巷旁充填沿空留巷技术及矿压显现规律.pdf

第29卷 第5期 2009年9月 西安科技大学学报 JOURNAL OF XI′AN UNI VERSITYOF SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol . 29 No15 Sept12009 文章编号 1672 - 9315200905 - 0515 - 05 巷 旁 充 填 沿 空 留 巷 技 术 及 矿 压 显 现 规 律 3 黄艳利 1, 2,张吉雄1, 2 ,巨 峰 1, 2 1.中国矿业大学 矿业工程学院,江苏 徐州221116, 2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏 徐州221008 摘 要本文从充填材料、 充填体支护参数、 系统布置及充填工艺等几个方面对巷旁充填沿空留 巷技术进行了研究与实践,通过控制充填材料承载特性和变形性能,改进了充填工艺,并对巷旁 充填沿空留巷段进行了矿压观测,分析了巷旁充填沿空留巷及充填体的变形及受力情况。结果 表明巷旁充填沿空留巷技术能够有效地保证顶板的稳定性及完整性,充填体能够达到控制顶板 下沉、 适应顶板活动规律的要求。 关键词巷旁充填;沿空留巷;矿压显现规律 中图分类号 T D 353 文献标志码 A 0 引 言 沿空留巷技术是我国采煤技术的一次重大技术变革,完全取消了区段煤柱,提高了煤炭资源的回采 率,降低了巷道的掘进率,改善了矿井生产条件,有利于生产的集中化 [ 1～3 ] ,尤其对开采高瓦斯煤层的矿井 而言,工作面采用沿空留巷技术为“Y” 型通风方式提供了必要条件,解决了高瓦斯煤层工作面“U” 型通风 上隅角瓦斯积聚与超限问题,同时为实现高瓦斯矿区煤气共采一体化提供了技术保障 [ 4～5 ]。但长久以来 我国的沿空留巷围岩控制主要采用石垛、 木密集支柱、 混凝土砌块、 和金属支柱等方法,直到80年代末, 国内才逐步研制出高水充填材料,但其性能不如国外的产品 [ 6～7 ]。淮南矿业集团顾桥矿采用亿万达公司 试验生产的膏体材料实施巷旁充填沿空留巷技术获得了成功,本文对巷旁充填沿空留巷段矿压观测并进 行了分析和研究。 淮南矿业集团顾桥矿1115 1工作面条件复杂,对于常规的沿空留巷技术已不能满足该矿井生产条 件变化的需要,为此,研究1套适合于该矿条件的沿空留巷技术是必要的,通过调研膏体材料特性,改造 沿空留巷充填设备,并提出沿空留巷系统布置方案及充填工艺,在井下工业性试验后,巷旁充填沿空留巷 技术在11151工作面取得了较大的成功。 1 工作面概况 淮南矿业集团顾桥煤矿11151工作面,位于11 - 2北一采区中部,走向长度2 596. 3 m ,倾斜宽220 m;煤厚0. 1～3. 4 m,平均厚2. 54 m;煤层倾角3～10,平均5 。工作面顶底板岩性特征见表1。煤层自 然瓦斯含量4～5 m 3 /t;煤层具有爆炸危险易爆炸;自然发火期3～6个月易自燃;原始岩温40℃;地 压大。 11151工作面首次采用巷旁充填沿空留巷、Y型通风方式,由11151轨道顺槽、 运输顺槽进风,借 用巷道11141运输顺槽及边界煤层回风上山回风,工作面沿空巷选择在工作面轨道顺槽,从工作面开 切眼一直到停采线为充填留巷范围。工作面采用ZY8800 /18 /38D型电液控制掩护式支架支护工作面顶 板;充填采用ZZHCY15000 /20 /35型巷旁充填侧模板支架、ZZHCY13400 /22 /35型巷旁充填后模板支架; 3收稿日期3 基金项目 国家自然科学基金重点项目 53 ;中国矿业大学科技资金资助项目B3 作者简介 黄艳利 ,男,山东临沂人,硕士,主要从事固体废弃物充填开采及采动岩体控制研究 2009 - 0- 20 08 40042007 00 1978 -. 工作面上端头从煤壁向外20 m左右到滞后工作面煤壁15 m左右范围内采用ZT8000 /18 /35双排超前支 护支架支护;在工作面向外距煤壁20～60 m范围,在巷道中间用铰接顶梁或矿用4. 5 m长11 工字钢挑 一排挑棚;在沿空留巷段,随ZT8000 /18 /35型超前液压支架前移使用 200 mm3 600 mm圆木为梁、 单 体为腿打3排点柱,点柱走向间距为1个移架步距。 表1 工作面顶底板岩性特征 Tab. 1 L ithology characters of roof and floor in working face 顶板名称顶板岩性厚度/m岩性特征 老顶砂岩18. 56灰白色 ～ 乳白色,厚层状,细中粒结构,钙质胶结,具平行层理和交错层理 直接顶泥岩、11 - 3煤层、 砂质泥岩0～7. 6灰色 ～ 深灰色,滑面发育,具滑感,夹11 - 3煤层 伪顶炭质泥岩0～0. 6黑色,染手,较破碎 直接底泥岩12. 11灰色 ～ 深灰色,泥质胶结,含植物化石,夹1～2层薄煤层 2 巷旁充填沿空留巷技术 根据顾桥煤矿11151工作面沿空留巷采矿地质条件,以及开展沿空留巷工作所存在的一些困难,从 充填材料的选择、 巷旁充填体支护参数的选择、 系统布置及充填工艺等几个方面进行了研究与实践。 2. 1 充填材料选择 充填材料的强度及凝固速度关系着沿空留巷巷旁充填技术的成败 [ 8 ] ,顾桥矿经过调研,确定采用淮 南亿万达公司研制的膏体混凝土,其主要成份是硅酸盐、 砂子、 粉煤灰、 及水等拌和的膏体混凝土外加添 加剂,在充填过程中采用人工把袋装充填膏体40 kg∕袋放入徳国普茨迈特公司生产的混凝土泵的料 斗里,通过混合器加水搅拌,再通过4寸无缝钢管输入到已立好的模里,再用旧锚杆、 钢带、 笆片等作为钢 筋骨架放入充填体内以提高充填体的强度。 2. 2 巷旁充填体支护参数 沿空留巷巷旁充填技术成功的关键为确保充填体上方顶煤及顶板的稳定及完整性,防止巷道围岩过 度变形,在此基础上,通过控制充填材料承载特性和变形性能,改进充填工艺,使充填体适应顶板活动规 律。 图1 巷旁充填系统布置图 Fig . 1 System arraying of r oadside packing 1充填泵站 2 ZT8000/18/35超前支护支架 3充填管路 4充填模板 5充填墙体 6圆木点柱 7 ZZHCY13400/22/35型后模板支架 ZZY 535型侧模板支架 ZYG3过渡支架 1115 1工作面轨道平巷采用锚索配合 锚梁网主动支护方式加固顶板和煤壁侧帮, 采用凝固速度快、 早期强度高的特性的特制 充填体,其最大强度能够达到2 MPa,充填宽 度为2 . 5 m,高度为3 . 4 m.喷浆材料的配比 为水泥 ∶ 黄沙 ∶ 瓜子片 1∶2∶2,水灰比为 45,速凝剂掺量为水泥重量的2 . 5～ 4. 2. 3 巷旁充填系统布置 巷旁充填沿空留巷技术的系统布置包 括采煤和充填设备的布置、 充填管路的铺 设、 充填料的输送系统等方面,根据沿空留 巷的方法,设计合理的巷旁充填系统如图1 所示。 2. 4 巷旁充填施工工艺 5 工作面采用ZZY 5 35型巷旁充填侧模板支架、ZZY 335型巷旁充填后模板支架、ZT35超前支护支架挂 外侧模板,支架自行前移机械立模,同时在生产期间在6 , 联双层金属网 5 , 615 西安科技大学学报 2009年 8HC 1 000 /20 /98800 /18 / 8 1111HC 1 000 /20 / HC 1 400 /22 /8800/19 / 12127000 mm1 000 mm 第5期黄艳利等巷旁充填沿空留巷技术及矿压显现规律 图2 工作面采煤、 充填工艺流程 Fig . 2 Flow chartof filling technics and m ining in working face 保证搭接长度不小于0. 2 m, 2层网错距为0 . 2 m,网扣间距为0. 2 m,采用双股18 铁丝联接 ,从而保证割 煤后,充填段顶板完整性。巷旁充填工艺每3个移架步距,充填1次。 充填前,利用充填支架自行前移机械立模调整3块模板处于良好状态;打好充填模板后,将充填管路 架设好,准备进行充填;检查确定混凝土充填泵工作状况正常,管路畅通后,可进行材料的搅拌输送;进料 要均匀连续,配水要严格控制水灰比;掌握设备的工作压力,防止管路阻塞。充填时首先在料斗中加入约 0. 5 m 3 较稀介质浆液,进行管路冲洗,然后再配以正常的充填料充填;高添量粉煤灰膏体混凝土材料进 入充填模,要观察材料的平流堆积状况,材料要充满充填模并充分接顶。11151工作面采煤、 充填工艺 流程见图2,主要充填设备见表2. 表2 沿空留巷主要充填设备列表 Tab. 2 Ma in filling equ ipm en ts of gob2side en try reta in i n g 序号设备名称型号数量参数 1 液 压 支 架 超前支护支架 侧模板支架 后模板支架 ZT8000/18 /35 ZZ HCY15000 /20 /35 ZZ HCY13400 /22 /35 14台 1台 1台 架型四连杆支撑掩护式; 支撑高度 1. 8～3. 5 m; 支护宽度 0. 49 m; 2混凝土充填泵BS M1002 - E3套 最大理论输送能力 15 m3/h; 最大理论输送压力 100 bar; 输送缸冲程 1 000 mm; 输送缸直径 120 mm; 最大粒度 8 mm; 功率 55 k W; 料斗容积 220 L; 3管路Φ108 mm4路 耐压 ≥10MPa; 管壁厚 ≥6 mm; 管径Φ108 mm; 4集装箱4 m345辆 容积 4 m3; 共分3组,每组15辆 3 矿压监测及分析 3. 1 监测内容 本次矿压观测内 容主要有巷旁充填沿 空留巷巷道围岩变形、 充填体变形及受力、 巷 道维护状况等。采取 的观测方法为 1充填体变形 在充填体纵向顶底处 各设1基点用卷尺测 量纵向变形;在充填体 内预埋横向水平套管, 其内布置钢丝用直尺 测量外露钢丝长度以 确定横向变形。 2充填体受力 采取在充填体内埋设 液压枕来测其受力。 3巷道围岩变形及维护状况采用在巷道顶底板及两帮设置基点,用位移计来测量。 3. 2 测站布置 巷旁充填沿空留巷矿压观测方案测站布置如图3所示。 3. 3 矿压监测结果分析 3 3 巷道围岩及充填体变形分析 根据实际矿压监测,巷旁充填沿空留巷的变形规律分为个阶段,即 巷道围岩小变形阶段～ ,巷道围岩强烈变形阶段～3、 巷道围岩变形衰减阶段3～、 巷道围岩变形稳定阶段 715 . . 1 4010 m100 m070m70 图3 巷旁充填沿空留巷矿压观测方案测站布置 Fig. 3 Monitoring sche me of rock p ressu re law in r oadside packing in gob2side entry retaining m以后 ,详见图4。 在第1阶段0～10 m范围内,由于充填体早期强度 高、 增阻速度快,及时支护顶板,阻止了顶板的垮落以及与 老顶的离层,因而此阶段巷道的围岩变形较小。 第2阶段10～30 m,巷道围岩变形剧烈,围岩的变 形速度在该范围内达到峰值。该范围内由于受到工作面 周期来压的影响, 10～30 m范围为沿空留巷上覆岩层的 活动剧烈区,巷道顶板急剧下沉,巷道底板剧烈底鼓;另外 由于上覆岩层剧烈活动,使得巷旁充填体承受的载荷剧 增,巷旁充填体的变形加剧,进而加剧了巷道围岩变形。这是巷旁充填沿空留巷巷道围岩剧烈变形的2 个主要因素。 第3阶段30～70 m ,随着巷道围岩活动逐渐稳定以及充填体逐渐凝固,抗压强度增加,巷道围岩变 形速度逐渐减小。 第4阶段70 m以后,巷道围岩活动趋于稳定,充填体完全凝固,巷道围岩变形速度趋于稳定且较 小。 巷旁充填体的变形是巷旁充填体与围岩相互作用关系在巷旁充填体上的反映,巷旁充填体的变形规 律与巷道围岩变形相适应,如图5所示。 第1阶段 0～10 m内顶板下沉量很小,巷旁充填体受载小,同时由于充填体具有较大的早期支护阻 力,因而充填体的变形量与巷道变形量相比要小,且变形速度相对较慢。 第2阶段 10～30 m内顶板活动加剧,巷旁充填体承受载荷增加,充填体的变形加剧,最大变形速度 为3 . 5 mm /d,此时由于充填体变形的加剧,也造成了巷道变形的加剧,且最大变形速度5. 8 mm /d,明显大 于充填体的变形速度。 第3阶段 30～70 m,随着巷道围岩活动逐渐减缓,充填体的变形速度迅速下降,但由于在这个阶段 充填体没有完全凝固,充填体没有达到一定的强度,充填体的变形速度偶尔会出现增大的现象。 第4阶段 70 m以后巷旁充填体的变形随巷道围岩活动趋于稳定而稳定,变形速度降为0. 2 mm /d. 3. 3. 2 充填体载荷分析 根据埋设于充填体内的液压枕实测,充填体载荷随工作面推进变化规律如图6所示,在工作面后方0 ～10 m范围内,充填体的载荷为0～0 . 52 MPa,载荷的增长速度较快;工作面后方10～50 m,随着采空区 顶板下沉,巷旁充填体的载荷开始急剧增加,在35 m左右达到最大值约1 . 86 MPa;在工作面后方50 m以 后,充填体的载荷基本稳定在M左右。由此可知,巷旁充填体如此大的载荷以及前期的增阻速度, 有效地控制了顶板的完整性,防止顶板发生离层,具有适应顶板的良好性能 [] 。 充填体沿宽度方向的载荷分布如图所示,在充填体的宽度方向上,载荷分布不均匀,测得侧～ 815 西安科技大学学报 2009年 1 . 8Pa 9 720 第5期黄艳利等巷旁充填沿空留巷技术及矿压显现规律 0. 7 m范围内充填体的载荷值小于1 MPa,而中部0. 7～2. 0 m范围内充填体的载荷值大于1 MPa,在1 . 2 m左右达到峰值1 . 8 MPa,这说明说明在高应力载荷作用下,中部载荷大于2侧,巷旁充填体2侧的承载 能力比较小,有可能发生破裂,因此提高巷旁充填体测向围压以提高充填体2侧的承载能力极为重要。 4 应用效果分析 1115 1工作面采用巷旁充填沿空留巷长2 500 m,服务年限为2 a,多回采16. 5万t煤,直接经济效 益达3 000万元。巷旁充填沿空留巷技术根本上解决了高瓦斯工作面上隅角瓦斯积聚与超限问题;实现 了不留煤柱连续回采,提高了煤炭资源的回采率,降低了巷道的掘进率,采掘接替合理;充填体合理的强 度有效地抑制了老顶的弯曲变形,同时能够适应老顶的回转变形,与巷内支护共同维护好顶板,直接顶不 破碎、 不与老顶离层,达到了良好的支护效果。 5 结 论 1从充填材料、 充填体支护参数、 系统布置及充填工艺等几个方面进行了研究与实践,通过控制充填 材料承载特性和变形性能,改进充填工艺,保证充填体上方顶板的稳定及完整性,使充填体适应顶板活动 规律; 2巷旁充填沿空留巷变形可分为3个阶段围岩强烈变形阶段0～30 m 、 巷道围岩变形衰减阶段 30～70 m、 巷道围岩变形稳定阶段70 m以后 ,充填体的变形与之相适应,因此必须对沿空留巷0～30 m范围加强支护; 3沿充填体宽度方向上,中部载荷大于2侧,巷旁充填体2侧的承载能力较小,因此提高巷旁充填体 测向围压以提高充填体2侧的承载能力极为重要; 4工作面后方0～10 m范围内,载荷的增长速度较快;工作面后方10～50 m,巷旁充填体的载荷开 始急剧增加,在35 m左右达到最大值约1. 86MPa;在工作面后方50 m以后,充填体的载荷基本稳定在1. 8 MPa左右。由此可知,巷旁充填体如此大的载荷以及前期的增阻速度,有效地控制了顶板的完整性,防 止顶板发生离层,具有适应顶板的良好性能。 参考文献 References [1 ] 马立强,张东升.综放巷内充填沿空留巷工业性试验[J ].中国矿业大学学报, 2004, 336 660 - 664. MA L i2qiang, ZHANG Dong2sheng. Industrial testof road2in packing for gob2side entry retaining in fully2mechanized coalface with top2coal caving[J ].Journalof China University ofMining 2.State Key Laboratory of Coal Resources and M ine safety, Xuzhou221008, China Abstract Aimed at the technology of roadside packing in gob2side entry retaining, the fillingmaterials, the choice of supporting parameter in roadside packing, and the optimizing of filling technics and arra2 ying system were studied and practiced . Through controlling the characteristics of transmutation and load of the filling materials, filling technicswere i mp roved, and the rock pressure of gob2side entry retaining was monitored, trans mutation and load of the fillingswere analysed . The results reveals that the technol2 ogy of roadside packing in gob2side entry retaining effectively controls the integrality and stability of the roof, and the fillings are able to control the subsidence of the roof and accommodate the movement law of roof . Key words roadside packing; gob2side entry retaining; law of rock pressure 025 西安科技大学学报 2009年 3ByU NG Y2,, X z6,R, T635,2y656 63iograph H Aan li Engineeru hou 22111P.. Chinael 008- 1 90 207498 E mail huang anli71. com