大采高高水材料巷旁充填體寬度與強(qiáng)度試驗(yàn)研究與應(yīng)用

崔景昆，豐云雷，孫春東,3，李 盟

(1.河北工程大學(xué) 資源學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北省煤炭礦井建設(shè)工程技術(shù)研究中心，河北 邯鄲 056038；3.冀中能源 邯鄲礦業(yè)集團(tuán)有限公司，河北 邯鄲056002；4.四川宜賓學(xué)院 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，四川 宜賓 644100)

大采高高水材料巷旁充填體寬度與強(qiáng)度試驗(yàn)研究與應(yīng)用

崔景昆1,2，豐云雷1，孫春東1,3，李 盟4

(1.河北工程大學(xué) 資源學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北省煤炭礦井建設(shè)工程技術(shù)研究中心，河北 邯鄲 056038；3.冀中能源 邯鄲礦業(yè)集團(tuán)有限公司，河北 邯鄲056002；4.四川宜賓學(xué)院 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，四川 宜賓 644100)

沿空留巷關(guān)鍵是確定巷旁充填體的寬度和強(qiáng)度，然后再通過觀察留巷頂板下沉、巷道變形以及當(dāng)受采動(dòng)影響穩(wěn)定后，巷道斷面大小是否滿足生產(chǎn)需要，以最終確定留巷的成功與否。根據(jù)亨建煤礦實(shí)際地質(zhì)生產(chǎn)條件，通過采用河北工程大學(xué)CM250/18平面應(yīng)力試驗(yàn)臺(tái)做為模型，做一系列的相似模擬試驗(yàn)。最后，通過觀測(cè)數(shù)據(jù)分析來確定亨建煤礦2505工作面的特定條件下沿空留巷最終充填體的寬度和強(qiáng)度。

高水材料；充填體；寬度與強(qiáng)度；相似模擬；沿空留巷

冀中能源邯礦集團(tuán)亨建煤礦是一個(gè)開采已久的老礦井。煤炭資源緊缺，開采強(qiáng)度大，為了延長礦井的服務(wù)年限，集團(tuán)公司及礦領(lǐng)導(dǎo)一直重點(diǎn)關(guān)注如何提高煤炭資源的采出率。正常的工作面回采巷道之間一般要留設(shè)8～15m的區(qū)段保護(hù)煤柱，這樣造成了極大的煤炭資源的浪費(fèi)，為了能回收這一區(qū)段保護(hù)煤柱，集團(tuán)公司在亨建煤礦2505工作面采用了沿空留巷技術(shù)。這一技術(shù)的成功應(yīng)用不僅使煤炭資源采出率低的現(xiàn)象得到很大改觀，同時(shí)還減少了區(qū)段回采巷道的掘進(jìn)工程量、掘進(jìn)費(fèi)用等，與此同時(shí)還解決了工作面接替緊張的問題。

1 工作面地質(zhì)概況

亨建礦2505工作面主采2號(hào)煤，厚度在4.0～4.3m之間，煤層厚度變化不大，平均厚度為4.2m，煤層傾角為5～8°，平均為6°。煤層底板以上約1.2m處有0.12～0.18m厚的粉砂巖夾矸。2號(hào)煤層直接頂為厚2m左右的粗砂巖，該巖層的膠結(jié)形式為泥質(zhì)膠結(jié)；基本頂為細(xì)砂巖，層理較發(fā)育；直接底為2.2m厚的粗砂巖；通過軌道下山的揭露可以看出基本底為8.5m厚的中細(xì)砂巖。工作面水文條件簡單，頂板有局部淋水現(xiàn)象，涌水量約為8m3/h。

2 巷旁充填體寬度的確定

2.1 巷旁充填體寬度相似模擬實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用河北工程大學(xué)礦壓實(shí)驗(yàn)室CM250/18平面應(yīng)力試驗(yàn)臺(tái)為試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。根?jù)本煤礦地質(zhì)條件，尤其是2505工作面煤層、煤層底板以下50m、頂板向上直至關(guān)鍵層以上20m巖層的巖性及相關(guān)力學(xué)參數(shù)、地質(zhì)構(gòu)造為依據(jù)，并按幾何相似比1∶200，強(qiáng)度相似比1∶333的比例用相似材料來模擬出煤層及頂?shù)装鍘r層，主要巖層模擬材料配比見表1。提前計(jì)算好要留設(shè)巷道的位置，并在煤層之上根據(jù)實(shí)際巷道的支護(hù)形式模擬頂板時(shí)預(yù)先埋入錨桿錨索，后期巷道開挖后再加入錨網(wǎng)支護(hù)。待模型干燥并和實(shí)際的地質(zhì)條件相符之后，關(guān)鍵層之上沒有模擬出來的巖層，可以根據(jù)其自重用杠桿重錘加載系統(tǒng)加以補(bǔ)償。

表1 主要巖層模擬材料配比

待模型干燥加壓后，開始在原設(shè)計(jì)好的地方根據(jù)實(shí)際巷道的尺寸按照比例進(jìn)行開挖。巷道開挖穩(wěn)定后開始進(jìn)行2505模擬工作面的回采，同時(shí)用相似材料模擬高水材料做出相應(yīng)的漿體填充到事先計(jì)算和設(shè)計(jì)好的充填體模型中，為了找到在亨建礦該煤層所特定的地質(zhì)條件下在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上最合理的充填體寬度，分別設(shè)計(jì)了1.5m，2.0m，2.5m，3.0m，3.5m，4.0m相應(yīng)比例尺下的模型，共做6個(gè)模型。

2.2 巷旁充填體寬度相似模擬條件下的頂板觀察

在以上6種巷旁充填體的條件之下，把實(shí)際距留巷側(cè)煤壁距離分別為-9m，-6m，-3m，0m，1.5m，3m，6m按照相似比1∶200轉(zhuǎn)化成相似模擬條件下的距離分別為-450mm，-30mm，-150mm，0mm，7.5mm，150mm，30mm，并在這6個(gè)點(diǎn)上安裝儀器用來測(cè)量頂板的下沉量。每2d測(cè)1次下沉量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)間為直到現(xiàn)場(chǎng)下一工作面開始回采為止。相似模擬沿空留巷見圖1。

圖1 相似模擬沿空留巷

2.3 巷旁充填體寬度相似模擬條件下的數(shù)據(jù)分析

將相似模擬寬度試驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)整理好之后，將其幾何相似比轉(zhuǎn)化成工作面現(xiàn)場(chǎng)的留巷頂板下沉量數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析做成曲線圖，見圖2。

圖2 2505留巷頂板下沉曲線

通過分析圖2下沉值隨測(cè)點(diǎn)的變化曲線可以得出以下結(jié)論：

(1)從煤壁內(nèi)9m開始到煤壁外6m頂板下沉量逐漸增加。

(2)隨著充填體寬度的增加頂板的下沉量逐漸減小。

(3)當(dāng)充填體的寬度超過2.5m后頂板的下沉曲線基本沒有太大變化。

綜上所述，頂板的下沉量是隨著充填體寬度的增加而降低，但是考慮到隨著充填體寬度的增加其成本也會(huì)相應(yīng)增加。根據(jù)2505工作面地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出當(dāng)充填體的寬度達(dá)到2.5m時(shí)頂板的下沉量可以控制在200mm以內(nèi)，達(dá)到了亨建礦2505工作面留巷的標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)充填體的寬度再增加時(shí)其頂板下沉值和充填體寬度為2.5m時(shí)沒有太大的變化，考慮高水材料價(jià)格較高等多種因素，故亨建礦2505工作面的巷旁充填體寬度定為2.5m。

3 巷旁充填體強(qiáng)度的確定

3.1 巷旁充填體強(qiáng)度相似模擬實(shí)驗(yàn)

充填體強(qiáng)度確定的相似模擬材料模型同樣也是采用河北工程大學(xué)礦壓實(shí)驗(yàn)室CM250/18平面應(yīng)力試驗(yàn)臺(tái)作為試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。其巷旁充填體的強(qiáng)度分別為2.0MPa，4.0MPa，6.0MPa，8.0MPa，10.0MPa，12.0MPa。在這6個(gè)模型的條件下分別觀察頂板的下沉量。充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)壓力實(shí)驗(yàn)見圖3。

3.2 巷旁充填體強(qiáng)度相似模擬條件下的頂板觀察

在以上6種巷旁充填體強(qiáng)度的條件之下，把實(shí)際距留巷側(cè)煤壁距離分別為-4.5m，-1.5m，0m，1.5m，4.5m按照比例尺轉(zhuǎn)化成相似模擬條件下的距離分別為-22.5mm，-7.5mm，0mm，7.5mm，22.5mm，并在這5個(gè)點(diǎn)上安裝儀器用來測(cè)量頂板的下沉量。每2d測(cè)1次下沉量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)間為直到現(xiàn)場(chǎng)下一工作面開始回采為止。

3.3 巷旁充填體強(qiáng)度相似模擬條件下的數(shù)據(jù)分析

將相似模擬強(qiáng)度試驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)整理好之后，將其轉(zhuǎn)化成工作面現(xiàn)場(chǎng)的留巷頂板下沉量數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析做成曲線圖，見圖4。

圖4 2505留巷頂板下沉曲線

通過分析圖4可以得出以下結(jié)論：

(1)從煤壁內(nèi)4.5m到煤壁外4.5m頂板的下沉量逐漸增加。

(2)頂板下沉量隨著充填體強(qiáng)度的增大逐漸減小。

(3)當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到5.5MPa后頂板隨充填體強(qiáng)度的增加其下沉量的減小基本趨于平穩(wěn)。

綜上可知，在亨建礦這一地質(zhì)條件下當(dāng)充填體的強(qiáng)度超過5.5MPa后頂板的下沉量基本趨于平穩(wěn)，且頂板下沉量在留巷的設(shè)計(jì)下沉量之內(nèi)。為保證充填體能夠長期穩(wěn)定，當(dāng)充填體處于穩(wěn)定蠕變階段，必須使充填體所承受的載荷不得超過其強(qiáng)度的70%～80%。當(dāng)外界條件一樣時(shí)充填體的費(fèi)用會(huì)隨著充填體的強(qiáng)度增加而增大，當(dāng)強(qiáng)度分別為5.5MPa和11MPa時(shí)頂板的下沉量都可以控制在要求之內(nèi)，考慮到安全因素，留有一定的安全富裕量。故充填體的強(qiáng)度確定為6MPa。

4 2505工作面留巷優(yōu)化方案

亨建煤礦在2313工作面成功留巷經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)2505工作面留巷方案進(jìn)行了優(yōu)化。通過方案的優(yōu)化有效地控制了2505工作面巷道頂板及采空區(qū)側(cè)800mm范圍內(nèi)破碎頂板的冒落問題。

在工作面推過去之后充填袋吊掛之前，在采空區(qū)側(cè)和所留巷道內(nèi)分別支設(shè)2組和3組ZX28800/20/32沿空留巷支架及時(shí)支撐頂板，防止頂板的離層及垮落。支架前后組之間互為支點(diǎn)并帶壓移架防止局部破碎頂板冒落。支架的寬度為1700mm，根據(jù)頂板情況，初撐力不低于2500kN。沿空留巷支架距離將要吊掛的充填包距離應(yīng)控制在400mm以內(nèi)，以便于充填體施工。

為了控制采空區(qū)側(cè)支架上方頂板的冒落，以及支架采空區(qū)側(cè)垮落的矸石涌向支架，需要提前在2505工作面支架的前方鋪設(shè)3層尺寸為1m×8m的經(jīng)緯網(wǎng)以防頂網(wǎng)被撕破進(jìn)而導(dǎo)致矸石涌向留巷作業(yè)區(qū)。其中8m長邊平行于工作面布置，網(wǎng)邊搭接500mm，并用金屬絲連接；短邊與巷道內(nèi)的頂網(wǎng)間隔200mm，用14號(hào)鉛絲捆綁。并在網(wǎng)下每間隔800mm搭接3m的木板梁，其中一端搭接在排頭支架上，另一端搭接在超前支護(hù)鉸接梁上。采空區(qū)側(cè)則采用1.2m一字鉸接頂梁同時(shí)配合伸縮量可達(dá)4m的單體支柱構(gòu)成一梁二柱進(jìn)行護(hù)頂，初撐力不能小于50kN。為了使充填體具有一定的支撐強(qiáng)度，支柱至少要等8d后方可拆除。

留巷工作面布置見圖5，留巷效果見圖6。

圖5 留巷工作面布置

圖6 2505工作面沿空留巷效果

5 結(jié)論

高水材料充填沿空留巷成功的前提是要保證所要留下的巷道的斷面必須滿足要求，根據(jù)亨建礦2505工作面的地質(zhì)條件進(jìn)行了相似模擬實(shí)驗(yàn)得到的充填體的最佳寬度為2.5m，最佳強(qiáng)度為6MPa。通過把實(shí)驗(yàn)得到的充填體參數(shù)應(yīng)用到2505工作面留巷中，取得了良好的效果和較好的經(jīng)濟(jì)效益。2505工作面通過留巷采出的區(qū)段煤柱創(chuàng)造的凈利潤達(dá)到1854.8萬元。

[1]楊百順，謝 洪.綜采沿空留巷充填墻體合理寬度的數(shù)值模擬研究[J].煤炭工程，2011(4)：73-75.

[2]徐柏林.沿空留巷支護(hù)的作用[J].煤炭技術(shù)，2009.28(8)：68-69.

[3]蔣金泉.采場(chǎng)圍巖應(yīng)力與運(yùn)動(dòng)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1993.

[4]王茂盛.全錨巷道沿空留巷技術(shù)[J].煤炭工程，2003(5)：32-33.

[5]張 川，文志杰，胡善超.采場(chǎng)頂板控制理論在沿空留巷中的應(yīng)用[J].煤礦安全，2011(4)：119-120.

[6]錢鳴高，劉昕成.礦山壓力及其控制[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1992.

[7]孫春東，張東升，等.大尺寸高水材料巷旁充填體蠕變特性試驗(yàn)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2012，29(4).

[責(zé)任編輯：姜鵬飛]

TestofHigh-waterMaterialWidthandStrengthforRoadway-sideStowingandItsApplication

CUI Jing-kun1,2,FENG Yun-lei1,SUN Chun-dong1,3,LI Meng4

(1.Resource School,Hebei Engineering University,Handan 056038,China;2.Hebei Provincial Coal Mine Construction Engineering Technology Center,Handan 056038,China;3.Handan Mining Group Co.,Ltd.,Jizhong Energy Group,Handan 056002,China;4.Mining & Safety Engineering School,Sichuan Yibin College,Yibin 644100,China)

The key of driving roadway along gob is obtaining width and strength of stowing body.Success of driving roadway along gob was judged by roof subsidence,roadway deformation and that whether roadway section meet mining requirement after the roadway was influenced by mining.According to actual geological and mining condition of Hengjian Colliery,applying CM250/18 plane stress test platform to making analogue simulation,rational width and strength of stowing body was obtained for 2505 mining face of Hengjian Colliery.

high-water material; stowing body; width and strength; analogue simulation; driving roadway along gob

2014-02-25

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.017

崔景昆(1960-)，男，河北正定人，教授，河北工程大學(xué)資源學(xué)院礦業(yè)工程教研室主任，主要從事采煤新技術(shù)及“三下”采煤等方面的研究。

崔景昆，豐云雷，孫春東，等.大采高高水材料巷旁充填體寬度與強(qiáng)度試驗(yàn)研究與應(yīng)用[J].煤礦開采，2014，19(5)：58-60.

TD353

B

1006-6225(2014)05-0058-03