李凤义,　王伟渊

(黑龙江科技大学 安全工程学院, 哈尔滨 150022)



新安煤矿井下沿空留巷巷旁充填实验

李凤义,王伟渊

(黑龙江科技大学 安全工程学院, 哈尔滨 150022)

为实现对回采巷道顶板的有效支撑及巷道围岩的有效控制,根据沿空留巷围岩控制机理,研究粉煤灰-高水材料沿空留巷巷旁充填工艺,并在双鸭山新安煤矿综三工作面进行现场实验。结果表明:沿空留巷期间,巷道顶底板、两帮移近量随着与工作面距离的增加而增加;充填体可以实现主动接顶,有效防止老顶的变形,其强度随着时间的增加迅速提高;充填条带密实性较好,可阻止有害气体逸出。该研究为类似条件矿井沿空留巷巷旁充填提供了借鉴。

围岩变形; 新安煤矿; 沿空留巷; 充填; 抗压强度

沿空留巷即在上区段采过后,通过加强支护或者其他有效方法,保留上区段工作面运输平巷,作为下区段回采时的回风平巷。作为一种无煤柱护巷技术,沿空留巷可以最大限度地回收资源,避免煤炭浪费[1]。目前,沿空留巷巷旁充填方式主要为高水材料双管路重填、以水泥为胶结料的单管路重填、矸石垛与煤垛重填等。粉煤灰-高水材料沿空留巷采用单管路系统,系统简单、易于操作,在井下巷旁充填沿空留巷和采空区充填中具有广阔的应用前景[2]。笔者根据沿空留巷围岩控制机理,以粉煤灰-高水材料为充填材料,在新安煤矿综三工作面进行现场实验,以期实现对回采巷道顶板的有效支撑及巷道围岩的有效控制,为类似条件的沿空留巷提供借鉴。

1　工作面概况

双鸭山新安煤矿八层综三工作面,为水平煤层,煤厚平均2 m,倾角一般小于1°。直接顶为粉砂岩和泥质粉砂岩,厚度2.6 m,莫氏硬度系数介于3～7之间;老顶为粗砂岩局部含砾,厚度7 m,莫氏硬度系数介于8～10之间;直接底为粉砂岩,厚度1.8 m,莫氏硬度系数介于3～7之间。工作面是综合机械化采煤工作面,每刀推进度最大800 mm,留巷巷道为下巷运输巷,留巷成功后,此运输巷将成为下一工作面的回风巷,巷道净断面12.4 m2。据实测无积水,但有瓦斯积聚,顶板破坏严重。

2　材料与充填工艺

2.1充填材料

充填材料是沿空留巷技术能否成功的关键,对充填质量、留巷成本以及沿空留巷效果起着决定性作用。根据沿空留巷矿压显现规律,用于巷旁充填的材料应当具有支护强度高、速凝早强等特点,并应具有足够的可缩量、较高的后期强度以及密闭性好等性能[3]。此次在新安煤矿综三工作面进行的工业实验选用粉煤灰-高水材料作为充填材料。该材料主要以双鸭山国电电厂的工业废料粉煤灰为主料,加入活化剂和水,强力搅拌30 min,完成物理-化学复合活化过程,再加入一定比例的外加剂、悬浮剂、速凝剂等均匀搅拌,然后通过充填管道注入充填袋内即可。其中,活化剂的活化机理是,将粉煤灰颗粒表面的玻璃体结构破坏,与粉煤灰中活性的SiO2和Al2O3发生火山灰反应,最终生成具有一定强度的钙矾石,而外加剂则起到增加早期强度和缓凝的作用。粉煤灰-高水材料充填体抗压强度可根据添加剂的不同比例进行调节,在30～40 min内产生强度即可,强度增长很快,充填8 h时强度可达1～3 MPa。调整其他外加剂的比例,则可以使初凝时间在8～30 min之间调节。双鸭山国电电厂粉煤灰化学成分如表1所示。

表1双鸭山国电电厂粉煤灰化学组成

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管路系统

结合粉煤灰-高水材料性能以及充填硐室和沿空留巷巷旁情况,采用黑龙江科技大学矿业研究院与哈尔滨塑料四厂共同研制开发的特种输送管为充填管路。输送管内径为90 mm,壁厚6.5 mm,单根长6 m,壁厚偏差为10%,不圆度为2%,拉伸强度为15.0 MPa,拉断伸长率为30%。

充填管路要穿过一段25 m长的煤钻孔和40 m长的岩石钻孔,再经过约240 m长的平巷(落差不超过1 m)就可以到达沿空留巷巷旁充填袋。渣浆泵出料口到煤钻孔之间的管道以及平巷管道之间均采用法兰盘连接,而煤钻孔和岩石钻孔管道之间则采用管箍加固方式连接。充填管路如图1所示。

图1　充填管路

2.3充填架构

充填袋是选用防水耐腐蚀的高分子材料缝制而成的,成六面体状,其顶面有两个直径150 mm的“袖子”,作为充填袋的进料口和排气口,充填袋的整体规格为L·b·h=5.0 m×2.0 m×2.0 m。

在搭建充填框架时,巷道中靠近采空区一侧用木支柱支护,充填完毕后不回收；靠近巷道一侧用单体液压支柱,充填完毕后回收。木支柱和单体液压支柱支护完毕后,在其内部搭建金属网。完成的框架上下分别是巷道顶底板,四周是固定在木支柱与单体液压支柱上的金属网。充填袋边角上面缝制有挂环,充填模板搭建完毕后,将充填袋完全展开,放入充填框架内,再用12#铁线将充填袋边角上面的挂环固定到充填框架上,最后将充填袋的入料口和充填软管相连,保持充填袋的出气口畅通。系统测试时,将充填软管从充填袋中拔出,正常充填时,再将充填软管重新插入到充填袋内。充填架构如图2所示。

图2　充填框架

2.4巷旁充填工艺

利用相关设备将浆液输送至回采巷道巷旁充填袋内,并且根据现场需求,控制粉煤灰-高水材料[4]的初凝时间和充填体的强度,对沿空留巷巷旁进行合理充填。

结合粉煤灰-高水材料的基本性能和八层综三工作面的实际情况,充填实验硐室设置在-500车场石门尾处,硐室全长24.2 m,宽2.6 m,高3.5 m。硐室内设8个制浆池,每个制浆池直径为2.4 m,高1.5 m,其上铺设槽钢,在槽钢上架设搅拌机和电机,电机下安装减速机,减速机直接和搅拌叶相连。同时,在制浆池上电机的一侧铺设一条铁道,主要用于运送充填材料,渣浆泵安放在制浆池下部的出料口处,渣浆泵的吸料口与制浆池的出料口直接用钢筋软管连接,出料口通过管道一直到达巷旁充填袋附近。工业实验时,先在池内注入一定量的水,开启搅拌机,加入粉煤灰和活化剂均匀搅拌4 h后,再依次加入其他外加剂,搅拌5～7 min,开启渣浆泵,并迅速通知充填袋工作人员做好充填准备,开始泵送浆液,待浆液充满充填袋再迅速通知硐室工作人员加清水清洗搅拌池及管路系统。基本充填工艺流程如图3所示。

图3　基本工艺流程

3　充填效果分析

3.1巷道围岩变形监测

在沿空留巷期间,工作面每向前推进4 m,设置一处观测位置,每处观测位置包括两组测点,巷道顶底板两个测点为一组,巷道中线、两帮巷道中点的测点为一组。每天测量一次测点距离,并根据当天测量的数据与之前测量所得数据计算顶底板累计移近量(s1)及两帮累计移近量(s2),测量结果如图4、5所示。

图4　顶底板累计移近量与工作面距离的关系

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

图5　两帮累计移近量与工作面距离的关系

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

由图4、5可以看出,测点顶底板累计移近量和两帮累计移近量在一定范围内随着与工作面距离的增大而增加[5],当测点与工作面的距离较小时,巷道顶底板移近和两帮移近均不明显,随着距离的增大而迅速增加,距离工作面40 m以后,速度放缓,至70 m以后,基本稳定,不再变化。

3.2充填体受力数值模拟

为确定充填体在井下的受力情况,利用ANSYS软件[5]对其进行模拟。数值模型长、宽、高分别为5、2、2 m,临采空区及巷道面设置为自由面,前后两面设置为y方向的约束,接顶、底板面设置为z方向的约束。根据实验室实验所得数据,充填材料的泊松比为0.25,弹性模量为4.5 GPa,内摩擦角为36°。充填体埋深350 m,高度和宽度均为2 m,上覆岩层平均容重为2.7 kN/m3,数值模拟结果如图6所示。

图6中,白色区域为应力集中区,主要存在于临采空区一面的上方,充填体在临采空区一侧最易受到破坏，而在临巷道一侧其所承受的应力较小,不会产生屈服破坏。采空区空顶对充填体“悬臂梁”的作用使得靠近采空区处的充填体受到一定的破坏,但临底板一侧只可能发生塑性变形,充填体仍具有支撑顶板和上覆岩层的作用。可见,充填体能够支撑顶板不垮落,起到良好的留巷效果。

图6　充填体受力模拟

3.3沿空留巷巷旁充填效果

在无沿空留巷时,采煤工作面向前推进之后,巷道顶板下沉量较大,下沉速度剧增,部分巷道甚至被垮落岩石封堵。沿空留巷后,由于充填体早期强度发展迅速,从而有效地阻止了巷道顶板的下沉,充分发挥了充填体对巷道顶板及上覆岩层的控制作用,避免了顶板岩层的离层,对巷道围岩变形的控制作用明显。同时，由于每个充填袋之间以及充填体与顶底板之间的密实性很好,阻断了采空区气体向留巷溢出的通道。充填的同时对充填材料取样制成试块,进行单轴抗压实验,所得结果如图7所示。从图7中可以看出,充填材料强度不断增加并能够达到设计要求。

粉煤灰-高水材料沿空留巷巷旁充填每米巷道充填体体积为2.2 m3,单位综合成本(含原材料费、人工费、运输费)为658 元/m3,巷道的综合成本为1 447.6 元/m,而掘进一条新巷道的综合成本为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经济效益明显。

图7　充填体强度与时间的关系

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

4　结　论

(1)双鸭山新安煤矿综三工作面采用粉煤灰-高水材料进行沿空留巷巷旁充填后,巷道顶底板移近量与两帮移近量随着与工作面距离的增加而增加,到一定距离之后,其移近量保持稳定。

(2)粉煤灰-高水材料充填体强度随时间增加而迅速提高,其材料性能能够满足沿空留巷巷旁充填强度的要求。

(3)沿空留巷充填条带对隔离巷道与采空区、减少采空区有害气体逸出具有积极作用。

[1]布铁勇, 冯光明, 贾凯军. 大采高综采沿空留巷巷旁充填支护技术[J]. 煤炭科学技术, 2010, 38(11): 41-43.

[2]李建辉, 冯光明, 宁帅, 等. 综采沿空留巷巷旁支护技术与应用[J]. 中国矿业, 2009, 18(3): 77-79.

[3]冯光明, 丁玉. 超高水材料充填开采技术研究及应用[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2010.

[4]李凤义, 李谭, 王维维. 高水材料在桃山煤矿井下充填实验[J]. 黑龙江科技学院学报, 2012, 22(3): 221-224.

[5]黄艳丽, 张吉雄, 巨峰. 巷旁充填沿空留巷技术及矿压显现规律[J]. 西安科技大学学报, 2009, 29(5): 514-520.

[6]赵昕楠, 节茂科, 张吉雄. 采后充填固体充填材料力学特性测试研究[J]. 煤矿开采, 2010, 15(5): 18-20.

(编辑荀海鑫)

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

李凤义(1963-),男,回族,黑龙江省鸡西人,教授,博士,研究方向:煤矿围岩灾变及控制、长钻孔松动爆破、矸石山灭火及采空区回填,E-mail:kyyjylfy@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.05.001

TD823.7

1671-0118(2013)05-0409-04

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