李鳳義,　王偉淵

(黑龍江科技大學 安全工程學院, 哈爾濱 150022)

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新安煤礦井下沿空留巷巷旁充填實驗

李鳳義,王偉淵

(黑龍江科技大學 安全工程學院, 哈爾濱 150022)

為實現(xiàn)對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行現(xiàn)場實驗。結果表明:沿空留巷期間,巷道頂?shù)装濉蓭鸵平侩S著與工作面距離的增加而增加;充填體可以實現(xiàn)主動接頂,有效防止老頂?shù)淖冃?其強度隨著時間的增加迅速提高;充填條帶密實性較好,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; 抗壓強度

沿空留巷即在上區(qū)段采過后,通過加強支護或者其他有效方法,保留上區(qū)段工作面運輸平巷,作為下區(qū)段回采時的回風平巷。作為一種無煤柱護巷技術,沿空留巷可以最大限度地回收資源,避免煤炭浪費[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用前景[2]。筆者根據(jù)沿空留巷圍巖控制機理,以粉煤灰-高水材料為充填材料,在新安煤礦綜三工作面進行現(xiàn)場實驗,以期實現(xiàn)對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。工作面是綜合機械化采煤工作面,每刀推進度最大800 mm,留巷巷道為下巷運輸巷,留巷成功后,此運輸巷將成為下一工作面的回風巷,巷道凈斷面12.4 m2。據(jù)實測無積水,但有瓦斯積聚,頂板破壞嚴重。

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能否成功的關鍵,對充填質量、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當具有支護強度高、速凝早強等特點,并應具有足夠的可縮量、較高的后期強度以及密閉性好等性能[3]。此次在新安煤礦綜三工作面進行的工業(yè)實驗選用粉煤灰-高水材料作為充填材料。該材料主要以雙鴨山國電電廠的工業(yè)廢料粉煤灰為主料,加入活化劑和水,強力攪拌30 min,完成物理-化學復合活化過程,再加入一定比例的外加劑、懸浮劑、速凝劑等均勻攪拌,然后通過充填管道注入充填袋內即可。其中,活化劑的活化機理是,將粉煤灰顆粒表面的玻璃體結構破壞,與粉煤灰中活性的SiO2和Al2O3發(fā)生火山灰反應,最終生成具有一定強度的鈣礬石,而外加劑則起到增加早期強度和緩凝的作用。粉煤灰-高水材料充填體抗壓強度可根據(jù)添加劑的不同比例進行調節(jié),在30～40 min內產生強度即可,強度增長很快,充填8 h時強度可達1～3 MPa。調整其他外加劑的比例,則可以使初凝時間在8～30 min之間調節(jié)。雙鴨山國電電廠粉煤灰化學成分如表1所示。

表1雙鴨山國電電廠粉煤灰化學組成

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礦業(yè)研究院與哈爾濱塑料四廠共同研制開發(fā)的特種輸送管為充填管路。輸送管內徑為90 mm,壁厚6.5 mm,單根長6 m,壁厚偏差為10%,不圓度為2%,拉伸強度為15.0 MPa,拉斷伸長率為30%。

充填管路要穿過一段25 m長的煤鉆孔和40 m長的巖石鉆孔,再經過約240 m長的平巷(落差不超過1 m)就可以到達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

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,其頂面有兩個直徑150 mm的“袖子”,作為充填袋的進料口和排氣口,充填袋的整體規(guī)格為L·b·h=5.0 m×2.0 m×2.0 m。

在搭建充填框架時,巷道中靠近采空區(qū)一側用木支柱支護,充填完畢后不回收；靠近巷道一側用單體液壓支柱,充填完畢后回收。木支柱和單體液壓支柱支護完畢后,在其內部搭建金屬網。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。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,放入充填框架內,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)測試時,將充填軟管從充填袋中拔出,正常充填時,再將充填軟管重新插入到充填袋內。充填架構如圖2所示。

圖2　充填框架

2.4巷旁充填工藝

利用相關設備將漿液輸送至回采巷道巷旁充填袋內,并且根據(jù)現(xiàn)場需求,控制粉煤灰-高水材料[4]的初凝時間和充填體的強度,對沿空留巷巷旁進行合理充填。

結合粉煤灰-高水材料的基本性能和八層綜三工作面的實際情況,充填實驗硐室設置在-500車場石門尾處,硐室全長24.2 m,寬2.6 m,高3.5 m。硐室內設8個制漿池,每個制漿池直徑為2.4 m,高1.5 m,其上鋪設槽鋼,在槽鋼上架設攪拌機和電機,電機下安裝減速機,減速機直接和攪拌葉相連。同時,在制漿池上電機的一側鋪設一條鐵道,主要用于運送充填材料,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,出料口通過管道一直到達巷旁充填袋附近。工業(yè)實驗時,先在池內注入一定量的水,開啟攪拌機,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,開啟渣漿泵,并迅速通知充填袋工作人員做好充填準備,開始泵送漿液,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

在沿空留巷期間,工作面每向前推進4 m,設置一處觀測位置,每處觀測位置包括兩組測點,巷道頂?shù)装鍍蓚€測點為一組,巷道中線、兩幫巷道中點的測點為一組。每天測量一次測點距離,并根據(jù)當天測量的數(shù)據(jù)與之前測量所得數(shù)據(jù)計算頂?shù)装謇塾嬕平?s1)及兩幫累計移近量(s2),測量結果如圖4、5所示。

圖4　頂?shù)装謇塾嬕平颗c工作面距離的關系

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

圖5　兩幫累計移近量與工作面距離的關系

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

由圖4、5可以看出,測點頂?shù)装謇塾嬕平亢蛢蓭屠塾嬕平吭谝欢ǚ秶鷥入S著與工作面距離的增大而增加[5],當測點與工作面的距離較小時,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]對其進行模擬。數(shù)值模型長、寬、高分別為5、2、2 m,臨采空區(qū)及巷道面設置為自由面,前后兩面設置為y方向的約束,接頂、底板面設置為z方向的約束。根據(jù)實驗室實驗所得數(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)值模擬結果如圖6所示。

圖6中,白色區(qū)域為應力集中區(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)一側最易受到破壞，而在臨巷道一側其所承受的應力較小,不會產生屈服破壞。采空區(qū)空頂對充填體“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?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

在無沿空留巷時,采煤工作面向前推進之后,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,對巷道圍巖變形的控制作用明顯。同時，由于每個充填袋之間以及充填體與頂?shù)装逯g的密實性很好,阻斷了采空區(qū)氣體向留巷溢出的通道。充填的同時對充填材料取樣制成試塊,進行單軸抗壓實驗,所得結果如圖7所示。從圖7中可以看出,充填材料強度不斷增加并能夠達到設計要求。

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、人工費、運輸費)為658 元/m3,巷道的綜合成本為1 447.6 元/m,而掘進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濟效益明顯。

圖7　充填體強度與時間的關系

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

4　結　論

(1)雙鴨山新安煤礦綜三工作面采用粉煤灰-高水材料進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-高水材料充填體強度隨時間增加而迅速提高,其材料性能能夠滿足沿空留巷巷旁充填強度的要求。

(3)沿空留巷充填條帶對隔離巷道與采空區(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技術[J]. 煤炭科學技術, 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技術與應用[J]. 中國礦業(yè), 2009, 18(3): 77-79.

[3]馮光明, 丁玉. 超高水材料充填開采技術研究及應用[M]. 徐州: 中國礦業(yè)大學出版社, 2010.

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[5]黃艷麗, 張吉雄, 巨峰. 巷旁充填沿空留巷技術及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[J]. 西安科技大學學報, 2009, 29(5): 514-520.

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

(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:kyyjylfy@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.05.001

TD823.7

1671-0118(2013)05-0409-04

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