沿空留巷條件下新型高水速凝材料巷旁充填技術(shù)及其應(yīng)用?

賈紅果來(lái)永輝王 偉王寧博

(1.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院,山東省青島市,266510; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)

沿空留巷條件下新型高水速凝材料巷旁充填技術(shù)及其應(yīng)用?

賈紅果1來(lái)永輝2王 偉1王寧博2

(1.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院,山東省青島市,266510; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)

為解決陶一礦村莊下壓煤煤炭資源采出率低、工作面接替緊張等問(wèn)題,進(jìn)行了無(wú)煤柱巷旁安全高效充填技術(shù)的研究與試驗(yàn),該項(xiàng)技術(shù)采用了新型高水速凝材料,其具有凝固速度快、早期強(qiáng)度高、增阻快、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。介紹了無(wú)煤柱巷旁充填技術(shù)中料漿配置、輸送、混合等工藝流程?，F(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐表明,該技術(shù)護(hù)巷效果顯著,可有效提高村莊下煤炭回收率及工作面接替緊張問(wèn)題,還可延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限。

無(wú)煤柱巷旁充填 高水速凝材料 承載能力

無(wú)煤柱充填安全高效開(kāi)采技術(shù)是提高村莊下壓煤采出率的有效途徑之一,其用充填保護(hù)帶取代了保護(hù)煤柱,具有提高煤柱回收率和保護(hù)地表村莊的優(yōu)點(diǎn),根據(jù)充填材料的不同,可分為矸石充填、高水材料充填、膏體充填等,在新汶、兗州、邢臺(tái)、開(kāi)灤等礦區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。

陶一礦近50%的煤炭?jī)?chǔ)量屬于村莊下壓煤,主采煤層受到火成巖入侵以及小煤窯私挖濫采影響,采掘接替困難,且瓦斯涌出量較大(200 m3/h),煤礦可持續(xù)發(fā)展受到巨大威脅,如何安全高效地?zé)o煤柱開(kāi)采村莊下壓煤已成為該礦區(qū)亟待解決的難題。本文結(jié)合該礦的實(shí)際地質(zhì)和工程技術(shù)條件,進(jìn)行新型高水速凝充填材料巷幫充填沿空留巷工業(yè)性試驗(yàn)研究,以期實(shí)現(xiàn)量化該材料充填技術(shù),簡(jiǎn)化其充填工藝。

1 工程概況

12701工作面平均埋深390 m,走向長(zhǎng)度450 m,傾斜長(zhǎng)度125 m,主采2＃煤層,煤層傾角8°～13°,平均12°,2＃煤層因受火成巖侵蝕嚴(yán)重煤層厚度變化較大,平均厚度2.8 m,煤層中下部有0.1～0.2 m厚粉砂巖夾矸。

直接頂為粗粉砂巖,灰黑色,泥質(zhì)膠結(jié),比較破碎,含大量植物化石,局部相變?yōu)樘抠|(zhì)泥巖,易剝離,厚度為1.9 m,抗壓強(qiáng)度為196.23 MPa,抗拉強(qiáng)度4.65 MPa,抗剪強(qiáng)度109.8 MPa;老頂為灰色細(xì)砂巖,呈互層狀,層理較發(fā)育。直接底為粗粉砂巖,厚度為1.3 m,抗壓強(qiáng)度71.99 MPa,抗拉強(qiáng)度2.33 MPa,但由于受火成巖嚴(yán)重侵蝕,直接底大部分被火成巖取代;老底為中細(xì)砂巖,厚度3.0～13.5 m不均。

2 無(wú)煤柱巷旁充填技術(shù)

無(wú)煤柱巷旁充填技術(shù)是指利用高水速凝材料對(duì)巷道采空區(qū)一側(cè)進(jìn)行充填形成護(hù)巷條帶,構(gòu)筑的高強(qiáng)支撐體取代原有保護(hù)煤柱,對(duì)提高煤炭資源回收率、降低巷道掘進(jìn)率、緩解采掘緊張關(guān)系和實(shí)現(xiàn)礦井的節(jié)能減排具有顯著效果,是煤礦綠色高效開(kāi)采的重要組成部分。

無(wú)煤柱巷旁充填開(kāi)采技術(shù)是提高村莊下壓煤采出率的有效途徑之一,但其本身也是一項(xiàng)發(fā)展中的技術(shù),要實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱充填開(kāi)采需要克服充填體承載性能難以量化、充填工藝復(fù)雜、充填材料成本高等技術(shù)難題。

2.1 充填體承載性能量化

理論與實(shí)踐表明,要實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱巷旁充填體對(duì)上覆巖層的有效支撐,充填支護(hù)體必須具有以下特點(diǎn):一要有較高的強(qiáng)度和快速增阻的特性,以便充填體短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高剛度和支護(hù)阻力,以控制上位巖層相互間不至于有大的離層,并使直接頂與部分基本頂在回轉(zhuǎn)的過(guò)程中斷裂,有效地減少頂板下沉量和作用在巷內(nèi)支架上的載荷,為留巷成功提供保證;二是要求留巷支護(hù)承載結(jié)構(gòu)體系具有良好的可縮性,較高的殘余強(qiáng)度,以適應(yīng)上覆巖層整體下沉引起的給定變形。根據(jù)試驗(yàn)工作面地質(zhì)生產(chǎn)條件,建立圖1所示無(wú)煤柱充填開(kāi)采空間結(jié)構(gòu)模型。

圖1 無(wú)煤柱充填開(kāi)采空間結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)沿空巷道巖層控制的基本理論,充填體支護(hù)體系的支護(hù)阻力F可表示為:

式中:λ——應(yīng)力增高系數(shù),取2～4;

γi——巖層容重,取24 k N/m3;

hi、hj——巖層厚度,根據(jù)巖層分布情況確定;

a——巷道維護(hù)寬度,取2.5 m;

x0——為煤體松動(dòng)區(qū)寬度,取1.2～2.0 m;

i——第i層頂板巖層;

j——第j層頂板巖層;

αj——巖層破斷角,取30°;

MAi——巖層抗彎彎矩;

σ——巖體抗拉強(qiáng)度,取2～5 MPa;

MPi——巖層極限彎矩,在極限條件下MAi＝MPi;

FNi——充填體邊緣巖層破斷產(chǎn)生的向下剪力;

m——冒落帶巖層的極限數(shù),取14;

σc——煤體殘余支護(hù)強(qiáng)度,取1.0～1.5 MPa。

將上述參數(shù)帶入式(1),計(jì)算所需支護(hù)強(qiáng)度約2.09～6.03 MPa。

2.2 新型高水速凝充填材料

根據(jù)上述無(wú)煤柱巷旁充填開(kāi)采對(duì)充填材料的要求,該礦結(jié)合實(shí)際地質(zhì)生產(chǎn)條件,進(jìn)行了新型高水速凝材料研制,并試驗(yàn)成功。與傳統(tǒng)充填材料相比,新型高水速凝材料具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)充填成本低,配置簡(jiǎn)單。新型高水速凝充填材料由甲、乙兩種物料構(gòu)成,其中甲料以特種水泥熟料為基料,與懸浮劑及復(fù)合超緩凝劑混磨而成,乙料由石灰、石膏、懸浮劑和復(fù)合速凝劑等混磨而成,甲、乙兩種料以重量比1∶1配合,分別加水?dāng)嚢栊纬蓾{體,然后進(jìn)行混合便可形成凝固的充填體。

(2)密閉采空區(qū)效果好。與傳統(tǒng)的木垛、密集支柱、矸石帶、混凝土砌塊的巷旁支護(hù)相比,新型高水速凝充填能夠及時(shí)接觸頂板,限制其離層,同時(shí)隔離上區(qū)段采空區(qū),密閉性能好,減少漏風(fēng)和自然發(fā)火。

(3)增阻快、早期強(qiáng)度大、承載性能好。試驗(yàn)表明新型高水速凝充填材料初凝時(shí)間為3～6 min, 2 h后抗壓強(qiáng)度可達(dá)2.8 MPa,24 h抗壓強(qiáng)度可達(dá)到4.8 MPa,7 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)7.2 MPa,28 d能達(dá)到8.2 MPa以上,經(jīng)特殊配比后,材料強(qiáng)度可達(dá)20 MPa以上,1 d強(qiáng)度達(dá)到最終強(qiáng)度的50%以上,7 d強(qiáng)度可達(dá)到最終強(qiáng)度的95%以上,完全可以滿(mǎn)足充填開(kāi)采的支護(hù)需求(強(qiáng)度2.09～6.03 MPa)。

(4)適應(yīng)性強(qiáng)。高水速凝材料的單軸抗壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)如圖2所示。該速凝材料具有較強(qiáng)的彈性模量和可縮性,當(dāng)發(fā)生較小應(yīng)變時(shí)可對(duì)頂板產(chǎn)生很大的作用力(AB段);當(dāng)頂板發(fā)生整體下沉而產(chǎn)生較大載荷作用時(shí),充填體則會(huì)發(fā)生相當(dāng)?shù)膲嚎s變形(BC段);在充填體變形破壞后(CD段),仍具有較高的殘余強(qiáng)度支撐頂板。

圖2 高水速凝材料單軸抗壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)

2.3 充填工藝流程

(1)料漿配置系統(tǒng)。試驗(yàn)工作面充填料漿制備系統(tǒng)位于距離工作面1000 m處的專(zhuān)用硐室內(nèi),制漿系統(tǒng)由A、B兩套完全相同的子系統(tǒng)組成。每條生產(chǎn)線(xiàn)均由配料裝置、攪拌主機(jī)、卸料裝置、添加劑配制裝置、電氣路控制系統(tǒng)等組成,每條制漿系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力為60 m3/h。

(2)料漿運(yùn)輸系統(tǒng)。配制好的漿液分別通過(guò)A、B兩管路輸送到工作面,料漿輸送系統(tǒng)由充填泵、輸送管路組成,充填泵選用ZBSB－148～23/6－185雙液充填泵,充填管路分別由KJR25高壓膠管和直徑32 mm(1.25英寸)無(wú)縫鋼管或焊接鋼管組成。

(3)料漿混合系統(tǒng)。為保證料漿混合效果,采用三通外置式混合器結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)選用八寸鋼管制成,并在管內(nèi)加裝自制葉片改善兩種料漿的混合效果,充填鋼管與混合器間用高壓膠管過(guò)渡連接。

(4)清水供應(yīng)系統(tǒng)。高水速凝材料充填開(kāi)采用水量較大,為滿(mǎn)足料漿制備系統(tǒng)用水及清洗管路用水的需求,設(shè)有單獨(dú)清水供應(yīng)管。

(5)充填體。試驗(yàn)工作面采用包式充填法,充填體設(shè)計(jì)成上寬2500 mm,下寬3200 mm的梯形斷面;充填袋設(shè)計(jì)為走向方向長(zhǎng)為1.5 m與2.0 m兩種規(guī)格,據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行組配,充填袋上的進(jìn)料與排氣孔直徑為100 mm,進(jìn)料與排氣管長(zhǎng)度約550 mm;為保證充填體成形,采用充填框架進(jìn)行輔助,充填框架由巷道側(cè)擋板、采空側(cè)擋板和前擋板3部分組成。無(wú)煤柱充填開(kāi)采剖面示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 充填體與巷道位置剖面圖

(6)組織方式。根據(jù)試驗(yàn)面技術(shù)生產(chǎn)條件,工作面實(shí)行“三八”制,兩班生產(chǎn)一班檢修,每生產(chǎn)班推進(jìn)1.5～2 m,兩生產(chǎn)班可推進(jìn)3～4 m。

3 無(wú)煤柱充填安全高效開(kāi)采效果評(píng)價(jià)

3.1 礦壓觀測(cè)

為掌握該礦無(wú)煤柱充填開(kāi)采效果,對(duì)充填體受力及變形進(jìn)行觀測(cè),觀測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 充填體變形及受力曲線(xiàn)圖

圖4(a)顯示,隨著充填體構(gòu)筑時(shí)間的增長(zhǎng),充填體形變量并不是無(wú)限制地逐漸增大,而是達(dá)到一個(gè)恒定最大值,觀測(cè)顯示距工作面后方大于75 m處的充填體變形達(dá)到恒定最大值,最大縱向變形量100 mm,最大橫向變形量65 mm,均在安全范圍之內(nèi)。

圖4(b)顯示,工作面后方約10 m處,充填體載荷開(kāi)始增加,20～40 m范圍內(nèi)急劇增大,在工作面后方約40 m處達(dá)到峰值,載荷約為6 MPa,在工作面后方40～80 m的范圍內(nèi),載荷逐漸降低,此后進(jìn)入穩(wěn)定階段,載荷維持在4 MPa左右。

3.2 經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益

(1)該礦新掘進(jìn)1條巷道的綜合成本為4030.6元/m,采用沿空留巷的巷道綜合單價(jià)為2723.4元/m,按留巷500 m計(jì)算,可以節(jié)約成本65.36萬(wàn)元。

(2)無(wú)煤柱巷旁充填技術(shù)取代保護(hù)煤柱,若煤柱寬度按20 m計(jì),采高2.7 m,煤的容重1.8 t/m3,留巷后可多采出煤炭45684 t,煤綜合售價(jià)按372.47元/t計(jì),煤綜合成本按271元/t計(jì),則直接經(jīng)濟(jì)效益為463.56萬(wàn)元。

(3)無(wú)煤柱巷旁充填安全高效開(kāi)采技術(shù)在該礦的成功實(shí)施,提高了煤炭資源回采率,緩解了采掘接替緊張的局面,延長(zhǎng)了礦井服務(wù)年限,此外該工程的試驗(yàn)成功也為其他礦區(qū)無(wú)煤柱開(kāi)采提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支撐。

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Roadway-side packing technology with new type high-water rapid hardening materials under the conditions of gob-side entry retaining and its application

Jia Hongguo1,Lai Yonghui2,Wang Wei1,Wang Ningbo2
(1.School of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266510,China; 2.School of Resource and Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China)

In order to solve the mining problems of Taoyi Coal Mine caused by huge village covering,such as low coal recovery rate and tense workface replacement,safe and efficient nonchain-pillar roadway-side packing technology was researched and tested.The technology applied the new type high-water rapid hardening materials which had advantages such as rapid hardening speed,high early strength,fast increasing resistance and outstanding adaptability.The slurry configuration,transportation,mixing process in non-chain-pillar roadway-side packing were introduced in detail.Field practice shows the non-chain-pillar roadway-side packing technology is effective to solve the mining problems above and extend the service life of the mine.

non-chain-pillar roadway-side packing,high-water rapid hardening material, bearing capacity

TD823.88

A

賈紅果(1983－),男,山東汶上人,講師,博士在讀,山東科技大學(xué)教師,主要研究方向?yàn)榘踩茖W(xué)與工程、資源經(jīng)濟(jì)與管理。

(責(zé)任編輯 張毅玲)

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51374140, 51474138)