮劑、速凝劑等均勻攪拌,然后通過(guò)充填管道注入充填袋內(nèi)即可。其中,活化劑的活化機(jī)理是,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),最終生成具有一定強(qiáng)度的鈣礬石,而外加劑則起到增加早期強(qiáng)度和緩凝的作用。粉煤灰-高水材料充填體抗壓強(qiáng)度可根據(jù)添加劑的不同比例進(jìn)行調(diào)節(jié),在30～40 min內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)度即可,強(qiáng)度增長(zhǎng)很快,充填8 h時(shí)強(qiáng)度可達(dá)1～3 MPa。調(diào)整其他外加劑的比例,則可以使初凝時(shí)間在8～30 min之間調(diào)節(jié)。雙鴨山國(guó)電電廠粉煤灰化學(xué)成分如表1所示。

表1雙鴨山國(guó)電電廠粉煤灰化學(xué)組成

Table 1Fly ash’s chemical composition of Shuangyashan Guodian power plant

成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3Na2OK2Ow/%55.7631.304.791.257.150.021.201.60

2.2管路系統(tǒng)

結(jié)合粉煤灰-高水材料性能以及充填硐室和沿空留巷巷旁情況,采用黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)研究院與哈爾濱塑料四廠共同研制開(kāi)發(fā)的特種輸送管為充填管路。輸送管內(nèi)徑為90 mm,壁厚6.5 mm,單根長(zhǎng)6 m,壁厚偏差為10%,不圓度為2%,拉伸強(qiáng)度為15.0 MPa,拉斷伸長(zhǎng)率為30%。

充填管路要穿過(guò)一段25 m長(zhǎng)的煤鉆孔和40 m長(zhǎng)的巖石鉆孔,再經(jīng)過(guò)約240 m長(zhǎng)的平巷(落差不超過(guò)1 m)就可以到達(dá)沿空留巷巷旁充填袋。渣漿泵出料口到煤鉆孔之間的管道以及平巷管道之間均采用法蘭盤連接,而煤鉆孔和巖石鉆孔管道之間則采用管箍加固方式連接。充填管路如圖1所示。

圖1　充填管路

2.3充填架構(gòu)

充填袋是選用防水耐腐蝕的高分子材料縫制而成的,成六面體狀,其頂面有兩個(gè)直徑150 mm的“袖子”,作為充填袋的進(jìn)料口和排氣口,充填袋的整體規(guī)格為L(zhǎng)·b·h=5.0 m×2.0 m×2.0 m。

在搭建充填框架時(shí),巷道中靠近采空區(qū)一側(cè)用木支柱支護(hù),充填完畢后不回收；靠近巷道一側(cè)用單體液壓支柱,充填完畢后回收。木支柱和單體液壓支柱支護(hù)完畢后,在其內(nèi)部搭建金屬網(wǎng)。完成的框架上下分別是巷道頂?shù)装?四周是固定在木支柱與單體液壓支柱上的金屬網(wǎng)。充填袋邊角上面縫制有掛環(huán),充填模板搭建完畢后,將充填袋完全展開(kāi),放入充填框架內(nèi),再用12#鐵線將充填袋邊角上面的掛環(huán)固定到充填框架上,最后將充填袋的入料口和充填軟管相連,保持充填袋的出氣口暢通。系統(tǒng)測(cè)試時(shí),將充填軟管從充填袋中拔出,正常充填時(shí),再將充填軟管重新插入到充填袋內(nèi)。充填架構(gòu)如圖2所示。

圖2　充填框架

2.4巷旁充填工藝

利用相關(guān)設(shè)備將漿液輸送至回采巷道巷旁充填袋內(nèi),并且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求,控制粉煤灰-高水材料[4]的初凝時(shí)間和充填體的強(qiáng)度,對(duì)沿空留巷巷旁進(jìn)行合理充填。

結(jié)合粉煤灰-高水材料的基本性能和八層綜三工作面的實(shí)際情況,充填實(shí)驗(yàn)硐室設(shè)置在-500車場(chǎng)石門尾處,硐室全長(zhǎng)24.2 m,寬2.6 m,高3.5 m。硐室內(nèi)設(shè)8個(gè)制漿池,每個(gè)制漿池直徑為2.4 m,高1.5 m,其上鋪設(shè)槽鋼,在槽鋼上架設(shè)攪拌機(jī)和電機(jī),電機(jī)下安裝減速機(jī),減速機(jī)直接和攪拌葉相連。同時(shí),在制漿池上電機(jī)的一側(cè)鋪設(shè)一條鐵道,主要用于運(yùn)送充填材料,渣漿泵安放在制漿池下部的出料口處,渣漿泵的吸料口與制漿池的出料口直接用鋼筋軟管連接,出料口通過(guò)管道一直到達(dá)巷旁充填袋附近。工業(yè)實(shí)驗(yàn)時(shí),先在池內(nèi)注入一定量的水,開(kāi)啟攪拌機(jī),加入粉煤灰和活化劑均勻攪拌4 h后,再依次加入其他外加劑,攪拌5～7 min,開(kāi)啟渣漿泵,并迅速通知充填袋工作人員做好充填準(zhǔn)備,開(kāi)始泵送漿液,待漿液充滿充填袋再迅速通知硐室工作人員加清水清洗攪拌池及管路系統(tǒng)?；境涮罟に嚵鞒倘鐖D3所示。

圖3　基本工藝流程

3　充填效果分析

3.1巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)

在沿空留巷期間,工作面每向前推進(jìn)4 m,設(shè)置一處觀測(cè)位置,每處觀測(cè)位置包括兩組測(cè)點(diǎn),巷道頂?shù)装鍍蓚€(gè)測(cè)點(diǎn)為一組,巷道中線、兩幫巷道中點(diǎn)的測(cè)點(diǎn)為一組。每天測(cè)量一次測(cè)點(diǎn)距離,并根據(jù)當(dāng)天測(cè)量的數(shù)據(jù)與之前測(cè)量所得數(shù)據(jù)計(jì)算頂?shù)装謇塾?jì)移近量(s1)及兩幫累計(jì)移近量(s2),測(cè)量結(jié)果如圖4、5所示。

圖4　頂?shù)装謇塾?jì)移近量與工作面距離的關(guān)系

Fig. 4Relationship between roof to floor convergence and distance to face

圖5　兩幫累計(jì)移近量與工作面距離的關(guān)系

Fig. 5Relationship between two sides convergence and distance to face

由圖4、5可以看出,測(cè)點(diǎn)頂?shù)装謇塾?jì)移近量和兩幫累計(jì)移近量在一定范圍內(nèi)隨著與工作面距離的增大而增加[5],當(dāng)測(cè)點(diǎn)與工作面的距離較小時(shí),巷道頂?shù)装逡平蛢蓭鸵平幻黠@,隨著距離的增大而迅速增加,距離工作面40 m以后,速度放緩,至70 m以后,基本穩(wěn)定,不再變化。

3.2充填體受力數(shù)值模擬

為確定充填體在井下的受力情況,利用ANSYS軟件[5]對(duì)其進(jìn)行模擬。數(shù)值模型長(zhǎng)、寬、高分別為5、2、2 m,臨采空區(qū)及巷道面設(shè)置為自由面,前后兩面設(shè)置為y方向的約束,接頂、底板面設(shè)置為z方向的約束。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù),充填材料的泊松比為0.25,彈性模量為4.5 GPa,內(nèi)摩擦角為36°。充填體埋深350 m,高度和寬度均為2 m,上覆巖層平均容重為2.7 kN/m3,數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6中,白色區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū),主要存在于臨采空區(qū)一面的上方,充填體在臨采空區(qū)一側(cè)最易受到破壞，而在臨巷道一側(cè)其所承受的應(yīng)力較小,不會(huì)產(chǎn)生屈服破壞。采空區(qū)空頂對(duì)充填體“懸臂梁”的作用使得靠近采空區(qū)處的充填體受到一定的破壞,但臨底板一側(cè)只可能發(fā)生塑性變形,充填體仍具有支撐頂板和上覆巖層的作用?？梢?jiàn),充填體能夠支撐頂板不垮落,起到良好的留巷效果。

圖6　充填體受力模擬

3.3沿空留巷巷旁充填效果

在無(wú)沿空留巷時(shí),采煤工作面向前推進(jìn)之后,巷道頂板下沉量較大,下沉速度劇增,部分巷道甚至被垮落巖石封堵。沿空留巷后,由于充填體早期強(qiáng)度發(fā)展迅速,從而有效地阻止了巷道頂板的下沉,充分發(fā)揮了充填體對(duì)巷道頂板及上覆巖層的控制作用,避免了頂板巖層的離層,對(duì)巷道圍巖變形的控制作用明顯。同時(shí)，由于每個(gè)充填袋之間以及充填體與頂?shù)装逯g的密實(shí)性很好,阻斷了采空區(qū)氣體向留巷溢出的通道。充填的同時(shí)對(duì)充填材料取樣制成試塊,進(jìn)行單軸抗壓實(shí)驗(yàn),所得結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出,充填材料強(qiáng)度不斷增加并能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

粉煤灰-高水材料沿空留巷巷旁充填每米巷道充填體體積為2.2 m3,單位綜合成本(含原材料費(fèi)、人工費(fèi)、運(yùn)輸費(fèi))為658 元/m3,巷道的綜合成本為1 447.6 元/m,而掘進(jìn)一條新巷道的綜合成本為3 050 元/m。相比留煤柱以及重新掘巷而言,粉煤灰-高水材料沿空留巷巷旁充填經(jīng)濟(jì)效益明顯。

圖7　充填體強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系

Fig. 7Relationship between filling body’s strength and time

4　結(jié)　論

(1)雙鴨山新安煤礦綜三工作面采用粉煤灰-高水材料進(jìn)行沿空留巷巷旁充填后,巷道頂?shù)装逡平颗c兩幫移近量隨著與工作面距離的增加而增加,到一定距離之后,其移近量保持穩(wěn)定。

(2)粉煤灰-高水材料充填體強(qiáng)度隨時(shí)間增加而迅速提高,其材料性能能夠滿足沿空留巷巷旁充填強(qiáng)度的要求。

(3)沿空留巷充填條帶對(duì)隔離巷道與采空區(qū)、減少采空區(qū)有害氣體逸出具有積極作用。

[1]布鐵勇, 馮光明, 賈凱軍. 大采高綜采沿空留巷巷旁充填支護(hù)技術(shù)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2010, 38(11): 41-43.

[2]李建輝, 馮光明, 寧帥, 等. 綜采沿空留巷巷旁支護(hù)技術(shù)與應(yīng)用[J]. 中國(guó)礦業(yè), 2009, 18(3): 77-79.

[3]馮光明, 丁玉. 超高水材料充填開(kāi)采技術(shù)研究及應(yīng)用[M]. 徐州: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社, 2010.

[4]李鳳義, 李譚, 王維維. 高水材料在桃山煤礦井下充填實(shí)驗(yàn)[J]. 黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2012, 22(3): 221-224.

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(編輯荀海鑫)

Filling test filled in gob-side entry retaining in Xin’an coal mine

LIFengyi,WANGWeiyuan

(School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

Aimed at an effective support of the gateway roof and control of the surrounding rock, this paper, based on the control mechanism of the gob-side entry retaining wall rock, introduces the application of the filling process and system designed for gob-side entry retaining with fly ash-high water filling materials and field test of roadside packing in gob-side entry retaining in the third working face in Xin’an coal mine, located in Shuangyashan. The results show that gob-side entry retaining is accompanied by an increase in roadway roof and floor due to the increasing distance of mining face; the filling bodies, capable of positive roof contact and an effective prevention of the deformation of the main roof, tend to be stronger due to increasing time; and filling strips of the better compactness are capable of preventing the harmful gas from escaping. The study serves as reference for the mine gob-side entry retaining in the mines of the similar conditions.

deformation; Xin’an coal mine; gob-side entry retaining; filling; compressive strength

2013-06-07

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(zhǎng)鉆孔松動(dòng)爆破、矸石山滅火及采空區(qū)回填,E-mail:kyyjylfy@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.05.001

TD823.7

1671-0118(2013)05-0409-04

A