煤矿高水材料充填沿空留巷技术研究范文

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摘要:通过分析高水材料力学特性，得出高水材料具有增阻速度快、支护阻力大、适量可缩的特点，结合凌志达煤矿15210工作面具体地质条件，提出采用高水材料巷旁充填沿空留巷技术，选取了合适的充填设备和充填工艺，经现场工业试验取得了良好的应用效果。

关键词:高水材料;沿空留巷;充填

沿空留巷相比较留设煤柱维护巷道而言，不但能够实现Y型通风方式，而且可以提高煤炭采出率，有效控制巷道稳定，对矿井安全高效开采具有重要意义［1］。巷旁支护是保证沿空留巷成功的关键，之前采用的巷旁支护技术存在一定范围的局限性，难以适应沿空留巷围岩变形。高水材料因具有增阻速度快、支护阻力大、适量可缩等优点，近年来被越来越多地应用于沿空留巷［2］。现阶段，许多学者针对高水材料巷旁充填沿空留巷技术进行了大量研究。熊祖强等［3］针对高水材料巷旁充填的各项力学特性进行了研究，得出了高水充填材料变形特征分为压密阶段、线弹性阶段、屈服阶段和应变软化阶段;武善元等［4］研发了与高水充填材料相适应的沿空留巷支护工艺，提出采用锚栓、钢带等方法可提高充填体的稳定性;孙春东等［5］针对高水材料进行了试验分析，利用水力泵送充填工艺，优化了相关充填技术。本文针对凌志达煤矿工作面具体条件，分析高水充填材料特性，选取合适的相关充填工艺及设备。

1工程概况

凌志达煤矿生产能力为150万t/a，所采煤层为15号煤层，煤层厚度为4～4．5m，平均4．28m，煤层倾角3～6°，属结构简单－复杂的近水平中厚煤层。15210工作面位于二采区南部，其东部为15208工作面，西部为实体煤，南部为井田边界，北部为东翼回风大巷。盖山厚度195～300m，煤层平均埋藏深度260．5m。随着矿井生产效率的不断提高，传统的留设宽煤柱进行护巷已不适应具体工作面需求，急需进行无煤柱沿空留巷技术研究。以往，矿井设计中工作面区段保护煤柱宽度为20m，不仅造成了大量的煤炭资源损失，降低了煤炭采出率。同时，下区段工作面回采期间采空侧回采巷道维护量大，给矿井造成安全隐患。因此，决定在15210工作面回风巷进行高水材料巷旁充填技术试验。沿空留巷示意如图1所示。

2高水材料力学特性分析

高水材料分甲料、乙料两组分，甲料、乙料单独与水不凝结，而甲料浆和乙料浆一起混合则快速硬化。本文采用武汉岩土力学所研制的岩石与混凝土力学试验机，根据配比配置高水充填材料，分别研究龄期与强度的关系、不同水灰比对抗压强度的影响及高水材料的变形性能。

2．1高水材料龄期与强度特性分析

高水充填材料强度随时间变化关系见图2所示。高水材料甲、乙两组分分别加水搅拌后长时间不凝固，但当两种浆体混合后20min内可初凝。在实验室标准测试条件下(水灰比为1．5∶1)，初凝时间可控制在15min以内，2h抗压强度可达2．1MPa，24h抗压强度可达到5．6MPa，7d抗压强度可达10．36MPa，28d能达到10．82MPa。1d强度达到最终强度的50%以上，7d强度可达到最终强度的90%以上。

2．2高水材料强度与水灰比特性分析

高水材料强度与水灰比变化关系如图3所示。由图3可以看出，强度随着水灰比的减小而增大，每单位内使用的高水充填材料越多，用水量就越小，从而充填体的强度就越高。常见的水泥混凝土水灰比范围为0．5∶1～0．75∶1，当高水充填材料采用此水灰比时，充填体的强度可以达到20～50MPa，完全可以满足井下沿空留巷充填体的强度要求。2．3高水材料的变形性能当水灰比为1．5∶1时，利用MTS815型刚性伺服机测得高水材料7d龄期的变形曲线如图4所示。由图4可以看出，当施加荷载达到峰值强度后，高水材料充填体并不会突然失去承载能力，而是逐渐缓慢下降，在该水灰比的条件下，充填体强度峰值为10．36MPa，当应变持续增加，充填体发生破坏时，残余强度仍有峰值的59%左右。因此，高水材料充填体具有明显的塑形特性，强度较高且下降缓慢，可以保证沿空留巷的安全稳定。

3高水材料充填施工工艺

高水材料巷旁充填沿空留巷施工工艺为:1)充填区域顶板支护。工作面割煤—端尾4架液压支架铺设顶网—工作面支架移架—架后挡矸支架移架—充填区域顶板加固。2)施工钻孔。在工作面液压支架后方、挡杆支架的保护下，施工密集钻孔或切顶钻孔。3)构筑充填体。根据推进长度，每天构筑1～2垛充填体:清理浮煤—充填体定位—立模(挂钢筋网、单体液压支柱、吊充填袋、穿对拉锚杆)—联系注浆站配料注浆—清洗管路和注浆设备—移挡矸支架。4)辅助切顶。在工作面初次来压前，按设计要求装药、连线，待推过挡矸支架后进行放炮，定向预裂顶板;待工作面初次垮落后，采用密集钻孔辅助切顶，若密集钻孔不能辅助切眼，再采用水力定向切割等技术措施。5)清理现场，准备下一循环。由于甲料、乙料一起混合会快速凝结硬化。因此分别搅拌和泵送。采用双趟高压管路输送浆液、双液充填工艺，在回采工作面后方留巷位置充填到充填袋内混合、凝固。其工艺流程见图5。

4工作面充填设备选择

结合高水材料的基本性能和使用方法，首先运用专门的生产系统将甲乙两种材料分别制成浆液，然后通过双液泵经管路分别输送至充填区域，在即将到达待充区域之前将两种浆液混合，浆液混合凝固形成充填体。凌志达煤矿15210工作面初步预计每班的充填量为32m3，每班的纯充填时间按照2h计算，每小时需要充填16m3。因此，选择的充填泵实际输送能力应在266．7L/min以上。考虑该矿高水材料最大输送距离约1800m，根据每百米0．4MPa的输送阻力，确定选用型号为ZBYSB800/8－75型液压双液注浆泵，额定流量800L/min，额定压力8MPa;搅拌桶采用JDW1500型，内径1．25m，体积1．5m3，两对4个搅拌桶;单浆输送管采用D51mm×20m的高压胶管，长度根据泵站与待充填空巷的距离确定。凌志达矿辅助运输采用无轨胶轮车，泵站可根据该矿实际条件，布置于东翼辅运大巷与东翼主运大巷联巷内。泵站需要占用宽约3．5m、长约20m的一段巷道或硐室，布置2台双液等量充填泵(一备一用)，4个搅拌桶(甲料、乙料各配2个)、5个电磁启动器(泵1个，4个搅拌桶对应4个)，搅拌桶附近布置料场。

5工业试验

凌志达煤矿在15210工作面回风巷采用上述方案进行了沿空留巷试验。随着工作面推进后，对巷道围岩变形量进行了监测，观测周期为30d，在工作面回采18d后巷道顶底板移近量稳定在76mm，两帮移近量稳定在94m，巷道变形量得到了有效控制，保证了沿空巷道的安全稳定。

6结语

通过分析高水材料的力学特性，得出高水材料具有强度大、变形性能好等特点，结合凌志达煤矿15210工作面具体条件，选取了合适的充填设备，并进行了沿空留巷试验，经现场监测表明，巷道变形量小，取得了良好的应用效果。

参考文献:

［1］王玉峰．薄煤层石灰岩顶板巷旁充填沿空留巷关键参数研究与应用［J］．煤炭工程，2018，50(7):5－9．

［2］马强．高水充填沿空留巷支护优化设计［D］．邯郸:河北工程大学，2015．

［3］熊祖强，熊志朋，孙亚鹏，等．沿空留巷高水材料巷旁充填系统改进及应用［J］．煤矿安全，2017，48(3):106－109．

［4］武善元，贾凯军，徐庆国．薄煤层综采新型高水材料巷旁充填沿空留巷技术研究［J］．煤炭工程，2013，45(8):50－53．

［5］孙春东，冯光明．新型高水材料巷旁充填沿空留巷技术［J］．煤矿开采，2010，15(1):58－61，70．

作者：范子伟 李哲 单位：山煤集团