高水巷旁充填沿空留巷技术应用研究.pdf

分类号T D 3 U D C ．．。．．．，．．．．．．．．．．．．．．． 工学硕士学位论文 密级公开 单位代码 Q Q 2 鱼 高水巷旁充填沿空留巷技术应用研究 作者姓名 指导教师 申请学位级别 学科专业 所在单位 授予学位单位 樊彦东 高永格 工学硕士 矿业工程 资源学院 河北工程大学 万方数据 H i l lI l l lI II I I I I II S l l l l l l l l lI II l l Y 2 7 6 8 5 2 2 AD i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt o ’H e b e i U n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g F o rt h eA c a d e m i cD e g r e eo fM a s t e ro f E n g i n e e r i n g O nt h et e c h n i q u em a i n t a i n i n g a l o n gt h e r o a d w a y i nt h eg o a f b yp a c k i n gw i t hh i g h ．w a t e r m a t e r l a l S J ● ■ C a n d i d a t e S u p e r v i s o r A c a d e m i cD e g r e e A p p l i e d f o r S p e c i a l t y C o l l e g e ／D e p a r t m e n t F a nY a n d o n g G a o Y o n g g e M a s t e ro f E n g i n e e r i n g M i n i n gE n g i n e e r i n g C o l l e g eo f R e s o u r c e H e b e i U n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g M a r c h ，2 0 1 5 万方数据 独创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得塑皇鱼三垄 盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 瑟豸承． 签字日期矿‘ 年n ／7 日 ‘ 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑兰垦三壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权塑 兰垦墨堡盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子文档。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 导师签名 磊冢⋯印哆年㈨7 日 另形 签字日期P f 厂年罗 旯I 。| 日 万方数据 摘要 摘要 本文章以云驾岭煤矿1 2 3 0 3 工作面的运输巷为背景，研究了高水巷旁充填沿 空留巷技术的应用。论文采用理论分析和工程实例的方式，对沿空留巷以及巷旁 充填体在不同采掘阶段的受力变化及变形特点进行分析，得出了沿空留巷高水巷 旁充填体位置较为合理的方式及充填体受力特点等规律性的认识。本文采用实验 室实验的方法研究了水灰比为1 ．8 情况下高水材料的初凝时间、强度随养护时间变 化的特点及其破坏特征等特性，实验结论可以为高水材料巷旁充填体尺寸参数的 选取、下区段巷道支护设计等提供参考。最后通过现场实测，对高水巷旁充填体 在工作面回采期间的受力进行实测分析，验证了充填体尺寸参数、巷旁充填体材 料配比选择的合理性，结论为卜区段工作面回采、巷道支护及沿空留巷提供理论 依据。 本文研究表明，高水巷旁充填沿空留巷技术的关键在于巷旁充填体尺寸参数 及充填材料的选取。该技术隔离了采空区的水和矸石，取消了区段煤柱，同时又消 除了煤层自燃的隐患，提高了矿井的经济效益。 关键词高水材料；巷旁充填；沿空留巷充填体尺寸；充填材料 万方数据 A b s t r a c t _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ l ●_ _ _ _ _ _ _ _ _ - ●～- _ _ - _ ●- _ - _ - - - _ _ H _ - _ - _ - - _ - _ _ 一_ _ _ _ _ - _ _ - _ ●_ _ _ ●_ _ _ _ _ _ - - ●一 A b s t r a c t I nt h i s p a p e r , Y u n j i a l i n gm i n e 12 3 0 3 w o r k i n gf a c et r a n s p o r t a t i o nl a n ef o r b a c k g r o u n d ，f i l lt h en e x th i g hR o a d w a ya l o n gg o a ft e c h n o l o g y ．D i s s e r t a t i o n ．t h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n de n g i n e e r i n ge x a m p l e so ft h ew a y , o nt h en e x tl a n ef l l i n gb o d ym a dG o b ．． f o r c ea n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa td i f f e r e n t s t a g e so fm i n i n ga r ea n a l y z e d ， o b t a i n e df o rG o bh i g hw a t e rf i l l i n g b o d yp o s i t i o n a n dam o r er e a s o n a b l ew a y u n d e r s t a n d i n go ft h el a wb yf i l l i n gb o d yc h a r a c t e r i s t i c sa n do t h e rf o r c e s ．L a b o r a t o r y e x p e r i m e n t su s i n gm e t h o d sm a s t e r e dt h em a t e r i a lu n d e rh i 曲w a t e r - c e m e n tr a t i oo f1 ．8 c a s e so fi n i t i a ls e t t i n gt i m e ，s t r e n g t hw i t hc u r i n gt i m e v a r y i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n df a i l u r e c h a r a c t e r i s t i c sa n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sc a nb es e l e c t e dn e x t l a n ef i l l i n gb o d ys i z ep a r a m e t e r s ，t h en e x ta r e ar e f e r e n c es e c t i o nr o a d w a yd e s i g n ． F i n a l l y , f i e l dm e a s u r e m e n t ，f i l l i n gb o d yf o rn e x tl a n ed u r i n gm i n i n gf a c ew e r em e a s u r e d f o r c ea n a l y s i st ov e r i f yt h el a n en e x tt ot h er a t i oo ff i l l i n gm a t e r i a ls e l e c t i o n ，r a t i o n a l i t y s i z ep a r a m e t e r s ，c o n c l u s i o n sf o rt h en e x ts e c t i o no fm i n i n gf a c e ，r o a d w a ya n dp r o v i d ea t h e o r e t i c a lb a s i sf o rG o b ． T h i sp a p e rs h o w st h a t ，b e s i d eh i g hR o a d w a yf i l l i n gk e yf o rG o bt e c h n o l o g yi s c h o s e nl a n eb e s i d ef i l l i n gb o d ys i z ep a r a m e t e r sa n df i l l i n gm a t e r i a l s ．T h et e c h n o l o g y s e c t o rc o a lp i l l a rc a n c e l e d ，i s o l a t i o no fw a t e ra n dw a s t er o c km i n e d o u ta r e a ，w h i l ea l s o e l i m i n a t i n gt h er i s ko fs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nc o a l ，i m p r o v et h ee c o n o m i ce f f i c i e n c y o f t h em i n e K e y w o r d s h i g h w a t e rm a t e r i a l s ；r o a d s i d ep a c k i n g ；g o b s i d ee n t r y r e t a i n i n g ；s i z eo ft h e p a c k ；f i l l i n gm a t e r i a ls t r e n g t h I I 万方数据 目录 摘要⋯- A b s t r a c t 目录 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 问题的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- l 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．4 研究方法与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．4 ．1 论文的研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．4 ．2 论文的研究的技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 第2 章1 2 3 0 3 工作面概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 地质条件概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．21 2 3 0 3 工作面生产技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 第3 章充填工艺选择与充填体基本参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 3 ．1 巷旁充填T 艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 3 ．2 巷旁充填材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 3 ．3 充填体几何形状和尺寸确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 3 ．4 充填体位置的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一，⋯⋯1 2 3 ．5 支护设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 3 ．5 ．1 超前、滞后支护⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 ．5 ．2 待充空间支护⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 ．5 ．3 留巷模板拆除和留巷加固支护⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- 1 5 3 ．5 ．4 巷道扩帮支护⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- 1 5 第4 章巷旁充填体力学性能和稳定性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- 1 7 4 ．1 巷旁充填沿空留巷充填体材料选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 4 ．1 ．1 巷旁支护的主要形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 4 ．1 ．2 巷旁充填体的作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 4 ．1 - 3 巷旁充填体材料选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 4 ．2 实验方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 4 ．2 ．1 不同养护时间对试件强度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- 2 0 万方数据 目录 4 ．2 ．2 不同加载速率对试件强度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 4 ．2 ．3 不同水温对试件强度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- 2 2 4 ．2 。4 现场试件数据分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 4 ．2 ．5 数据处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 4 ．2 ．6 实验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 4 ．3 高水巷旁充填沿空留巷充填体稳定性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 第5 章1 2 3 0 3 工作面矿压观测方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 5 ．1 矿压观测内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 5 ．2 观测仪器设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- 3 0 第6 章1 2 3 0 3 工作面观测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l 6 ．1 巷道锚杆、锚索受力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l 6 ．1 ．11 号测站锚杆锚索受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l 6 ．1 ．22 号测站锚杆锚索受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- - 3 3 6 ．1 ．33 号测站锚杆锚索受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 6 6 ．2 巷道变形观测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 6 ．2 ．11 号测站巷道围岩变形受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 6 ．2 ．22 号测站巷道围岩变形受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 6 ．2 ．3 3 号测站巷道围岩变形受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 6 ．3 钻孔应力计观测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 6 ．3 ．1 1 号测站钻孔应力计受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 6 ．3 ．22 号测站钻孔应力计受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 6 ．3 ．33 号测站钻孔应力计受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 6 ．4 充填体受力观测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 9 6 ．4 ．1l 号测站液压枕受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 6 ．4 ．22 号测站液压枕受力分析 6 ．4 ．33 号测站液压枕受力分析 6 ．4 ．44 号测站液压枕受力分析 6 ．4 ．55 号测站液压枕受力分析 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- - 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 作者简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ - 5 0 5 2 5 3 - 5 5 5 9 - - 6 l 6 3 6 7 万方数据 第1 章绪论 1 ．1 问题的提出 第1 章绪论 在全世界范围内我国是煤炭生产与消费第一大国，能源消费结构中一次性消 费能源，煤炭资源大约占7 5 ％以上，伴随着我国经济的高速发展，煤炭资源作为 主要生产能源占到了极大的比重，因此，在未来一段时期内，中国以煤炭为主要 能源的生产和消费结构不会发生太大改变。目前，我国煤矿中井工开采方式约占 9 4 ％，而在井工开采中，我国煤矿多以先浅部后深部的开拓方式进行开采部署，在 煤矿深部开采中，我们面临很多问题，如冲击地压、水害影响、瓦斯爆炸、地表 沉陷等。煤炭资源作为一次性能源，我们必须要充分利用，使得煤炭资源更持久 的对我国经济发展起到积极作用，因此，合理的开发和有效的利用煤炭资源，避 免煤炭在地表下的浪费成为我们首要解决的问题。 我国是一个多煤少油的国家，煤炭储量极其丰富。在我国现有生产矿井中， 厚煤层占到了很大的比例，并且，在矿井煤炭总储量中，厚煤层的可采储量也占 据了很大的比例。在开采厚煤层时，采用留煤柱护巷方式一般需要留设1 0 ～3 0 m 的煤柱，煤柱的产生造成了煤炭资源的浪费，在某种程度上增加了煤矿生产成本， 同时降低了煤炭采出率。在我国煤矿生产中，区段煤柱损失己高达1 0 ％～3 0 ％。 随着煤矿企业的综合发展和国内外学者的研究与试验，在矿井中采用区段无煤柱 护巷技术对于合理开采中厚煤层及维护巷道起到了积极的作用。 区段无煤柱护巷的原理在于，区段平巷沿着采空区布置，这样可以避开或减 弱固定支承压力的影响，有利于巷道维护并减少了煤炭损失，以提高经济效益。 区段无煤柱护巷分为沿空留巷和沿空掘巷两种方法。 沿空留巷是将回采工作面后方即将报废的回采巷道通过一些技术途径使其保 留下来的一种支护技术。此技术具有煤炭回收率高、巷道掘进率低以及可缓解采 掘接替紧张等诸多优点。传统的留巷方式主要有密集支柱、在巷旁架设木垛、矸 石带或混凝土砌块等，但由于增阻速度、密封性能、支承能力、木材消耗和机械 化程度等方面的原因，在矿井实际应用中仍然存在着许多问题。近些年来，随着 新技术、新材料的出现，采用高水材料进行整体浇注的巷旁充填技术已成为实施 沿空留巷的一种趋势。 采用沿空留巷提高了煤炭的采出率，减少了巷道掘进量，提高了煤矿的 经济效益。沿空留巷适用于煤层地质条件比较好的工作面，但对于构造复杂、巷 万方数据 阿北工程大学硕士学位论文 道应力较大等不利于巷道稳定的条件存在时，使得巷道留设困难，有时甚至需要 重新开掘下区段的回风巷，在以上情况下，沿空留巷的优点就无法体现出来了。 沿空掘巷是区段平巷沿着采空区边缘掘进，利用采空区边缘部压力比较小的 特点，沿着卜覆岩层已垮落并稳定的采空区边缘进行巷道掘进，这有利于区段平 巷在掘进和生产期间的维护。根据上述巷旁充填沿空留巷中存在的一些问题，如 果将高水巷旁整体浇注与沿空留巷结合起来，即高水巷旁充填沿空留巷。使高水 充填体沿着原巷道采空区侧进行灌注，待下区段工作面开采时，继续采用沿空留 巷技术，则可解决上述问题，故巷旁充填体的力学稳定性和沿空留巷的合理时机 是该方法中最需要解决的关键问题。 1 ．2 国内外研究现状 世界一些主要产煤国家对沿空留巷的矿压显现、适用条件、合理支护形式及 新型支护材料等都进行了大量研究，在这方面做得较多的是前苏联、德国、英国、 波兰等国家。 前苏联在现场对许多专门为沿空留巷设计的支架进行了试验，并结合理论分 析和实验室研究进行了各种实测工作，据报导，至1 9 9 3 年，俄罗斯无煤柱开采产 量占8 0 ％，对不同矿区变动在6 0 ％～9 0 ％之间，在各种无煤柱护巷方式中，应用 最广的是沿空留巷，占6 5 ％。 德国无煤柱开采多为沿空留巷，其传统的巷旁支护多采用木垛、矸石带等， 6 0 年代末德国根据本国资源特点，研究成功了采用石膏、飞灰加硅酸盐水泥、矸 石加胶结料等低水材料作为巷旁充填，有效地减少了重型支架和巷道的变形，从 而实现1 4 ～1 8m 2 断面巷道第二次利用，且不需修理，取得了良好经济效益。目 前，该国有1 ／2 ～2 ／3 的沿空留巷采用这项技术。而且，德国在埋深8 0 0 ～1 0 0 0m 的煤层开采中成功地运用了沿空留巷技术，并通过实测得出了预计留巷移近量的 经验公式。 英国煤层普遍较薄，多用沿空留巷，巷旁支护多采用矸石带，并研制出了矸 石带机械化砌筑装置。同时，在提高矸石带强度方面进行了不少探索，研制成功 不同胶结物的胶结矸石带。1 9 7 9 年在井下试验成功了高水材料巷旁充填，随后有 了迅速的发展，高水材料充填己占全英巷旁充填的9 0 ％左右。 波兰无煤柱开采应用较多的是沿空留巷，在前进式或后退式采煤时都用单巷 准备，沿空留巷应用于走向开采或倾斜开采根据备件而定。沿空留巷一般巷内支 护采用金属可缩性支架，巷旁支护使用充填带、矸石带或混凝土墩柱等。 我国沿空留巷发展始于2 0 世纪5 0 年代，首先在一些薄煤层开采中用矸石带 万方数据 第1 章绪论 代替煤柱作为巷旁支护用，如淄博、鸡西、本溪、双鸭山、枣庄、峰峰等矿区薄 煤层中都有应用。但由于矸石的沉缩量大，不能与巷内支架相匹配，使得巷内支 架变形严重，维护工作量大，并没有形成完整和系统的无煤柱开采技术体系。 2 0 世纪6 0 、7 0 年代在中厚煤层应用密集支柱、木垛、砌块等作为巷旁支护取 得一定成效，但这些方法又各有优缺点。例如，平顶山一矿在丁组中厚煤层，沿 空留巷采用密集支柱及抬棚作巷旁支护，巷内支架应用工字钢打立柱加强支护试 验取得成功。此阶段沿空留巷的研究是以实测为基础的宏观规律描述阶段，主要 是在现场实测沿空留巷围岩变形，支架载荷和与回采工作面距离关系的基础上， 根据实测曲线从宏观角度描述具体地质条件F 沿空留巷的矿压显现规律。该阶段 的主要成果是，比较正确地描述厂沿空留巷的若干矿压显现规律，总结出了当时 在项板中等稳定、底鼓不严重的薄及中厚水平煤层及缓斜煤层条件适用的沿空留 巷开采技术。其缺陷是，尚不能正确预测不同地质条件下沿空留巷的矿压显现特 征，当条件改变时，就需要重新试验，形成了试而再试的经验研究模式，使沿空 留巷中的很多基本问题都未得到解决。 在2 0 世纪8 0 年代，随着我国煤矿大力推行综合机械化采煤后，随着采高不 断增大、工作面推进加快、巷道顶底移近量增大，我国煤矿工作者在引进、吸收 国外的巷旁充填技术的同时，发展了高水巷旁充填护巷技术。但高水充填材料强 度低、强度增加慢、易风化碎裂，墙体难以承受采动引起的动压影响，巷道难以 维护。高水充填材料的性能差加之充填速度无法紧跟快速推进的工作面，不能实 现与高产工作面同步推进，因此，此项技术的应用受到了很大的制约。 2 0 世纪9 0 年代以来，我国有些学者在厚煤层综放工作面进行了一些沿空留巷 研究，如潞安矿务局常村煤矿综放工作面，巷内采用锚梁网索联合支护，巷旁支 护采用高水材料充填加空间锚栓加固技术，成功地进行了综放大断面沿空留巷试 验。 1 ．3 主要研究内容 本论文以高水巷旁充填体为研究对象，针对充填体受力变形规律，通过搜集 分析大量资料，采用理论分析、实验室实验和现场实测相结合的方法对高水材料 特性、巷旁充填体受力特点、充填体尺寸参数设计、沿空留巷围岩的稳定性等进 行深入系统的研究与分析，具体研究内容如下 1 理论分析充填体基本参数对充填体稳定性的影响。 2 采用实验室实验的方法研究高水材料的初凝时间、强度随养护时间变化 特点及破坏特征等特性，为巷旁充填体材料和尺寸参数的选取提供依据。 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 3 通过对云驾岭煤矿1 2 3 0 3 工作面高水巷旁充填体进行矿压观测；研究巷 旁充填体在工作面回采期间的稳定性。 1 ．4 研究方法与技术路线 1 ．4 ．1 论文的研究方法 根据以上研究内容，本论文通过理论分析、实验室力学实验和现场实测这三 个方面展开进行。 1 理论分析，充填体基本参数的确定，从而为高水巷旁充填沿空留巷技术 提供理论支撑。 2 开展高水材料力学性能实验研究，能够掌握高水材料的基本力学特性包 括初凝时间、单轴抗压强度和破坏形式等，从而为巷旁充填材料选择和合理尺寸 参数选取提供指导。 3 现场实测，为研究和验证论文中的成果，在邯郸矿业集团云驾岭煤矿对 1 2 3 0 3 工作面充填体受力及巷道围压和变形进行现场实测，利用实测数据对充填体 上覆岩层活动规律进行分析，一方面可以验证充填体尺寸的合理性，另一方面可 以为下区段工作面的采掘中巷道支护提供理论依据。 1 ．4 ．2 论文的研究的技术路线 首先进行资料的收集，阅读分析，具体路线如图1 ．1 所示 4 万方数据 第l 章绪论 图1 - 1 技术路线图 F i g ．1 - 1 T h et e c h n o l o g yR o a d m a p 5 ] ，f、 万方数据 河北I 程大学硕士学位论文 6 万方数据 第2 章1 2 3 0 3 工作面概况 2 ．1 地质条件概况 第2 章1 2 3 0 3 工作面概况 1 2 3 0 3 运巷所在位置平均埋深约5 5 0 m ，平面位置如图2 ．1 所示。本区域为一 单斜构造，工作面煤岩层走向为N E 、其倾向为S E ，煤岩层倾角1 1 ～2 3 。，平均 1 7 。，总体趋势上工作面倾角变化较小，煤岩层倾角较稳定。 i g ．2 - 1 T h ee n t i t yc o a lw o r k i n gf a c ea n d “O ’’t y p eo v e r l y i n gs t r a t a s p a t i a ls t r u c t u r ed i a g r a m 1 2 3 0 3 工作面开采2 ≠} 煤，根据工作面掘进巷道及邻近巷道、钻孔揭露煤层情 况，工作面煤层赋存较稳定，煤层厚度在3 ．0 7 ～5 ．1 3 m 之间，平均4 ．1 m ，煤层结 构中下部夹一层0 ．2 0 0 ．3 0 m 平均0 ．2 5 m 厚的粉砂岩夹矸。煤层结构3 ．0 0 0 ．2 5 0 ．8 5 m 。 根据区内钻孔6 5 0 8 、6 5 0 9 、6 6 1 1 等钻孔资料，直接顶以中、细砂岩岩组为主， 局部见粉砂岩、泥岩岩组，局部为岩浆岩，厚2 ．4 6 ～1 5 ．0 5 m 。砂岩岩组的抗压试 验强度为5 5 ．5 ～8 7 ．2 M p a ，强度指数为3 6 ～7 5 M p a ，属较稳定～稳定岩体；粉砂岩、 泥岩岩组强度指数为2 4 ～6 0 M p a ，属较稳定～稳定岩体。 直接底板以粉砂岩泥岩岩组为主，局部为中、细砂岩岩组，偶见有泥岩、炭 质泥岩伪底；中、细砂岩岩组抗压强度4 3 ．6 5 ～5 5 ．5 M p a ，强度指数为4 0 ～6 0 M p a ， 局部大于6 0 M p a ，属较稳定～稳定岩体。粉砂岩泥岩岩组强度指数局部小于3 0 M p a ， 属不稳定～较稳定岩体。 图啪∞一压巷平面位置图 万方数据 河北【程大学硕f - “Z ’- 位论文 2 ．2 12 3 0 3 工作面生产技术条件 1 2 3 0 3 工作面采用综采一次采全高回采工艺，主要设备如表2 1 所示。 表2 - 11 2 3 0 3 工作面主要设备名称 T a b l e2 1l2 3 0 3F a c em a i nd e v i c en a m e 工作面上下平巷均采用锚 索 网 w 钢带联合支护。 顶板支护采用“锚网 小孔径预应力锚索补强”联合支护的锚杆支护形式。 见图2 2 所示。 图2 - 21 2 3 0 3 运巷支护断面图 F i g u r e 2 2 1 2 3 0 3t r a n s p o r t a t i o nr o a d w a ys u p p o r tc r o s s s e c t i o n a lv i e w 万方数据 第3 章充填工艺选择与充填体基本参数确定 第3 章充填工艺选择与充填体基本参数确定 3 ．1 巷旁充填工艺 根据材料输送形式的不同，机械化构筑巷旁充填带工艺分为两类，即风力输 送与水力泵送。风力输送距离短，一般只有1 0 0 ～2 0 0 m ，该法劳动强度大，工作环 境较差，且因水料混合是在充填点进行，水量控制较困难，往往造成固结体强度 高低不一，影响整体浇筑效果。水力泵送与风力输送相比有许多优点，见表3 ．1 。 水力泵送设备生产厂家早期有镇江江城注浆设备有限公司、石家庄煤矿机械厂、 宜兴煤矿专用设备厂以及镇江煤矿专用设备厂等。目前以镇江江城注浆设备有限 公司生产的该类设备应用较广，用于双液充填的泵性能指标见表3 1 ，3 2 。 表3 一l 风力输送与水力泵送比较 T a b l e3 - 1 C o m p a r i s o no fw i n dp u m p i n gw a t e rt r a n s p o r t 表3 - 2 双液充填泵性能指标 坐 皇 兰曼旦竺坠 曼 旦幽堑 巫巴坐旦2 1 生婴 望堡 型号 最大流量L ／m i n压力M P a输入功率k w 质量k g 备注 一篓要旦双液变量注浆蠢 2 0 01 03 75 7 0 四档变速 2 Z B S B ．2 0 0 - 2 0 ／5 M5 ．3 7 1 2 3 0 3 运巷铺设胶带输送机等运输设备，充填泵站难以布置其中，因此选择长 距离水力泵送充填工艺。三采区行人运输巷，巷道断面宽高 4 ．2 2 ．8 m ，长度 1 0 0 m ，满足充填设备布置和充填物料存放要求；我矿1 2 8 0 2 运巷充填泵送最远距 离达2 2 0 0 m ，三采区行人运输巷距离充填点最长距离约1 6 0 0 m ，小于我矿充填泵 的最长输送距离。将泵站布置在三采区行人运输巷可以实现工作面生产和充填工 序互不影响。 3 ．2 巷旁充填材料 巷旁充填材料性能高低在沿空留巷巷旁充填中具有非常蕈要的作用，它往往 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 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 有支护强度高、速凝且早强，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。巷旁充填体的强度高低直接影响沿空留巷围岩的稳定性。构筑 的充填体应能及时提供足够的支护强度，以控制上位岩层相互间不致于有大的离 层，并使直接顶与部分老项在回转的过程中得到断裂，有效地减少顶板下沉量与 作用在巷内支架上的载荷，为留巷成功提供保证。 本次沿空留巷采用Z K D 型高水速凝充填材料，该材料由甲料、乙料两种组分 构成。甲、乙料以重量比1 l 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。Z K D 型高水速凝充填材料性能町根据具体条件进行配制与调整。 表3 3 为Z K D 型高水速凝充填材料下实验室测得的性能指标平均值。 表3 3 高水速凝材料基本性能 水灰比1 1 ．6 2 抗压强度 M P a 初凝时间／m i n 水泥方孔筛余 2 h2 4 h7 d2 8 d 8 ～3 0 8 ％ 芝1 ．8 3 ．97 ～89 ～l O 我矿1 2 8 0 3 运巷留巷充填采用的高水充填材料，经过工程实践对高水充填材 料的凝固时间、强度和施工工艺有着很好的基础。 3 ．3充填体几何形状和尺寸确定 根据1 2 3 0 3 工作面生产技术条件和劳动组织，工作面实行“三八”制，两班 生产、‘班检修，每班推进0 ．7 1 ．4 m ，每天可推进1 ．4 ～2 ．8 m ，由于充填袋是柔性的， 过大的充填袋不利于操作，也不利用生产组织，因此充填袋能满足每天推进度即 可，设计充填袋有2 1 0 0 m m 和2 8 0 0 m m 两种规格，根据每天的推进度选择合适的 充填袋。 掘进巷道揭露煤层厚度3 ．0 7 ～5 ．1 3 m ，平均4 ．1 m ，考虑巷道受采动影响，根据 本煤层矿压监测数据，巷道顶底板有2 0 0 m m 变形量，所以确定充填体高度不宜大 于3 ．9 m ；由于充填体两侧需要打设爪点柱进行支护，副井正常回料最大长度4 ．0 m ， 决定充填体高度不得大于4 ．0 m ；工作面采用D Z 2 5 3 5 的单体柱最大支护高度3 ．5 m ， 加上米梁的厚度，其支护高度为3 ．7 m 。综合以上三种因素考虑，确定充填袋的中 高为3 ．7 m 。 说明充填体下部为煤，充填体尽量贴顶，能够及时给予顶板有力支撑，由 于煤层厚度变化较大，充填体的高度根据煤层厚度进行适当的调整，但充填体最 大高度不得大于4 ．0 m 。 1 0 万方数据 第3 章充填工艺选择与充填体基本参数确定 确保充填体上方顶板的稳定及完整是沿空留巷巷旁充填技术成功的关键，为 防止巷道围岩变形，充填体的强度和几何尺寸必须满足使用的要求，由于充填材 料已选择，充填长度已确定 取2 ．1 m ，高度已确定 取3 ．7 m ，所以合理设计 充填体的宽度对于沿空留巷的成功至关重要。 沿空留巷充填体的工作阻力静载荷计算公式3 1 如下 七一1 日1 ●一 B2 3 ．1 式中Y 一岩石平均容重，取2 ．5 t ／m 3 m 一煤层厚度，取4 ．1 m 。 k 一冒落岩石的碎涨系数 1 ．2 5 ～1 ．5 取1 ．2 5 。 B 1 一巷道煤帮到切顶线的悬顶宽度，为B 2 与沿空充填体宽度的1 ．2 倍。 B 2 一留巷宽度取3 ．5 m 。 经计算得出P 值约为9 0 t ／m 2 约为0 ．9 M p a ，考虑到老顶来压时下位岩层及 充填体的动载系数为静载荷的2 - 6 倍，为1 ．2 ～5 ．4 M p a 。2 天后高水充填材料的强度 为5 ．8 M p a ，满足使用要求，充填体宽度3 ．5 m 时可以支撑岩层和充填体的动载系数。 几何尺寸充填体断面形状为斜梯形，底边宽3 2 2 0 m m ，上边宽2 5 0 0 m m ，两腰高 分别为3 2 0 0 m m 和4 0 0 0 m m 。如图3 ．1 所示 图3 ．1 充填体尺寸 F i g u r e3 - 1F i l l i n gS i z e 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 3 ．4 充填体位置的确定 留巷最小断面应满足下个工作面轨道运输和通风要求。根据煤矿巷道交岔 点和断面设计规范要求铺设轨道巷道断面最小断面运输最大件宽度1 5 0 0 m ， 安全间隙共1 0 0 0 m m 两侧各5 0 0 m m ，预计巷道变形量1 0 0 0 m m ，巷道宽度为 3 5 0 0 m m ，根据留巷上帮高度 3 2 0 0 m 和煤层倾角 1 7 。 ，计算得出巷道中高 为2 6 6 0 m ，所以留巷断面宽高 3 5 0 0 2 6 6