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硕士学位论文 新安矿粉煤灰高水材料 巷旁充填支护技术研究 XINAN MINE ASHHIGH WATER MATTERIAL PACKING AT SIDES OF ROADWAY SUPPORTING TECHNOLOGY RESEARCH 作 者王伟渊 导 师李凤义 教授 黑龙江科技大学 二○一四年六月 万方数据 中图分类号 学校代码 UDC 密 级 黑龙江科技大学 硕士学位论文 新安矿粉煤灰高水材料 巷旁充填支护技术研究 XINAN MINE ASHHIGH WATER MATTERIAL PACKING AT SIDES OF ROADWAY SUPPORTING TECHNOLOGY RESEARCH 作 者 王伟渊 导 师 李凤义 申请学位 工学硕士 培养单位 安全工程学院 学科专业 安全技术及工程 研究方向 采动围岩灾变及控制 答辩委员会主席 孙登林 评 阅 人 二○一四年六月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解黑龙江科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人 所撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学 位论文的部分使用权，即①学校档案室和图书馆有权保留学位论文的纸质版 和电子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为 教学和科研目的， 学校档案室和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案 室、图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规， 同意中国国家图书馆保存研究生学位论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的 内容相一致，论文的公布（包括刊登）授权黑龙江科技大学研究生学院办理。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 53 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文新安矿粉煤灰高水材料巷旁充填支 护技术研究 ，是我个人在导师指导下，在黑龙江科技大学攻读学位期间进行 的研究工作所取得的成果。据我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得黑 龙江科技大学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 出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。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 年 月 日 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生 王伟渊 在规定的修业年限内，按照研究生培养方案的 要求，完成了研究生课程和其他培养环节的学习，成绩合格；在我 的指导下独立完成本学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表 述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将 本论文作为学位申请论文送专家评审。 导师签名 年 月 日 万方数据 致致 谢谢 本论文是在导师李凤义教授的悉心指导下完成的。从论文的选题、调研、 理论分析、现场工程实践到论文的完成、修改、定稿,导师都提出了很多宝贵 的建议，并且倾注了大量的心血和汗水。在三年的硕士研究生学习期间，导师 渊博的知识、严谨求实的治学态度，真诚坦荡的为人，以及无微不至的人文关 怀都将对我以后的求学、工作与生活，产生深远的影响。值此论文完成之际， 感谢导师对学生的关怀以及帮助，并向尊敬的导师致以崇高的敬意 衷心感谢安全工程学院的吴强教授、孙登林教授、张国华教授、孙建华教 授、秦宪礼教授、张保勇副教授、张迎新副教授和徐锋副教授等各位老师，感 谢研究生学院的各位老师，感谢读研期间给我授课的所有老师对我的教导、关 心和帮助 衷心感谢双鸭山矿务局副总刘钦德、新安煤矿总工刘洪全、一区技术主任 李海军等领导在资料搜集、工业试验过程中给予的支持和帮助。 感谢我的师兄王维维、单麒源、陈维新、刘世明，同学王显瑞、牛志祥、 高珂珂以及所有的师弟们，感谢研究生班级的同学们在我做论文期间提出的宝 贵意见以及三年来对我的学习和生活给予的关心和帮助 感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，各 位学者的研究成果给予了我很大的帮助和启发。 最后对我的父母、姐姐和女朋友邱曼颖说声谢谢。他们给予了我无私的关 爱和精神上的支持，他们是我所有动力的源泉，在学习上帮助我克服困难，在 生活上提供最好的物质保障，使我能够以良好的状态面对每一个学习上的难 题，保持积极的心态完成学业。 万方数据 I 摘摘 要要 煤矿井工开采实施沿空留巷巷旁充填是实现减少预留煤柱、防止采空区发 火、解决工作面瓦斯超限、采区 Y 型通风，少掘巷道、提高煤炭回采率、延长 矿井服务年限的最有效技术手段。本文以粉煤灰高水材料为充填材料，结合 双鸭山新安煤矿八采综三工作面地质条件，综合运用理论分析、实验室试验、 地面模拟试验、工业性试验及现场实测等方法，确定了新安煤矿的沿空留巷支 护参数， 设计了适用于新安煤矿的巷旁充填工艺、 布置了合理的巷旁充填系统， 并在双鸭山新安煤矿综三工作面进行现场工业试验。结果表明充填体可以实 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，能有效阻止有害气体溢出。 主要研究成果如下 1.通过归纳整理矿井地质条件、生产情况和试验工作面概况，明确了试验 矿井的矿井概况及地质条件和试验工作面沿空留巷的条件，总结了试验工作面 沿空留巷特点，选择了试验工作面沿空留巷实施的方法； 2.有效利用龙煤双鸭山分公司矸石电厂粉煤灰，找到适于新安煤矿井下沿 空留巷的粉煤灰高水材料配比； 3.根据沿空留巷围岩控制机理，结合新安煤矿综三工作面现场实际情况， 设计了充填工艺和充填系统； 4.通过进行现场工业试验，留巷效果明显，该研究为类似条件矿井沿空留 巷巷旁充填提供了借鉴。 该论文有图 28 幅，表 20 个，参考文献 55 篇。 关键词关键词粉煤灰高水材料；材料配比；充填系统及充填工艺 万方数据 II Abstract Backfilling the goaf-side entry retaining is Achieve cancel reservation pillar to prevent goaf angry resolve face gas gauge, Y- mining area to achieve ventilation , less excavation roadway, improve coal recovery rate and prolong the service life of the mine the most effective techniques. The design for the suitable Yu Xinan coal lane-filling process has been made. According to the control mechanism of the surrounding rock along the goaf-side entry and the geological conditions in Zongsan working face of Shuangyashan Xinan coal mine, laboratory experiment, ground simulation experiment, industrial test and field measurement are applied to determine the supporting parameters of Xinan coal mine in this porcess. The newly designed coal lane-filling process has been tested in Zongsan working face of Shuangyashan Xinan coal mine. The result shows top filling body can reach the roof automatically, effectively prevent the deation of roof， the strength rises fast to a stable value as time increases,which has good impermeability, effectively prevent the harmful gas overflowing. The main research results are as follows 1. Through the analysis of the occurrence of coal seam in the mine and The production situation, our research clarifies the Test working face along the empty left lane conditions, summarizes test working face along the empty left lane,and selects s on the implementation of test working face along the empty left lane; 2. For the effective use of The dragon coal gangue power plant of shuangyashan brancha coal fly ash, a suitable ratio of Xinan coal mine - high water materials along the empty left lane of the fly ash has been found; 3. According to the Along the empty left lane surrounding rock control mechanism and the working conditions of zongsan working face of The scene actual situation, new backfilling process and system has been designed; 4. Via the industrial site test, entry retaining effect obvious,This research provides reference for other similar coal mining backfilling goaf-side entry situations. Keywords fly ashhigh water material; material ratio; Filling system and filling process. 万方数据 III 目目 录录 摘摘 要要 .......................................................................................................... I I 目目 录录 ...................................................................................................... IIIIII 1 1 绪论绪论 .......................................................................................................... 1 1 1.1 研究目的及意义 ................................................ 1 1.2 国内外沿空留巷技术的发展现状 .................................. 2 1.2.1 国外发展现状 ......................................................... 2 1.2.2 国内发展现状 ......................................................... 3 1.2.3 我国沿空留巷现存的技术难题 ........................................... 4 1.3 研究内容和技术路线 ............................................ 6 1.3.1 论文研究内容 ......................................................... 6 1.3.2 论文技术路线 ......................................................... 6 1.4 创新点 ........................................................ 6 2 2 沿空留巷巷旁支护研究沿空留巷巷旁支护研究 ............................................................................ 8 8 2.1 巷旁支护形式分析 .............................................. 8 2.1.1 木垛巷旁支护 ......................................................... 8 2.1.2 矸石条带、料石垛巷旁支护 ............................................. 9 2.1.3 混凝土砌块巷旁支护 ................................................... 9 2.1.4 硬石膏、高水材料巷旁充填支护 ......................................... 9 2.1.5 粉煤灰高水材料巷旁充填支护 ........................................ 10 2.2 巷旁支护设计 ................................................. 10 2.2.1 八采综三工作面巷旁支护强度 .......................................... 10 2.2.2 沿空留巷巷旁支护参数设计 ............................................ 11 2.3 沿空留巷顶板支护 ............................................. 12 2.4 本章小结 ..................................................... 13 3 3 粉煤灰基胶结充填材料试验粉煤灰基胶结充填材料试验 .................................................................... 1515 3.1 充填材料 ..................................................... 15 3.1.1 材料选择 ............................................................ 15 3.1.2 材料配比原则 ........................................................ 19 3.2 粉煤灰的分类及活化方法 ....................................... 19 万方数据 IV 3.2.1 粉煤灰的分类 ........................................................ 19 3.2.2 粉煤灰的活性来源 .................................................... 20 3.2.3 粉煤灰的活化方法 .................................................... 21 3.3 粉煤灰-高水材料试验研究 ...................................... 22 3.3.1 实验目的及步骤 ...................................................... 22 3.3.2 原材料检验及试验方案 ................................................ 25 3.3.3 实验过程及结果分析 .................................................. 26 3.3.4 充填体材料力学性能 .................................................. 29 3.3.5 充填体力学性能影响因素 .............................................. 31 3.4 本章小结 ..................................................... 33 4 4 粉煤灰粉煤灰高水材料沿空留巷巷旁充填系统及工艺高水材料沿空留巷巷旁充填系统及工艺 .................................... 3434 4.1 充填系统 ..................................................... 34 4.1.1 制浆系统 ............................................................ 34 4.1.2 泵送系统 ............................................................ 35 4.1.3 工作面充填系统 ...................................................... 36 4.2 地面模拟试验 ................................................. 37 4.3 充填工艺 ..................................................... 38 4.4 本章小结 ..................................................... 39 5 5 新安煤矿工业试验新安煤矿工业试验 .................................................................................. 4040 5.1 矿井地质条件、生产情况以及试验工作面概况 ..................... 40 5.1.1 矿井概况及地质条件 .................................................. 42 5.1.2 矿井生产系统布置 .................................................... 42 5.1.3 试验工作面概况 ...................................................... 42 5.2 充填工业试验 ................................................. 40 5.2.1 材料用量计算 ........................................................ 42 5.2.2 作业组织与人员分配 .................................................. 43 5.2.3 充填架构 ............................................................ 43 5.2.4 系统测试 ............................................................ 44 5.2.5 制浆和泵送 .......................................................... 44 5.2.6 系统清洗 ............................................................ 45 5.3 实施效果分析 ................................................. 45 5.3.1 经济效益分析 ........................................................ 45 万方数据 V 5.3.2 巷道围岩变形监测 .................................................... 45 5.4 本章小结 ..................................................... 46 6 6 结论与展望结论与展望 ............................................................................................ 4848 6.1 结论 ......................................................... 48 6.2 论文不足与展望 ............................................... 48 参考文献参考文献 .................................................................................................... 4949 作者简历作者简历 .................................................................................................... 5252 万方数据 1 绪论 1 1 1 绪论绪论 1.1 研究目的及意义 沿空留巷是指在上区段采过后，通过一定的技术手段，将上区段工作面运 输巷保留下来，用作下区段回采时的回风平巷 [1]。沿空留巷不仅实现了在技术 上取消预留煤柱、防止采空区发火、解决工作面瓦斯超限、实现采区 Y 型通风 等问题，而且在经济上减少了巷道掘进量、提高煤炭回采率、延长矿井服务年 限 [2]。综合现有多种无煤柱开采方法可知，沿空留巷技术一般能提高 15～20 的采区回采率， 有些矿井甚至可达 25～35， 如河南煤化工集团焦作九里山矿 采用沿空留巷技术不但使采区回采率由 65提高到 80；而且使巷道掘进率由 36降低到 24，有些矿井降幅更是高达 43以上 [3]。 虽然沿空留巷技术的优点非常明显，但由于矿井支护中存在的大量不确定 性因素，尤其是围岩力学参数的变异性，造成沿空留巷技术在我国并没有得到 很好的推广应用。采用浮煤装袋堆砌巷旁支护，由于浮煤的孔隙率大且不易压 实， 无法及时提供足够的顶板初撑力， 导致沿空留巷巷道围岩不稳定， 易损坏； 采用矸石带巷旁支护，很难解决矸石带接顶和矸石之间的缝隙问题，造成采空 区有毒有害气体泄漏到巷道内引起采空区煤的自燃，同时矸石带留巷又会给井 下带来运输困难；采用高水材料进行沿空留巷，虽然充填体能很好接顶且强度 也能满足支护需要，但是高水材料价格昂贵，且其双管路充填系统和工艺复杂 [4]，在经济上又不适于煤矿大规模推广应用。 根据公开资料显示，双鸭山新安煤矿矿井总储量为 22546.2 万吨，可采储 量为 11336.0 万吨，采区回采率为 85％，2006 年 7 月按照矿区总体设计方 案书中所确定的原则，黑龙江省煤炭工业协会技术委员会决定将矿井的生产 能力扩大到 210wt/a，矿井的剩余服务年限为 38.56a。由此可见，通过实施沿 空留巷提高煤炭的回采率帮助新安煤矿延长服务年限， 维持矿区社会经济可持 续发展已成为新安矿必须面对的问题。 黑龙江科技大学粉煤灰高水材料项目科研团队在七台河桃山煤矿九采 三井采空区充填工业试验的基础上，选用龙煤双鸭山分公司矸石电厂粉煤灰并 研发出适用于新安煤矿的粉煤灰高水材料，结合双鸭山新安煤矿地质条件和 八采综三工作面概况，设计出适用于新安煤矿井下沿空留巷的充填工艺，根据 充填工艺布置井下充填系统，并进行地面模拟试验和井下工作面现场工业试 验。结果证明充填条带密实性较好，能有效地阻止有害气体溢出，充填体主 万方数据 研究学位论文 2 动接顶， 充填体强度能够有效地支撑顶板， 控制围岩变形， 取代预留保安煤柱， 延长新安矿服务年限 [5]。 同时该技术也是矿山进行采煤方法改革的最有效途径， 其在技术优势和经济效益方面表现出的优越性越来越凸显 [6]。 1.2 国内外沿空留巷技术的发展现状 1.2.1 国外发展现状 1982 年英国教授斯麦脱（smart）提出巷旁支护对巷道基本顶起主要控制 作用的“岩梁倾斜理论” [7]，斯麦脱（smart）教授认为在设计巷旁支护阻力和 计算巷旁充填体可缩量的时候可以通过控制顶板下沉量的方式作为其理论依 据。 世界上一些主要产煤大国为了达到少掘巷道、增加煤炭资源回收率、提高 经济效益的目的，往往都会通过采用“Z”形往复式开采法以取消预留保安煤 柱，实现无煤柱开采 [8]。前苏联、德国、英国、澳大利亚、巴西等国家[9]在沿 空留巷的支护形式、支护材料性能、矿压显现和适用赋存煤层条件等方面都做 了大量的研究工作 [10]，取得了一定的研究成果。其中前苏联从理论上提出将沿 空留巷技术应用在各类顶板条件下的可行性 [11],并通过工程实践推导出理论计 算方法和经验公式确定留巷的相关参数；在实际应用中，对不同采深和岩性沿 空留巷的顶板移近量进行了研究和实测 [12]，其结果与理论计算基本相符。 德国无论是在采煤理论还是在采煤技术上一直都走在世界的前沿，除此之 外，德国还拥有世界上最先进和最精良的的采煤机械设备，如今在德国煤矿沿 空留巷已成为其生产工序中不可或缺的流程。通过沿空留巷技术的应用 [13]，不 管是普通的回采，还是大断面的工作面切眼，都可以将巷道保留下来，留作他 用。德国煤矿最初采用的也是木垛、矸石带巷旁支护。至 60 年代末，德国研 发出以粉煤灰、石膏、硅酸盐水泥外加胶结料的低水材料并成功地用作巷旁充 填支护，其不但在技术上实现了有效控制巷道变形、大断面巷道的二次利用， 在经济上也取得了较为明显的效益。特别需要指出的是，德国还将沿空留巷技 术成功地应用在埋深 800～1000m 的深井煤层中，并通过长期地跟踪实测推导 出预留巷道的顶板移近量经验公式 [14]。德国采用工作面后退式回采沿空留巷布 置，即边采边充，采后留巷，留作他用 [15]。 英国由于地质条件的不同，其赋存煤层多为薄煤层，最初多采用矸石带沿 空留巷用作巷旁支护，在此基础上，开发出矸石带巷旁充填系统，同时，考虑 到矸石带无法及时压实以提供顶板初撑力，研制出具有高密实性的胶结矸石带 万方数据 1 绪论 3 [16]，通过工业试验并获得了较好的支护效果，随后规模推广，现已占到全英巷 旁充填的 70％以上。此外，澳大利亚、巴西等国也多采用沿空留巷无煤柱开采 技术，其支护形式一般采用金属可缩性支架巷内支护，木垛、矸石带或充填 带巷旁支护 [17-18]。 1.2.2 国内发展现状 上世纪 50 年代沿空留巷技术开始引入我国，沿空留巷最初多采用木垛、 矸石条带巷旁支护，由于其可缩性大、稳定性差、劳动强度大等因素再加上应 用范围通常只适用于煤厚 1.5m 以下的煤层，因此其应用受到了极大的限制。 至 70 年代，沿空留巷开始采用混凝土砌块用作巷旁支护，一般应用于煤厚 1.5～2.5m 的中厚煤层，实施效果较好。到 80 年代，综采技术已得到了大量的 推广，随之采高也不断地增高，由于沿空留巷技术本身的一些不完善性加之巷 内支护的被动支护性，使得沿空留巷技术一时难以适应大断面巷道留巷的要 求，由此，沿空留巷技术陷入了短暂的低谷时期。到 90 年代初，经过十多年 的探索，通过引进、消化、吸收和适应，我国在充填材料的研发和充填设备的 设计上已取得了长足的发展。由中国矿业大学研发的高水充填材料、设计的充 填工艺及配备的充填系统通过淮北矿务局、平顶山矿务局的工业试验，高水材 料巷旁充填体能够实现主动接顶，有效支撑顶板，控制巷道围岩变形。其自身 具有的快凝、高强、密实等优点，解决了沿空留巷技术在应用方面的诸多关键 问题 [19]。不同等级围岩条件对应的沿空留巷巷旁支护形式一览表如表 1-1。 表 1-1.围岩分类及相应的巷旁支护形式 Tab1-1. Rock classification and appropriate care in the of offshoot Lane 顶板分类 采高 巷旁支护方式 I 级 I 类至Ⅲ级Ⅲ类 3.0 高水材料充填 I 级 I 类至Ⅲ级Ⅲ类 3.0 高水灰渣充填 I 级 I 类至Ⅱ级Ⅱ类 2.5 水密集支柱 I 级 I 类至Ⅲ级Ⅲ类 2.0 金属摩擦支柱 I 级 I 类至Ⅲ级Ⅲ类 3.0 混凝土砌块墙 Ⅳ级Ⅳ类 1.5 木垛 Ⅳ级Ⅳ类 1.5 矸石带 目前，沿空留巷技术在条件较好的薄及中厚煤层的应用已比较成熟，但在 条件困难的厚煤层以及大断面煤层巷道中仍无法顺利实施，而目前我国煤矿情 况是采深不断加深，开采条件更加困难，使得现有沿空留巷技术在我国无法大 万方数据 研究学位论文 4 规模推广应用 [20]。 孙恒虎教授在结合煤层顶板特征和弹塑性力学原理的基础上，提出了长壁 工作面沿空留巷的矩形“叠加层板”理论 [21]，该理论认为沿空留巷支护载荷大 小主要是由其短支承边界的载荷大小决定。 郭育光 [22]教授从支护体材料性能和支护方式入手，提出巷旁充填体支护应 具有快凝、 快硬、 早强以及密实性好等特点， 支护体应紧挨巷道两帮充填砌筑， 充填体应可以主动接顶，有效支撑顶板，控制巷道围岩变形。他还根据充填体 在不同平衡条件下的承载情形推导出相应的巷旁支护阻力计算公式。 李化敏教授 [23]通过长期的理论研究和工程实践提出沿空留巷期间，顶板运 动分为前期活动、过渡期活动和后期活动三个时期，对应的变形特征依次为旋 转变形，变形速度更快、变形量更大的旋转变形以及平行下沉。根据沿空留巷 顶板与充填体相互作用机理，明确充填体在沿空留巷各个时期所承受的支护阻 力，并建立了具有相应压缩量和合理支护阻力的数学模型。 谢文兵教授 [24]根据综放沿空留巷顶板围岩的移动规律，通过岩层断裂和垮 落数值分析软件建立相应的数学模型，通过模拟实验得出在保证顶煤及顶板稳 定的前提下，只要充填方式合理、充填体强度能够满足支护需要，沿空留巷的 效果就会显现出来。 华心祝教授 [25，26]认为可以通过主动的巷旁加强支护（如巷旁锚索加强支 护） ，提高顶板岩层的自我承载能力，建立了巷帮煤体承载和巷旁锚索加强支 护的沿空留巷相关力学模型，并通过工程实践应用，取得了较好的应用效果， 此项研究能很好地指导大采高工作面沿空留巷。 湘潭矿院王卫军教授 [27]根据砌体梁原理，通过能量原理分析法，建立了巷 道围岩变形的力学模型，验证了支护阻力、巷道宽度对顶板下沉量的影响。 中南大学、重庆煤科院、辽工大等单位的学者也对沿空留巷技术进行了大 量的研究工作。 1.2.3 我国沿空留巷现存的技术难题 到目前为止，沿空留巷技术在我国经过了多年的理论研究和实践应用，已 拥有了丰富的现场经验，一些煤矿应用该项技术已经取得了较为满意的留巷效 果。但是由于我国幅员辽阔，煤矿地质条件复杂多变，且沿空留巷技术对大采 高综采围岩控制的效果还不十分理想，一些矿井还出现了留巷失败的现象。使 得沿空留巷这一技术的应用受限，目前在支护设计思路、巷内支护、巷旁支护 及理论研究方面还存在一定的问题 [28]。 万方数据 1 绪论 5 1）理论研究的问题 （1）沿空留巷的力学模型不能仅仅考虑支架对顶板岩层的支撑，在所留巷 道另一旁的煤体支护作用同样不能被忽略，应该针对煤体不同的力学性质，将 煤体、支架与顶板岩层看作一个相互影响的整体系统，综合各种因素建立影响 沿空留巷效果的力学模型。 （2）沿空留巷是一项复杂的工程技术，由于沿空留巷的力学模型与理论不 够成熟，造成了沿空留巷的两种不良效果①沿空留巷不同于普通的回采只需 承受一次回采顶板活动影响，由于巷帮一侧为煤体，一侧为支护体，因此所需 的支护方式也不一样且煤体与巷旁支护体还需要承受两次以上回采产生的强 烈顶板活动影响，矿压显现剧烈，所以普遍认为应该加强巷内和巷旁的支护， 提高安全系数，减少和避免以后的扩巷工作，而单纯地提高支护强度又增加了 沿空留巷的成本，在经济上来讲显然是不可行的。②设计沿空留巷时，未有机 结合矿井地质条件以及工作面情况，充分考虑适应性和特殊性，设计出的支护 参数不尽合理， 致留巷失败， 给煤矿造成安全隐患和经济效益上的双重损失 [29]。 2）支护设计思路问题 支护设计思路决定了后续工作的方向，如若设计思路出现问题，则会从根 本上导致沿空