沿空留巷條件下新型高水速凝材料巷旁充填技術及其應用?

賈紅果來永輝王 偉王寧博

(1.山東科技大學礦業與安全工程學院,山東省青島市,266510; 2.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區,100083)

沿空留巷條件下新型高水速凝材料巷旁充填技術及其應用?

賈紅果1來永輝2王 偉1王寧博2

(1.山東科技大學礦業與安全工程學院,山東省青島市,266510; 2.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區,100083)

為解決陶一礦村莊下壓煤煤炭資源采出率低、工作面接替緊張等問題,進行了無煤柱巷旁安全高效充填技術的研究與試驗,該項技術采用了新型高水速凝材料,其具有凝固速度快、早期強度高、增阻快、適應性強等優點。介紹了無煤柱巷旁充填技術中料漿配置、輸送、混合等工藝流程。現場工程實踐表明,該技術護巷效果顯著,可有效提高村莊下煤炭回收率及工作面接替緊張問題,還可延長礦井服務年限。

無煤柱巷旁充填 高水速凝材料 承載能力

無煤柱充填安全高效開采技術是提高村莊下壓煤采出率的有效途徑之一,其用充填保護帶取代了保護煤柱,具有提高煤柱回收率和保護地表村莊的優點,根據充填材料的不同,可分為矸石充填、高水材料充填、膏體充填等,在新汶、兗州、邢臺、開灤等礦區得到了廣泛應用。

陶一礦近50%的煤炭儲量屬于村莊下壓煤,主采煤層受到火成巖入侵以及小煤窯私挖濫采影響,采掘接替困難,且瓦斯涌出量較大(200 m3/h),煤礦可持續發展受到巨大威脅,如何安全高效地無煤柱開采村莊下壓煤已成為該礦區亟待解決的難題。本文結合該礦的實際地質和工程技術條件,進行新型高水速凝充填材料巷幫充填沿空留巷工業性試驗研究,以期實現量化該材料充填技術,簡化其充填工藝。

1 工程概況

12701工作面平均埋深390 m,走向長度450 m,傾斜長度125 m,主采2＃煤層,煤層傾角8°～13°,平均12°,2＃煤層因受火成巖侵蝕嚴重煤層厚度變化較大,平均厚度2.8 m,煤層中下部有0.1～0.2 m厚粉砂巖夾矸。

直接頂為粗粉砂巖,灰黑色,泥質膠結,比較破碎,含大量植物化石,局部相變為炭質泥巖,易剝離,厚度為1.9 m,抗壓強度為196.23 MPa,抗拉強度4.65 MPa,抗剪強度109.8 MPa;老頂為灰色細砂巖,呈互層狀,層理較發育。直接底為粗粉砂巖,厚度為1.3 m,抗壓強度71.99 MPa,抗拉強度2.33 MPa,但由于受火成巖嚴重侵蝕,直接底大部分被火成巖取代;老底為中細砂巖,厚度3.0～13.5 m不均。

2 無煤柱巷旁充填技術

無煤柱巷旁充填技術是指利用高水速凝材料對巷道采空區一側進行充填形成護巷條帶,構筑的高強支撐體取代原有保護煤柱,對提高煤炭資源回收率、降低巷道掘進率、緩解采掘緊張關系和實現礦井的節能減排具有顯著效果,是煤礦綠色高效開采的重要組成部分。

無煤柱巷旁充填開采技術是提高村莊下壓煤采出率的有效途徑之一,但其本身也是一項發展中的技術,要實現無煤柱充填開采需要克服充填體承載性能難以量化、充填工藝復雜、充填材料成本高等技術難題。

2.1 充填體承載性能量化

理論與實踐表明,要實現無煤柱巷旁充填體對上覆巖層的有效支撐,充填支護體必須具有以下特點:一要有較高的強度和快速增阻的特性,以便充填體短時間內達到較高剛度和支護阻力,以控制上位巖層相互間不至于有大的離層,并使直接頂與部分基本頂在回轉的過程中斷裂,有效地減少頂板下沉量和作用在巷內支架上的載荷,為留巷成功提供保證;二是要求留巷支護承載結構體系具有良好的可縮性,較高的殘余強度,以適應上覆巖層整體下沉引起的給定變形。根據試驗工作面地質生產條件,建立圖1所示無煤柱充填開采空間結構模型。

圖1 無煤柱充填開采空間結構模型

根據沿空巷道巖層控制的基本理論,充填體支護體系的支護阻力F可表示為:

式中:λ——應力增高系數,取2～4;

γi——巖層容重,取24 k N/m3;

hi、hj——巖層厚度,根據巖層分布情況確定;

a——巷道維護寬度,取2.5 m;

x0——為煤體松動區寬度,取1.2～2.0 m;

i——第i層頂板巖層;

j——第j層頂板巖層;

αj——巖層破斷角,取30°;

MAi——巖層抗彎彎矩;

σ——巖體抗拉強度,取2～5 MPa;

MPi——巖層極限彎矩,在極限條件下MAi＝MPi;

FNi——充填體邊緣巖層破斷產生的向下剪力;

m——冒落帶巖層的極限數,取14;

σc——煤體殘余支護強度,取1.0～1.5 MPa。

將上述參數帶入式(1),計算所需支護強度約2.09～6.03 MPa。

2.2 新型高水速凝充填材料

根據上述無煤柱巷旁充填開采對充填材料的要求,該礦結合實際地質生產條件,進行了新型高水速凝材料研制,并試驗成功。與傳統充填材料相比,新型高水速凝材料具有以下優點。

(1)充填成本低,配置簡單。新型高水速凝充填材料由甲、乙兩種物料構成,其中甲料以特種水泥熟料為基料,與懸浮劑及復合超緩凝劑混磨而成,乙料由石灰、石膏、懸浮劑和復合速凝劑等混磨而成,甲、乙兩種料以重量比1∶1配合,分別加水攪拌形成漿體,然后進行混合便可形成凝固的充填體。

(2)密閉采空區效果好。與傳統的木垛、密集支柱、矸石帶、混凝土砌塊的巷旁支護相比,新型高水速凝充填能夠及時接觸頂板,限制其離層,同時隔離上區段采空區,密閉性能好,減少漏風和自然發火。

(3)增阻快、早期強度大、承載性能好。試驗表明新型高水速凝充填材料初凝時間為3～6 min, 2 h后抗壓強度可達2.8 MPa,24 h抗壓強度可達到4.8 MPa,7 d抗壓強度可達7.2 MPa,28 d能達到8.2 MPa以上,經特殊配比后,材料強度可達20 MPa以上,1 d強度達到最終強度的50%以上,7 d強度可達到最終強度的95%以上,完全可以滿足充填開采的支護需求(強度2.09～6.03 MPa)。

(4)適應性強。高水速凝材料的單軸抗壓應力—應變曲線如圖2所示。該速凝材料具有較強的彈性模量和可縮性,當發生較小應變時可對頂板產生很大的作用力(AB段);當頂板發生整體下沉而產生較大載荷作用時,充填體則會發生相當的壓縮變形(BC段);在充填體變形破壞后(CD段),仍具有較高的殘余強度支撐頂板。

圖2 高水速凝材料單軸抗壓應力—應變曲線

2.3 充填工藝流程

(1)料漿配置系統。試驗工作面充填料漿制備系統位于距離工作面1000 m處的專用硐室內,制漿系統由A、B兩套完全相同的子系統組成。每條生產線均由配料裝置、攪拌主機、卸料裝置、添加劑配制裝置、電氣路控制系統等組成,每條制漿系統設計能力為60 m3/h。

(2)料漿運輸系統。配制好的漿液分別通過A、B兩管路輸送到工作面,料漿輸送系統由充填泵、輸送管路組成,充填泵選用ZBSB－148～23/6－185雙液充填泵,充填管路分別由KJR25高壓膠管和直徑32 mm(1.25英寸)無縫鋼管或焊接鋼管組成。

(3)料漿混合系統。為保證料漿混合效果,采用三通外置式混合器結構,該結構選用八寸鋼管制成,并在管內加裝自制葉片改善兩種料漿的混合效果,充填鋼管與混合器間用高壓膠管過渡連接。

(4)清水供應系統。高水速凝材料充填開采用水量較大,為滿足料漿制備系統用水及清洗管路用水的需求,設有單獨清水供應管。

(5)充填體。試驗工作面采用包式充填法,充填體設計成上寬2500 mm,下寬3200 mm的梯形斷面;充填袋設計為走向方向長為1.5 m與2.0 m兩種規格,據現場實際情況進行組配,充填袋上的進料與排氣孔直徑為100 mm,進料與排氣管長度約550 mm;為保證充填體成形,采用充填框架進行輔助,充填框架由巷道側擋板、采空側擋板和前擋板3部分組成。無煤柱充填開采剖面示意圖見圖3。

圖3 充填體與巷道位置剖面圖

(6)組織方式。根據試驗面技術生產條件,工作面實行“三八”制,兩班生產一班檢修,每生產班推進1.5～2 m,兩生產班可推進3～4 m。

3 無煤柱充填安全高效開采效果評價

3.1 礦壓觀測

為掌握該礦無煤柱充填開采效果,對充填體受力及變形進行觀測,觀測結果如圖4所示。

圖4 充填體變形及受力曲線圖

圖4(a)顯示,隨著充填體構筑時間的增長,充填體形變量并不是無限制地逐漸增大,而是達到一個恒定最大值,觀測顯示距工作面后方大于75 m處的充填體變形達到恒定最大值,最大縱向變形量100 mm,最大橫向變形量65 mm,均在安全范圍之內。

圖4(b)顯示,工作面后方約10 m處,充填體載荷開始增加,20～40 m范圍內急劇增大,在工作面后方約40 m處達到峰值,載荷約為6 MPa,在工作面后方40～80 m的范圍內,載荷逐漸降低,此后進入穩定階段,載荷維持在4 MPa左右。

3.2 經濟社會效益

(1)該礦新掘進1條巷道的綜合成本為4030.6元/m,采用沿空留巷的巷道綜合單價為2723.4元/m,按留巷500 m計算,可以節約成本65.36萬元。

(2)無煤柱巷旁充填技術取代保護煤柱,若煤柱寬度按20 m計,采高2.7 m,煤的容重1.8 t/m3,留巷后可多采出煤炭45684 t,煤綜合售價按372.47元/t計,煤綜合成本按271元/t計,則直接經濟效益為463.56萬元。

(3)無煤柱巷旁充填安全高效開采技術在該礦的成功實施,提高了煤炭資源回采率,緩解了采掘接替緊張的局面,延長了礦井服務年限,此外該工程的試驗成功也為其他礦區無煤柱開采提供了寶貴經驗和技術支撐。

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Roadway-side packing technology with new type high-water rapid hardening materials under the conditions of gob-side entry retaining and its application

Jia Hongguo1,Lai Yonghui2,Wang Wei1,Wang Ningbo2
(1.School of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266510,China; 2.School of Resource and Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China)

In order to solve the mining problems of Taoyi Coal Mine caused by huge village covering,such as low coal recovery rate and tense workface replacement,safe and efficient nonchain-pillar roadway-side packing technology was researched and tested.The technology applied the new type high-water rapid hardening materials which had advantages such as rapid hardening speed,high early strength,fast increasing resistance and outstanding adaptability.The slurry configuration,transportation,mixing process in non-chain-pillar roadway-side packing were introduced in detail.Field practice shows the non-chain-pillar roadway-side packing technology is effective to solve the mining problems above and extend the service life of the mine.

non-chain-pillar roadway-side packing,high-water rapid hardening material, bearing capacity

TD823.88

A

賈紅果(1983－),男,山東汶上人,講師,博士在讀,山東科技大學教師,主要研究方向為安全科學與工程、資源經濟與管理。

(責任編輯 張毅玲)

國家自然科學基金資助項目(51374140, 51474138)