煤礦高水材料充填沿空留巷技術研究范文

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摘要:通過分析高水材料力學特性，得出高水材料具有增阻速度快、支護阻力大、適量可縮的特點，結合凌志達煤礦15210工作面具體地質條件，提出采用高水材料巷旁充填沿空留巷技術，選取了合適的充填設備和充填工藝，經現(xiàn)場工業(yè)試驗取得了良好的應用效果。

關鍵詞:高水材料;沿空留巷;充填

沿空留巷相比較留設煤柱維護巷道而言，不但能夠實現(xiàn)Y型通風方式，而且可以提高煤炭采出率，有效控制巷道穩(wěn)定，對礦井安全高效開采具有重要意義［1］。巷旁支護是保證沿空留巷成功的關鍵，之前采用的巷旁支護技術存在一定范圍的局限性，難以適應沿空留巷圍巖變形。高水材料因具有增阻速度快、支護阻力大、適量可縮等優(yōu)點，近年來被越來越多地應用于沿空留巷［2］。現(xiàn)階段，許多學者針對高水材料巷旁充填沿空留巷技術進行了大量研究。熊祖強等［3］針對高水材料巷旁充填的各項力學特性進行了研究，得出了高水充填材料變形特征分為壓密階段、線彈性階段、屈服階段和應變軟化階段;武善元等［4］研發(fā)了與高水充填材料相適應的沿空留巷支護工藝，提出采用錨栓、鋼帶等方法可提高充填體的穩(wěn)定性;孫春東等［5］針對高水材料進行了試驗分析，利用水力泵送充填工藝，優(yōu)化了相關充填技術。本文針對凌志達煤礦工作面具體條件，分析高水充填材料特性，選取合適的相關充填工藝及設備。

1工程概況

凌志達煤礦生產能力為150萬t/a，所采煤層為15號煤層，煤層厚度為4～4．5m，平均4．28m，煤層傾角3～6°，屬結構簡單－復雜的近水平中厚煤層。15210工作面位于二采區(qū)南部，其東部為15208工作面，西部為實體煤，南部為井田邊界，北部為東翼回風大巷。蓋山厚度195～300m，煤層平均埋藏深度260．5m。隨著礦井生產效率的不斷提高，傳統(tǒng)的留設寬煤柱進行護巷已不適應具體工作面需求，急需進行無煤柱沿空留巷技術研究。以往，礦井設計中工作面區(qū)段保護煤柱寬度為20m，不僅造成了大量的煤炭資源損失，降低了煤炭采出率。同時，下區(qū)段工作面回采期間采空側回采巷道維護量大，給礦井造成安全隱患。因此，決定在15210工作面回風巷進行高水材料巷旁充填技術試驗。沿空留巷示意如圖1所示。

2高水材料力學特性分析

高水材料分甲料、乙料兩組分，甲料、乙料單獨與水不凝結，而甲料漿和乙料漿一起混合則快速硬化。本文采用武漢巖土力學所研制的巖石與混凝土力學試驗機，根據(jù)配比配置高水充填材料，分別研究齡期與強度的關系、不同水灰比對抗壓強度的影響及高水材料的變形性能。

2．1高水材料齡期與強度特性分析

高水充填材料強度隨時間變化關系見圖2所示。高水材料甲、乙兩組分分別加水攪拌后長時間不凝固，但當兩種漿體混合后20min內可初凝。在實驗室標準測試條件下(水灰比為1．5∶1)，初凝時間可控制在15min以內，2h抗壓強度可達2．1MPa，24h抗壓強度可達到5．6MPa，7d抗壓強度可達10．36MPa，28d能達到10．82MPa。1d強度達到最終強度的50%以上，7d強度可達到最終強度的90%以上。

2．2高水材料強度與水灰比特性分析

高水材料強度與水灰比變化關系如圖3所示。由圖3可以看出，強度隨著水灰比的減小而增大，每單位內使用的高水充填材料越多，用水量就越小，從而充填體的強度就越高。常見的水泥混凝土水灰比范圍為0．5∶1～0．75∶1，當高水充填材料采用此水灰比時，充填體的強度可以達到20～50MPa，完全可以滿足井下沿空留巷充填體的強度要求。2．3高水材料的變形性能當水灰比為1．5∶1時，利用MTS815型剛性伺服機測得高水材料7d齡期的變形曲線如圖4所示。由圖4可以看出，當施加荷載達到峰值強度后，高水材料充填體并不會突然失去承載能力，而是逐漸緩慢下降，在該水灰比的條件下，充填體強度峰值為10．36MPa，當應變持續(xù)增加，充填體發(fā)生破壞時，殘余強度仍有峰值的59%左右。因此，高水材料充填體具有明顯的塑形特性，強度較高且下降緩慢，可以保證沿空留巷的安全穩(wěn)定。

3高水材料充填施工工藝

高水材料巷旁充填沿空留巷施工工藝為:1)充填區(qū)域頂板支護。工作面割煤—端尾4架液壓支架鋪設頂網(wǎng)—工作面支架移架—架后擋矸支架移架—充填區(qū)域頂板加固。2)施工鉆孔。在工作面液壓支架后方、擋桿支架的保護下，施工密集鉆孔或切頂鉆孔。3)構筑充填體。根據(jù)推進長度，每天構筑1～2垛充填體:清理浮煤—充填體定位—立模(掛鋼筋網(wǎng)、單體液壓支柱、吊充填袋、穿對拉錨桿)—聯(lián)系注漿站配料注漿—清洗管路和注漿設備—移擋矸支架。4)輔助切頂。在工作面初次來壓前，按設計要求裝藥、連線，待推過擋矸支架后進行放炮，定向預裂頂板;待工作面初次垮落后，采用密集鉆孔輔助切頂，若密集鉆孔不能輔助切眼，再采用水力定向切割等技術措施。5)清理現(xiàn)場，準備下一循環(huán)。由于甲料、乙料一起混合會快速凝結硬化。因此分別攪拌和泵送。采用雙趟高壓管路輸送漿液、雙液充填工藝，在回采工作面后方留巷位置充填到充填袋內混合、凝固。其工藝流程見圖5。

4工作面充填設備選擇

結合高水材料的基本性能和使用方法，首先運用專門的生產系統(tǒng)將甲乙兩種材料分別制成漿液，然后通過雙液泵經管路分別輸送至充填區(qū)域，在即將到達待充區(qū)域之前將兩種漿液混合，漿液混合凝固形成充填體。凌志達煤礦15210工作面初步預計每班的充填量為32m3，每班的純充填時間按照2h計算，每小時需要充填16m3。因此，選擇的充填泵實際輸送能力應在266．7L/min以上。考慮該礦高水材料最大輸送距離約1800m，根據(jù)每百米0．4MPa的輸送阻力，確定選用型號為ZBYSB800/8－75型液壓雙液注漿泵，額定流量800L/min，額定壓力8MPa;攪拌桶采用JDW1500型，內徑1．25m，體積1．5m3，兩對4個攪拌桶;單漿輸送管采用D51mm×20m的高壓膠管，長度根據(jù)泵站與待充填空巷的距離確定。凌志達礦輔助運輸采用無軌膠輪車，泵站可根據(jù)該礦實際條件，布置于東翼輔運大巷與東翼主運大巷聯(lián)巷內。泵站需要占用寬約3．5m、長約20m的一段巷道或硐室，布置2臺雙液等量充填泵(一備一用)，4個攪拌桶(甲料、乙料各配2個)、5個電磁啟動器(泵1個，4個攪拌桶對應4個)，攪拌桶附近布置料場。

5工業(yè)試驗

凌志達煤礦在15210工作面回風巷采用上述方案進行了沿空留巷試驗。隨著工作面推進后，對巷道圍巖變形量進行了監(jiān)測，觀測周期為30d，在工作面回采18d后巷道頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在76mm，兩幫移近量穩(wěn)定在94m，巷道變形量得到了有效控制，保證了沿空巷道的安全穩(wěn)定。

6結語

通過分析高水材料的力學特性，得出高水材料具有強度大、變形性能好等特點，結合凌志達煤礦15210工作面具體條件，選取了合適的充填設備，并進行了沿空留巷試驗，經現(xiàn)場監(jiān)測表明，巷道變形量小，取得了良好的應用效果。

參考文獻:

［1］王玉峰．薄煤層石灰?guī)r頂板巷旁充填沿空留巷關鍵參數(shù)研究與應用［J］．煤炭工程，2018，50(7):5－9．

［2］馬強．高水充填沿空留巷支護優(yōu)化設計［D］．邯鄲:河北工程大學，2015．

［3］熊祖強，熊志朋，孫亞鵬，等．沿空留巷高水材料巷旁充填系統(tǒng)改進及應用［J］．煤礦安全，2017，48(3):106－109．

［4］武善元，賈凱軍，徐慶國．薄煤層綜采新型高水材料巷旁充填沿空留巷技術研究［J］．煤炭工程，2013，45(8):50－53．

［5］孫春東，馮光明．新型高水材料巷旁充填沿空留巷技術［J］．煤礦開采，2010，15(1):58－61，70．

作者：范子偉 李哲 單位：山煤集團