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煤矿高水材料充填沿空留巷技术研究

2019/07/16 阅读:

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

煤矿高水材料充填沿空留巷技术研究

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