高水材料在桃山煤矿井下充填实验

李凤义,　李　谭,　王维维

(1.黑龙江科技学院 安全工程学院, 哈尔滨 150027; 2.黑龙江科技学院 黑龙江矿业研究院, 哈尔滨 150027)



高水材料在桃山煤矿井下充填实验

李凤义1,2,李谭2,王维维1,2

(1.黑龙江科技学院 安全工程学院, 哈尔滨 150027; 2.黑龙江科技学院 黑龙江矿业研究院, 哈尔滨 150027)

为了使采空区顶板得到有效控制，根据采空区充填体控制机理，利用高水材料，在七台河桃山煤矿九采区三井右四片进行了采空区部分充填的现场实验。对充填管路进行合理选择和布置，分析了充填体的力学、结构和让压作用机理。结果表明：该充填体可以实现主动接顶，有效防止老顶的变形，提高煤炭的采出率。现场实验各项指标均满足井下充填要求，可以为相似地质条件下进行煤矿采空区部分充填提供借鉴。

高水材料； 部分充填； 主动接顶

0　引　言

1　工作面概况及高水材料特性

桃山煤矿九采区三井位于七台河市桃山区,其上方是村庄,下方压煤严重,目前回采93#、94#煤层,总厚度2.4～2.8 m。九采三井右四片工作面煤层厚0.9～1.1 m,煤层倾斜11°～13°, 平均埋藏深度220 m,工作面斜长最小34 m,最大91 m,走向长约680 m。

桃山矿高水材料充填主要是以矸石电厂的工业废料粉煤灰为主,加入添加剂A和B料。A料起激发粉煤灰活性的作用,B料是将粉煤灰浆液快速凝固,同时实现主动接顶。桃山矿九采三井充填实验所用粉煤灰化学成分如表1所示。

表1　粉煤灰的化学组成Table 1　Characteristics & chemical composition of fly ash

A料主要是将粉煤灰颗粒表面的玻璃体结构破坏,与粉煤灰中活性的SiO2和Al2O3发生火山灰反应,最终生成具有强度的钙矾石[2]。B料主要是提高粉煤灰浆液凝结的速度,同时起到使充填体体积膨胀的作用,实现充填体主动接顶。在加入A料之后,未加入B料之前,能使制成的粉煤灰浆液14 h内不凝结,且保持良好的流动性。高水材料充填体抗压强度可根据添加剂A和B料的不同配方进行调节,且能实现在 30～40 min后产生强度,强度增长速度很快,其8 h强度可达到1～3 MPa[3]。调整添加剂B料的组成成分,能使初凝时间在8～30 min之间调节。

2　高水材料采空区充填工艺

利用相关设备将高水材料输入采空区,并根据现场需求,控制高水材料的初凝时间和充填体的强度,对采空区进行合理充填。

2.1高水充填工艺流程

结合高水材料的基本性能和九采三井右四片的实际情况,选择单充填管路,在井上将粉煤灰注入到活化罐内,加入A料,启动活化罐,使活化罐均匀转动,活化4 h后,选用型号为GMZ-80-65-180的渣浆泵,泵送到井下搅拌硐室,在搅拌硐室内加入B料,搅拌均匀后,再由另一台同型号渣浆泵泵送到采空区充填场地。基本工艺流程如图1 所示。

图1　基本工艺流程Fig. 1　Basic technological process

2.2充填管路选择及布置

管路输送系统的作用是输送充填浆,主要由特种塑料管、电动闸阀、手动闸阀、手动球阀、负压阀、卸压出料管和充填软带组成。根据高水材料的基本特性,采用的特种输送管壁厚为φ160 mm×11.8 mm,不圆度2%,由于浆液在泵送过程中具有一定的冲击力,所以管路的抗拉伸强度大于15.0 MPa,拉断伸长率380%。井下安装管路必须使用阻燃防静电的特殊管材。为适合井下巷道狭窄的特殊环境,便于安装,使用管长为6 m,所有管路之间采用法兰盘连接。根据九采三井的巷道情况,所有充填管路全部用锚杆吊挂在巷道上方,并用“U”形夹固定,这样既不影响行车运料又不影响行人。斜巷全长520 m,落差大约180 m,浆液从井上到井下三片车场时的巨大冲击力,在管路拐角最大的三片车场处是最薄弱的,针对这种情况,在三片车场处的所有管路,用钢筋混凝土对其进行二次加固。

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2.3充填袋的挂构

在采空区内(距采煤工作面2～3 m)构建充填模架,充填模架由木立支柱和建筑模板组成。为防止充填过程中模架漏浆,在建构模架时,在模架内部挂上充填袋(充填袋由矿山废弃的风筒布编制),规格为:1.0 m×1.1 m×5.0 m;为保证采空区充填时顶板管理,采空区采用打临时支柱的方式加强对采空区顶板支护;同时,为准确控制采空区充填量,在采空区充填袋入浆口1 m处安装压力导向阀,防止充填浆液注满而胀裂充填袋。工作面充填如图2 所示。

图2　工作面充填示意Fig. 2　Mining face filling schematic

3　充填体的作用机理

3.1充填体力学作用

充填体进入采场后,改变了采场的应力状态,使其原来的单轴或双轴应力状态变为双轴或三轴应力状态,大大提高了围岩的强度,增强了围岩的支撑能力。因此,充填体不仅起到支撑作用,更重要的是提高了围岩自身强度和自支撑能力。

3.2充填体结构作用

地下开挖时,岩体原始的结构体系受到破坏,其本来能够维持平衡和承受载荷的“几何不变体系”变成了几何变形体,导致围岩不同程度的破坏。采场充填后,尽管充填体的强度不高,承载时变形,但是它能起到维护原岩体结构的作用,使围岩结构稳定,避免围岩结构的突然变形,如图3所示[4]。

图3　充填体作用分析Fig. 3　Filling body effect of graph

3.3充填体让压作用

因为充填体的变形大于原岩体,因此,充填体能够在维护围岩系统结构体系的情况下,缓慢让压,使其围岩地压缓慢释放;同时,充填体施压于围岩,对围岩起到一定的柔性支护作用[5]。

4　桃山矿高水材料充填效果

4.1高水材料现场充填效果

充填1 m3空间所需高水材料约为500 kg,所需水量800 kg,20 min内失去流动性,初凝时间30 min,2 h产生强度,4 h达到最终强度的85%,最终抗压强度为3 MPa,在材料膨胀结束同时实现主动接顶,接顶率为95%,形成密实而质轻的充填体。其时间-强度关系如图4所示。由图4可见,充填体最初是不受力的,以后随着强度的提高,具备了吸收应力和转移应力的能力。

图4　充填体强度与时间的关系Fig. 4　Filling body strength and time of relationship curve

4.2充填体的数值模拟

利用ANSYS模拟软件对充填体的受力情况进行模拟,利用该矿其他工作面沉陷实测数据对模拟参数进行优化拟合,由此确定数值模拟计算的力学参数。充填体的弹性模量为4.5 GPa,泊松比为0.248,内摩擦角为35°。上覆岩层依次为表土层、粉砂岩、细砂岩、中砂岩、黏土层等。埋深230 m,充填体高1 m,宽1 m,长5 m,充填体之间的间距为1 m。单独取出一个充填体进行受力分析,如图5a所示。

图5　充填体受力模拟Fig. 5　Filling body stress simulation graph

图5a中,红色区域表示压力集中区,充填体的四角最容易受到来压时的破坏,黄色区域受破坏程度次之,中间绿色区域破坏程度最弱,模拟结果与现场实际观察相符。

取充填后采空区的一部分进行受力分析,如图5b 所示。由图5b可见,细微裂隙在充填体与顶板相接的边处产生,顶板略微变形,说明充填体对采空区顶板起到了很好的控制作用。

图6　采空区充填前后对比Fig. 6　Before and after mined-out area filling contrast

4.3同煤层有无充填体的对比

工作面未充填的实际情况如图6a所示,而属同一煤层的相临工作面充填体现场充填接顶实际效果如图6b所示。由此可见,没有进行充填的工作面顶板已经下沉,而已充填的工作面顶板比较完整,说明此充填体对顶板管理起到了很好的控制作用。

5　结束语

采空区部分充填现场实验各项指标均满足井下充填要求,表明该高水充填材料对采空区顶板管理问题有一定的控制作用,实现了充填体主动接顶,保障了井下安全生产,效果显著。由于粉煤灰是矸石电厂的废料,且A料和B料在充填过程中所占的比例少,使成本大大降低。该次现场实验成功,可以成为煤矿井下局部充填的重要方向,其前景广阔,具有推广意义。

[1]胡炳南, 李宏艳. 煤矿充填体作用数值模拟研究及其机理分析[J]. 煤炭科学技术, 2010, 38(4): 13-16.

[2]吴浩, 管学茂. 粉煤灰充填注浆材料研究[J]. 粉煤灰综合利用, 2003(4): 17-19.

[3]冯光明, 贾凯军, 李风凯, 等. 超高水材料开放式充填开采覆岩控制研究[J]. 中国矿业大学学报, 2011, 40(6): 841-845.

[4]王新民, 古德生, 张钦礼. 深井矿山充填理论与管道输送技术[M]. 长沙: 中南大学出版社, 2010.

[5]赵昕楠, 节茂科, 张吉雄. 采后充填固体充填材料力学特性测试研究[J]. 煤矿开采, 2010, 15(5): 18-20.

(编辑徐岩)

Filling experiment of high-water material in Taoshan coal mine

LIFengyi1,2,LITan2,WANGWeiwei1,2

(1.College of Safety Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China;2.Heilongjiang Mining Industry Research Institute, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)

Aimed at effectively controlling the roof of goaf, this paper describes a field test of the partial filling of goaf, based on controlling mechanism of goaf filling, at the right fourth part of the third mine, ninth panel of Taoshan coal mine in Qitaihe by using the high water materials. The test consists of the reasonable selection and arrangement of filling pipes, and the mechanism analysis of the mechanics, structure and pressure of the filling. The result show that the filling, capable of actively binding roof, contributes to preventing the deformation of the old roof effectively and increasing the recovery ratio of coal. All the indexes of field test, up to the underground filling requirements, can offer reference for the filling of goaf in other coal mines with similar geological conditions.

high-water material; partial filling; top directly

1671-0118(2012)03-0221-04

2012-04-24

李凤义(1963-)，男,回族,黑龙江省鸡西人,教授,博士,研究方向:煤矿围岩灾变及控制、长钻孔松动爆破、矸石山灭火及采空区回填,E-mail:lifyxz@163.com。

TD823.7

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