大采高综采沿空留巷巷旁充填支护技术.pdf

第 38 卷第 11 期 煤 炭 科 学 技 术 Vol. 38No. 11 2010 年11 月 Coal Science and TechnologyNov．2010 大采高综采沿空留巷巷旁充填支护技术 布铁勇1， 2，冯光明1，贾凯军1 1. 中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州221008;2. 邯郸矿业集团 亨健煤矿，河北 邯郸056105 摘要基于亨健煤矿大采高综采工作面区段运输平巷沿空留巷支护困难的现状，进行了大采高综 采沿空留巷巷旁支护技术研究。选用袋装 ZKD 型新型高水速凝材料构筑巷旁充填体，研制了 ZX28800/20/32 型沿空留巷专用液压支架对充填体两侧顶板进行临时加强支护。结果表明新型高 水材料固化后充填体抗压强度比原高水材料平均提高 40 ～50，凝固速度快，初凝时间 8 ～ 20 min，充填体承载和变形性能好，并可根据工程需要对材料强度和凝固时间进行调控，更适应于沿 空留巷巷旁充填支护需要。沿空留巷专用支架移动方便，工作阻力达 2 400 kN，可延缓充填体受力 时间。采取这些措施提高了留巷的机械化程度，加快了留巷速度，改善了护巷效果。 关键词沿空留巷;大采高;新型高水速凝材料;专用液压支架;巷旁支护 中图分类号TD353文献标志码A 文章编号0253 －2336 201011 －0041 －04 Gateway Side Backfilling Support Technology of Goaf Side Gateway in Fully Mechanized High Cutting Longwall Mining Face BU Tie- yong1， 2，FENG Guang- ming1，JIA Kai- jun1 1． School of Mining Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou221008，China; 2． Hengjian Coal Mine，Handan Coal Mining Group，Handan056105，China AbstractBased on the support difficult status of the goaf side transportation gateway in the fully mechanized high cutting longwall mining face of Hengjian Mine，a study on the gateway side support technology of the goaf side gateway in the fully mechanized high cutting long- wall mining face was conducted． The bag packed ZKD new type high － water quick setting material was applied to build the backfilling masses along the gateway side． ZX28800/20/32 mode special hydraulic powered support applied in the goaf side gateway was developed and manufactured for the temporary reinforced support of the roof along the two sides of the backfilling masses． The results showed the compressive strength of the backfilled masses after the new high － water material consolidated would be averagely 40 ～50 higher than the original high － water material． The setting speed of the new high water material would be fast and the setting time would be 8 ～ 20 min． The loading and deation perances of the backfilling mass would be good． According to the requirements of the project，the material strength and the setting time could be adjusted and thus could be suitable to meet the requirements of the backfilling support at the gateway side of the goaf side gateway． The special powered support in the goaf side gateway could be easy in movement and the working re- sistance of the support could reach 2 400 kN and the loading time of the backfilled mass could be expanded． Those above measures con- ducted could improve the mechanization degree of the gateway，speed up the goaf side gateway remained rate and improve the effect of the gateway maintained． Key wordsgoaf side gateway;high cutting height;new type high － water quick setting material;special hydraulic powered support; gateway side support 沿空留巷是在上区段采过后，通过加强支护或 者采用其他有效方法，将上区段工作面运输平巷保 留维护下来，作为下区段回采时的回风平巷使 用 ［1 －3 ］。作为一种无煤柱护巷技术，沿空留巷是合 理地开采现有煤炭资源、提高煤炭资源采出率的一 种有效途径。邯郸矿业集团各矿煤炭资源紧缺，提 高煤炭资源采出率一直各矿所重点关注的问题。由 于沿空留巷具有可以大幅减少矿井巷道掘进量、缓 解采掘接替紧张、缩短工作面搬家时间、防止煤层 自然发火及延长矿井服务年限等优点［4 ］，因此在 邯郸矿业集团得到了积极的推广。先前陶一煤矿与 郭二庄煤矿的留巷实践充分体现了这一点。但亨健 煤矿 2313 综采工作面运输平巷的沿空留巷技术与 陶一煤矿与郭二庄煤矿所实施的沿空留巷技术相比 14 2010 年第 11 期煤 炭 科 学 技 术 第 38 卷 还有较大的不同，如采高大，沿空留巷距离长以及 断面大，特别是采高大会给留巷带来更大的困难。 1地质与生产条件概况 1地质概况。亨建煤矿 2313 工作面主采 2 号 煤层，煤层倾角 5 ～8。煤层厚度变化不大，平均 约 4. 3 m，距煤层底板 1. 2 m 处有1 层0. 1 ～0. 2 m 厚的粉砂岩夹矸。2 号煤层直接顶为厚 2 m 左右的 粗砂岩，灰黑色，泥质胶结，比较破碎，含大量植 物化石，局部相变为炭质泥岩，易剥离;基本顶为 灰色细砂岩，呈互层状，层理较发育。从轨道下山 的揭露情况看，直接底为厚2 m 的粗砂岩，基本底 厚约 9 m 的中细砂岩。工作面水文地质条件简单， 主要水源为 2 号煤顶板砂岩含水层。2 号煤顶板局 部有滴淋现象，涌水量在 5 ～10 m3/h。 2313 工作面运输巷长 680 m，其中 240 m 为底 分层工作面，有440 m 沿煤层顶板布置，沿空留巷 的位置在 2313 面运输平巷 400 m 处，留巷长度为 400 m，以后可作为 2315 工作面回风平巷使用。 2313 工作面平面位置如图 1 所示。 图 1 2313 工作面平面位置示意 22313 工作面及运输巷基本情况。2313 工作 面采用综合机械化回采工艺，工作面运输巷原支护 断面与方式如图 2 所示。工作面实行 “三八”制 作业，日平均进尺 1. 5 m，平均采高 4. 3 m。 图 2 2313 工作面运输巷支护断面 2沿空留巷围岩控制机理［ 5 －7］ 根据岩层控制的关键层理论，沿空留巷的关键 层主要指煤层上方的基本顶岩层，其破断后形成的 砌体梁结构将直接影响沿空留巷的稳定性。在从关 键层破断到砌体梁平衡结构形成的过程中，关键块 的回转与下沉，使沿空留巷煤帮作为砌体梁的一个 支撑点承受较为集中的支承压力，导致煤帮产生严 重变形与破裂。随着关键块回转角的增大，巷道顶 板急剧下沉。沿空留巷经受 2 次采动影响，所以矿 压显现比较剧烈。 从采场角度分析，沿空留巷巷内支架、巷旁支 护和巷道一侧的煤壁共同构成采场上覆岩层活动的 边界支承条件。由于采动空间大，采动活动期长， 基本顶岩层总的运动趋势不会因留设巷道这一技术 因素有所改变，仍会在巷道以及煤壁边缘形成低应 力区。同时，低应力区的存在使得巷道围岩变形由 弹性变形阶段进入塑性变形阶段。其矿压显现特征 是巷道变形、支架变形甚至破坏、巷道顶板破碎冒 落等。而且随着工作面的推进，基本顶岩层必然发 生破断和下沉，其变形需要由巷内支架、巷旁充填 体、巷道一侧的煤壁及底板共同承担。作为人工支 护体的巷内支架和巷旁支护带虽不能控制顶板岩层 总的活动趋势，但可以在一定程度上与塑性区的围 岩形成相互作用关系，以适应这种 “给定变形” 的特点，把围岩变形控制在工程允许的范围之内。 沿空留巷的围岩结构模型如图 3 所示。 α垮落角;θ回转角 图 3沿空留巷围岩结构模型 3沿空留巷巷旁支护充填工艺 3. 1巷旁充填材料 巷旁充填材料性能的好坏在沿空留巷巷旁充填 中具有非常重要作用，它通常决定着沿空留巷的成 败。根据沿空留巷矿压显现规律，用于巷旁充填的 材料应具有支护强度高、速凝早强的特点，并应有 足够的可缩量、较高的残余强度以及密闭性能好等 性能 ［2 ］。 巷旁充填体的强度直接影响着沿空留巷围岩的 稳定性 ［3 ］。构筑的充填体应能及时提供足够的支 24 布铁勇等大采高综采沿空留巷巷旁充填支护技术2010 年第 11 期 护强度，以控制上位岩层相互间不至于有大的离 层，并使直接顶与部分基本顶在回转的过程中断 裂，有效地减少顶板下沉量和作用在巷内支架上的 载荷，为留巷成功提供保证。 ZKD 型新型高水速凝充填材料是理想的巷旁 充填材料。该材料由甲料、乙料 2 种组分构成。 甲、乙料以质量比 1∶ 1 配合使用。其中甲料是以 硫铝酸盐水泥熟料为基材，与悬浮剂及少量超缓凝 剂混磨而成，乙料是由石灰、石膏、悬浮剂和复合 速凝早强剂等混磨而成。ZKD 型高水速凝充填材 料性能可根据具体条件进行配制与调整［5 ］。针对 2313 工作面运输巷具体情况，采用充填袋作为成 型的方式来进行充填，以便充填体能有效接顶。表 1 为 ZKD 型高水速凝充填材料的基本性能指标。 表 1高水速凝材料基本性能 初凝时 间/min 水泥方 孔筛余 抗压强度/MPa 2 h24 h7 d28 d 8 ～30＜8≥1. 83. 97 ～89 ～10 3. 2巷旁充填体位置及参数 综合考虑沿空留巷技术要求及留巷的使用要 求，将巷旁充填体大部分置于采空区，小部分布置 在运输平巷内。充填体取矩形断面，长 2 000 mm， 沿倾斜方向宽 2 000 mm，留巷宽度为 3 500 mm。 充填体由充填袋及注入袋中的高水速凝材料组 成。充填袋由优质风筒布制作而成，形状为矩形， 同时在充填体中置入锚栓，以更好地提高其承载和 抗变形能力。 3. 3充填工艺及设备选型 由于 2313 综采面运输平巷铺设有带式输送机 等大型设备，充填泵站难以布置其中，故将充填泵 站布置在距最远充填点约 1 000 m 的上部车场附 近。因此，2313 工作面运输巷沿空留巷巷旁充填 宜选用长距离水力泵送充填工艺。由于沿空留巷工 作面采高较大，相应充填量也较多，经计算选用输 送流量近 200 L/min 的充填泵可满足要求。YZB － 200/11 液压双液注浆泵主要性能指标如下 最大流量/ Lmin －1 200 压力/MPa 11 输入功率/kW 18. 5 质量/kg 630 充填管路分别由 KJR25 高压胶管和 32 mm 1. 25 英寸无缝钢管组成。输料管路有 2 趟，均 从泵站到充填点，分别输送甲、乙料。为使充填方 便可靠，充填泵与钢管之间以及充填钢管与混合器 间均用高压胶管过渡连接，混浆管采用高压胶管。 胶管与钢管间用快速接头相配合。 3. 4巷旁充填临时支护 留巷前，要在需要架设的巷旁充填体两侧提前 采用 ZX28800/20/32 型沿空留巷专用液压支架进 行护顶，控制煤层顶板，防止顶板垮落，并为支设 充填体模板打好基础。巷旁充填体两侧共采用 5 组 新设计的 ZX28800/20/32 型沿空留巷支架做临时 支护，采空区侧 2 组共 4 架，留巷处 3 组共 6 架。 支架前移时，前后架互为基点 ，“迈步”式带压移 架。每组支架长 4 m 其中排头架长为 5 m ，宽 1. 7 m。支架初撑力不得低于 2 400 kN。沿空留巷 支架距充填体距离不得大于 400 mm，以便充填体 施工。同时，为控制采空区侧煤层顶板冒落，要提 前在架前连好 3 层金属网，金属网规格为 1 m 8 m，长边平行于工作面铺设，互相搭接 500 mm， 短边与巷内金属网连好，采用 14 号铅丝捆绑，间 距 200 mm。并在网下搭接长 3 m 的木板梁，一端 搭接在超前支护铰接梁上，另一端搭接在排头架 上，800 mm 一道，随着工作面的推移及时搭设， 采空区侧及时采用1. 2 m 一字铰接顶梁配合4 m 单 体支柱二梁四柱进行护顶，柱距 800 mm，柱头拴 绳，底板软时穿 “铁柱鞋” ，初撑力不低于 50 kN。 采空区侧单体柱保留 8 d 后方可回柱，使充填体更 好地成型。沿空留巷工作面布置如图 4 所示。 图 4沿空留巷工作面布置示意 3. 5巷旁充填工艺流程 高水材料巷旁充填工艺包括充填泵站与充填点 2 部分。基本工艺流程如图 5 所示。 4矿压观测 在 2313 工作面运输巷沿空留巷期间，沿空留 34 2010 年第 11 期煤 炭 科 学 技 术 第 38 卷 图 5沿空留巷巷旁充填工艺流程 巷段均匀地布置了 4 个测点，测点间距 100 m，第 一个测点位于沿空留巷段里程 50 m 处，每天对各 测点观测 1 次，观测测点处的充填体变形及巷道围 岩变形量。由于篇幅所限，这里只介绍巷道围岩变 形量。留巷的上帮 采空区侧 、下帮侧 煤壁 侧顶底板移近量及两帮移近量的观测结果如图 6 和图 7 所示。 图 6上下帮侧顶底板移近量与工作面距离关系 图 7两帮移近量与距工作面距离关系曲线 从观测结果可以看出在工作面后方 10 m 范 围以内，顶底板移近量及两帮移近量变化都很小。 1020 m 开始逐渐增大，但变化量都不大。过了 20 m 后，两帮和顶底板移近量的增长幅度越来越 大。快速增长一直持续到 50 m 左右，此时上帮顶 底板移近量为 150 mm，下帮顶底板移近量为 98 mm。之后的 5070 m，两帮和顶底板移近量继续 保持增长，但增长变得十分缓慢。到了 70 m 以 后，由于充填体的承载作用，变形进入稳定阶段， 上帮顶底板移近量约 170 mm，下帮顶底板移近量 约 125 mm，两帮移近量不足 150 mm。由此可见， 靠采空区侧的顶底板移近量明显大于靠煤壁侧的， 表明巷道顶板呈现旋转下沉现象。由于充填体早期 强度的迅速发展，从而有效地支撑了巷道上方的顶 板，充分发挥了巷旁支护对顶板支撑的作用，大幅 减少了采动影响下巷道顶底板移近量的急剧增加。 5沿空留巷效果评价 1新型高水速凝材料力学性能良好，有效地 支撑了巷道上方的顶板，充分发挥了巷旁支护对顶 板支撑的作用，大幅减少了巷道支架承受的载荷， 护巷效果显著。 2充填体切顶效果明显。随着充填体的形成 与固化，其支护阻力急剧增加，有效地阻止了顶板 下沉，使得充填体采空区侧的下沉顶板沿充填体边 缘切断。 3充填体隔离采空区的作用效果很好。每个 充填袋之间及充填体与顶板之间的密实性很好，有 效阻止了采空区煤层的自燃和有害气体的溢出。 4研制的 ZX28800/20/32 型沿空留巷专用液 压支架工作阻力达到了 2 400 kN，与单体液压支柱 配合金属铰接顶梁支护相比，大幅提高了支护强 度;专用液压支架移动方便，与人工架设留巷模架 相比，大幅减少了辅助工作时间，在保证工作面实 现多循环的前提下还为高水材料充分凝固提供了足 够的时间。 6社会效益与经济效益分析 高水速凝材料巷旁充填沿空留巷具有以下社会 效益①缓解了煤炭生产中普遍存在的采掘接替紧 张问题 ［2 ］;②提高了煤炭资源采出率，延长了矿 井的服务年限 ［2 ］;③改善了工作面的安全状况; ④缩短了搬家时间，减少了搬家费用和设备搬家损 坏率。高水材料每米巷道用量 2. 36 t，折合 2 004 元;充填袋折合每米 320 元;人工费折合每米 380 元;其他费用折合每米 420 元。则沿空留巷直接成 本为 3 124 元。新掘进一条巷道的综合成本每米为 4 050 元。目前亨健煤矿正在 2205 工作面运输巷继 续实施高水材料沿空留巷技术，该技术将给亨健矿 下转第 96 页 44 2010 年第 11 期煤 炭 科 学 技 术 第 38 卷 带、毛毯、橡胶毯、止血带、固定手臂、腿部的夹 板等。为保障被困人员心理稳定，一些心理压力释 放用品诸如读物、棋、扑克牌以及铅笔、纸等也应 放置于内。 3. 5与外界沟通信息传递 被困人员成功脱险才是救生舱设计的最终目 的，所以舱内通信系统必不可少，通过通信系统与 井上联系，与外界取得联系，一方面可以汇报井下 灾害和舱内情况，另一方面及时引导救援人员准确 定位前来救援，通过自救配合他救才是最重要的。 所以配备先进可靠的通信设备可与地面联络，对于 救援或是灾害的处理等工作具有极其重要的意义。 3. 6日常的维护与保养 为了保证救生舱有效性，必须对其进行日常的 维护与保养，煤矿企业应组织专人或请专门的机构 来定期完成，检查应主要包括以下工作蓄电池的 更换，各种气体浓度探测器的校正，可消耗物如碱 石灰、水、食品的更换，舱体内监控系统的有效工 作，舱体的密闭性检查，空气压缩气体的含量的检 查，舱内及舱外照明与指示设备的检查，以及其他 损坏物的及时更新。 4结语 笔者仅就以上几个主要方面对矿井救生舱的设 计及需要注意的问题做了初步探讨，开发形成一套 具有国际先进水平同时适用于中国煤矿的以救生舱 为主体的矿井应急救援系统，将改变我国煤矿安全 管理方面的不足、标准零散落后和安全系统标准不 接轨的问题，这对于全面提升我国煤矿应急救援方 面的技术水平，保障安全生产具有重要的意义。 参考文献 ［ 1］佚名． 生命呼唤科技 科技护佑生命全国首个新型安全 防护体系示范矿建设在山西潞安集团拉开帷幕 ［N］ ．中国 安全生产报，2010 －03 －13 6 ． ［ 2］矿用可移动式救生舱在山西潞安集团常村煤矿成功下井 ［N］ ． 中国煤炭报，2010 －03 －19 6 ． ［ 3］崔新龙． “矿用可移动式救生舱”研发成功 ［N］ ．山西日 报，2009 －04 －17 1 ． ［ 4］Anon．Strata Safety Emergency Coal Refuge Chamber．［EB/ OL］ ．［2010 － 02 － 28］ ．http/ /www．strataworldwide． com/usa/safety － products/coal － refuge － chamber. htm． ［ 5］Anon． Coal Mine Refuge Chamber Man － Tests ［EB/OL］ ． ［ 2010 － 03 － 12］．http/ /www. usmra. com/refuge_chamber _ questions. htm． ［ 6］Charles Vaught，Erica E Hall，Katherine A Klein． Mine Refuge Chamber Training［ R］ ． AmericaNational Institute for Occupa- tional Safety and Health，2009． ［ 7］刘承秘． 井工煤矿避难舱在美国的研发应用现状 ［J］．中 国煤炭，2009， 35 8 122 －125． ［ 8］高广伟，张禄华． 煤矿井下移动救生舱的设计思路 ［J］ ． 中国安全生产科学技术，2009，5 4 162 －164． 作者简介程健维 1983 － ，男，山西太原人，博士研究 生，研究方向为矿井通风与瓦斯防治。Tel13814432774，E － mail37chengtao163. com 收稿日期2010 －05 －07;责任编辑赵 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 瑞 上接第 44 页 带来很大的经济效益与社会效益。沿空留巷巷旁充 填技术在亨健煤矿 2313 工作面区段运输平巷取得 了圆满成功。该技术不仅缓解了采掘接替紧张状 况，而且可较大幅度地提高矿井资源采出率，延长 矿井服务年限，是保障矿井安全生产和改善矿井技 术经济效果的一项先进的开采工艺。 参考文献 ［ 1］钱鸣高，石平五 . 矿山压力与岩层控制 ［M］． 徐州中国 矿业大学出版社，2003． ［ 2］孙恒虎 . 高水速凝材料及其应用 ［M］ ． 徐州中国矿业大 学出版社，1994． ［ 3］孙恒虎，赵炳利 . 沿空留巷的理论与实践 ［M］ ． 北京煤 炭工业出版社，l993． ［ 4］柏建彪，周华强，侯朝炯，等 . 沿空留巷巷旁支护技术的 发展 ［ J］ ． 中国矿业大学学报，2004，33 4 183 －186． ［ 5］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． ［ 6］张东升，缪协兴，茂献彪 . 综放沿空留巷顶板活动规律的 模拟分析 ［ J］． 中国矿业大学学报，2001，30 3 261 － 264． ［ 7］谢文兵，笪建原，冯光明 . 综放沿空留巷围岩控制机理 ［J］． 中南大学学报自然科学版，2004，35 4 657 － 661． 作者简介布铁勇 1965 － ，男，河北衡水人，硕士研究 生，主要从事充填开采及沿空留巷等采矿工程方面的研究工作。 Tel15852234404，E － mailjkj11111163. com 收稿日期2010 －07 －12;责任编辑曾康生 69