沿空留巷条件下新型高水速凝材料巷旁充填技术及其应用∗

贾红果来永辉王 伟王宁博

(1.山东科技大学矿业与安全工程学院,山东省青岛市,266510; 2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083)

沿空留巷条件下新型高水速凝材料巷旁充填技术及其应用∗

贾红果1来永辉2王 伟1王宁博2

(1.山东科技大学矿业与安全工程学院,山东省青岛市,266510; 2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083)

为解决陶一矿村庄下压煤煤炭资源采出率低、工作面接替紧张等问题,进行了无煤柱巷旁安全高效充填技术的研究与试验,该项技术采用了新型高水速凝材料,其具有凝固速度快、早期强度高、增阻快、适应性强等优点。介绍了无煤柱巷旁充填技术中料浆配置、输送、混合等工艺流程。现场工程实践表明,该技术护巷效果显著,可有效提高村庄下煤炭回收率及工作面接替紧张问题,还可延长矿井服务年限。

无煤柱巷旁充填 高水速凝材料 承载能力

无煤柱充填安全高效开采技术是提高村庄下压煤采出率的有效途径之一,其用充填保护带取代了保护煤柱,具有提高煤柱回收率和保护地表村庄的优点,根据充填材料的不同,可分为矸石充填、高水材料充填、膏体充填等,在新汶、兖州、邢台、开滦等矿区得到了广泛应用。

陶一矿近50%的煤炭储量属于村庄下压煤,主采煤层受到火成岩入侵以及小煤窑私挖滥采影响,采掘接替困难,且瓦斯涌出量较大(200 m3/h),煤矿可持续发展受到巨大威胁,如何安全高效地无煤柱开采村庄下压煤已成为该矿区亟待解决的难题。本文结合该矿的实际地质和工程技术条件,进行新型高水速凝充填材料巷帮充填沿空留巷工业性试验研究,以期实现量化该材料充填技术,简化其充填工艺。

1 工程概况

12701工作面平均埋深390 m,走向长度450 m,倾斜长度125 m,主采2＃煤层,煤层倾角8°～13°,平均12°,2＃煤层因受火成岩侵蚀严重煤层厚度变化较大,平均厚度2.8 m,煤层中下部有0.1～0.2 m厚粉砂岩夹矸。

直接顶为粗粉砂岩,灰黑色,泥质胶结,比较破碎,含大量植物化石,局部相变为炭质泥岩,易剥离,厚度为1.9 m,抗压强度为196.23 MPa,抗拉强度4.65 MPa,抗剪强度109.8 MPa;老顶为灰色细砂岩,呈互层状,层理较发育。直接底为粗粉砂岩,厚度为1.3 m,抗压强度71.99 MPa,抗拉强度2.33 MPa,但由于受火成岩严重侵蚀,直接底大部分被火成岩取代;老底为中细砂岩,厚度3.0～13.5 m不均。

2 无煤柱巷旁充填技术

无煤柱巷旁充填技术是指利用高水速凝材料对巷道采空区一侧进行充填形成护巷条带,构筑的高强支撑体取代原有保护煤柱,对提高煤炭资源回收率、降低巷道掘进率、缓解采掘紧张关系和实现矿井的节能减排具有显著效果,是煤矿绿色高效开采的重要组成部分。

无煤柱巷旁充填开采技术是提高村庄下压煤采出率的有效途径之一,但其本身也是一项发展中的技术,要实现无煤柱充填开采需要克服充填体承载性能难以量化、充填工艺复杂、充填材料成本高等技术难题。

2.1 充填体承载性能量化

理论与实践表明,要实现无煤柱巷旁充填体对上覆岩层的有效支撑,充填支护体必须具有以下特点:一要有较高的强度和快速增阻的特性,以便充填体短时间内达到较高刚度和支护阻力,以控制上位岩层相互间不至于有大的离层,并使直接顶与部分基本顶在回转的过程中断裂,有效地减少顶板下沉量和作用在巷内支架上的载荷,为留巷成功提供保证;二是要求留巷支护承载结构体系具有良好的可缩性,较高的残余强度,以适应上覆岩层整体下沉引起的给定变形。根据试验工作面地质生产条件,建立图1所示无煤柱充填开采空间结构模型。

图1 无煤柱充填开采空间结构模型

根据沿空巷道岩层控制的基本理论,充填体支护体系的支护阻力F可表示为:

式中:λ——应力增高系数,取2～4;

γi——岩层容重,取24 k N/m3;

hi、hj——岩层厚度,根据岩层分布情况确定;

a——巷道维护宽度,取2.5 m;

x0——为煤体松动区宽度,取1.2～2.0 m;

i——第i层顶板岩层;

j——第j层顶板岩层;

αj——岩层破断角,取30°;

MAi——岩层抗弯弯矩;

σ——岩体抗拉强度,取2～5 MPa;

MPi——岩层极限弯矩,在极限条件下MAi＝MPi;

FNi——充填体边缘岩层破断产生的向下剪力;

m——冒落带岩层的极限数,取14;

σc——煤体残余支护强度,取1.0～1.5 MPa。

将上述参数带入式(1),计算所需支护强度约2.09～6.03 MPa。

2.2 新型高水速凝充填材料

根据上述无煤柱巷旁充填开采对充填材料的要求,该矿结合实际地质生产条件,进行了新型高水速凝材料研制,并试验成功。与传统充填材料相比,新型高水速凝材料具有以下优点。

(1)充填成本低,配置简单。新型高水速凝充填材料由甲、乙两种物料构成,其中甲料以特种水泥熟料为基料,与悬浮剂及复合超缓凝剂混磨而成,乙料由石灰、石膏、悬浮剂和复合速凝剂等混磨而成,甲、乙两种料以重量比1∶1配合,分别加水搅拌形成浆体,然后进行混合便可形成凝固的充填体。

(2)密闭采空区效果好。与传统的木垛、密集支柱、矸石带、混凝土砌块的巷旁支护相比,新型高水速凝充填能够及时接触顶板,限制其离层,同时隔离上区段采空区,密闭性能好,减少漏风和自然发火。

(3)增阻快、早期强度大、承载性能好。试验表明新型高水速凝充填材料初凝时间为3～6 min, 2 h后抗压强度可达2.8 MPa,24 h抗压强度可达到4.8 MPa,7 d抗压强度可达7.2 MPa,28 d能达到8.2 MPa以上,经特殊配比后,材料强度可达20 MPa以上,1 d强度达到最终强度的50%以上,7 d强度可达到最终强度的95%以上,完全可以满足充填开采的支护需求(强度2.09～6.03 MPa)。

(4)适应性强。高水速凝材料的单轴抗压应力—应变曲线如图2所示。该速凝材料具有较强的弹性模量和可缩性,当发生较小应变时可对顶板产生很大的作用力(AB段);当顶板发生整体下沉而产生较大载荷作用时,充填体则会发生相当的压缩变形(BC段);在充填体变形破坏后(CD段),仍具有较高的残余强度支撑顶板。

图2 高水速凝材料单轴抗压应力—应变曲线

2.3 充填工艺流程

(1)料浆配置系统。试验工作面充填料浆制备系统位于距离工作面1000 m处的专用硐室内,制浆系统由A、B两套完全相同的子系统组成。每条生产线均由配料装置、搅拌主机、卸料装置、添加剂配制装置、电气路控制系统等组成,每条制浆系统设计能力为60 m3/h。

(2)料浆运输系统。配制好的浆液分别通过A、B两管路输送到工作面,料浆输送系统由充填泵、输送管路组成,充填泵选用ZBSB－148～23/6－185双液充填泵,充填管路分别由KJR25高压胶管和直径32 mm(1.25英寸)无缝钢管或焊接钢管组成。

(3)料浆混合系统。为保证料浆混合效果,采用三通外置式混合器结构,该结构选用八寸钢管制成,并在管内加装自制叶片改善两种料浆的混合效果,充填钢管与混合器间用高压胶管过渡连接。

(4)清水供应系统。高水速凝材料充填开采用水量较大,为满足料浆制备系统用水及清洗管路用水的需求,设有单独清水供应管。

(5)充填体。试验工作面采用包式充填法,充填体设计成上宽2500 mm,下宽3200 mm的梯形断面;充填袋设计为走向方向长为1.5 m与2.0 m两种规格,据现场实际情况进行组配,充填袋上的进料与排气孔直径为100 mm,进料与排气管长度约550 mm;为保证充填体成形,采用充填框架进行辅助,充填框架由巷道侧挡板、采空侧挡板和前挡板3部分组成。无煤柱充填开采剖面示意图见图3。

图3 充填体与巷道位置剖面图

(6)组织方式。根据试验面技术生产条件,工作面实行“三八”制,两班生产一班检修,每生产班推进1.5～2 m,两生产班可推进3～4 m。

3 无煤柱充填安全高效开采效果评价

3.1 矿压观测

为掌握该矿无煤柱充填开采效果,对充填体受力及变形进行观测,观测结果如图4所示。

图4 充填体变形及受力曲线图

图4(a)显示,随着充填体构筑时间的增长,充填体形变量并不是无限制地逐渐增大,而是达到一个恒定最大值,观测显示距工作面后方大于75 m处的充填体变形达到恒定最大值,最大纵向变形量100 mm,最大横向变形量65 mm,均在安全范围之内。

图4(b)显示,工作面后方约10 m处,充填体载荷开始增加,20～40 m范围内急剧增大,在工作面后方约40 m处达到峰值,载荷约为6 MPa,在工作面后方40～80 m的范围内,载荷逐渐降低,此后进入稳定阶段,载荷维持在4 MPa左右。

3.2 经济社会效益

(1)该矿新掘进1条巷道的综合成本为4030.6元/m,采用沿空留巷的巷道综合单价为2723.4元/m,按留巷500 m计算,可以节约成本65.36万元。

(2)无煤柱巷旁充填技术取代保护煤柱,若煤柱宽度按20 m计,采高2.7 m,煤的容重1.8 t/m3,留巷后可多采出煤炭45684 t,煤综合售价按372.47元/t计,煤综合成本按271元/t计,则直接经济效益为463.56万元。

(3)无煤柱巷旁充填安全高效开采技术在该矿的成功实施,提高了煤炭资源回采率,缓解了采掘接替紧张的局面,延长了矿井服务年限,此外该工程的试验成功也为其他矿区无煤柱开采提供了宝贵经验和技术支撑。

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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

贾红果(1983－),男,山东汶上人,讲师,博士在读,山东科技大学教师,主要研究方向为安全科学与工程、资源经济与管理。

(责任编辑 张毅玲)

国家自然科学基金资助项目(51374140, 51474138)