高水充填材料在深部沿空留巷技术中的应用

文章编号：1008-3731（2015）02-00高水充填材料在深部沿空留巷技术中的应用刘军朱金鹏（徐州矿务集团有限公司三河尖煤矿，江苏徐州221613）【摘要】高水材料作为一种新型的沿空留巷巷旁支护材料，在现场施工中具有施工速度快、工人劳动强度低、与采空区隔绝密闭效果好等优点，是一种方便快捷、支护效果良好的巷旁支护材料。【关键词】高水材料；沿空留巷；巷旁支护；顶板管理中图分类号：文献标志码：1引言沿空留巷是无煤柱开采技术的一大发展方向，它是维护在工作面后方的采空区边缘巷道，即在工作面回采过程中，通过有效的巷旁支护和巷内支护技术，将本工作面的回采巷道保留下来，作为邻近工作面的一条回采巷道使用。但是，正是由于沿空留巷在工作面后方，受两次工作面采动影响引起的矿压显现要比用煤柱保护引起的矿压显现强烈地多，巷道维护比较困难。国内外对巷旁支护机理及方法进行了较多的研究和实践。上世纪50年代以来巷旁支护长期采用矸石带、木垛、密集支柱和混凝土砌块，上述巷旁支护普遍存在增阻速度慢、支承能力小、压缩变形量大、密闭性能差、机械化程度低、劳动强度大，或力学性能与沿空留巷围岩变形不相适应等缺点，不利于沿空留巷维护和防止采空区漏风、煤层自燃，沿空留巷效果不好。高水充填材料具有支护阻力大、增阻速度快、适量可缩，巷道维护效果好，机械化整体构筑巷旁支护采空区密闭性好、劳动强度小的优点；整体浇注的高水充填材料巷旁支护体能克服传统巷旁支护的根本缺陷，把沿空留巷所需解决的两个关键问题——实现巷旁支护和密闭采空区有机结合起来，显示出了其技术经济的优越性。2高水材料2.1充填原理高水充填材料是一种能在高水灰比条件(W/C=1.3:1～3:1)下快速凝结的特种水泥。该材料以硫铝酸盐水泥熟料为基料，加入石膏、石灰、复合缓凝剂、悬浮剂、复合速凝剂等配制而成，为了使用方便，高水充填材料分甲料、乙料两部分，按1:1的比例配合使用。甲料、乙料单独与水混合12h不凝结，为避免管路堵塞和一定条件下不冲洗管路创造了条件，而甲料浆和乙料浆一旦相互混合则快速凝结硬化。高水充填材料之所以能够在高水灰比条件下快速、全部凝结硬化，是因为其水化反应生成了大量的钙矾石，其分子式为3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O。钙矾石是含结晶水最高的水化物中最为常见的一种，在钙矾石中，结晶水分子容积高达81.16%。这是高水充填材料不同于一般水泥材料的最显著的特点。与一般的水泥类材料相比，高水充填材料具有以下特点；(1)高水灰比（2.5:1）条件下结石率100%；(2)凝结时间短，早期强度高并可调；(3)塑性好，凝结体单轴加压应变达15%时，其残余强度还能维持在峰值强度的50%以上。(4)凝结体具有微膨胀性；(5)改变水灰比和添加剂成分就能获得不同强度的凝结体，可以满足不同工程的需要。(6)单位体积充填材料用量少，在水灰比1.6~1.8:1的条件下，1m3充填体只需高水充填材料500kg；高水充填材料的这种水化硬化反应过程可描述如下：强度硬化体胶凝固化水化溶解乙料水化溶解甲料高水速凝材料2.2抗压强度与水灰比的关系高水充填材料抗压强度与水灰比的大小成反比关系(见错误!未找到引用源。所示)，水灰比越小，强度就越高，每立方米充填需要使用的高水充填材料越多，水用量越少，充填凝固体的强度就越高，反之，水灰比越大，每立方米充填需要使用的高水充填材料越少，水用量越多，充填凝固体的强度就越低，在水灰比W/C=0.5:1～0.75:1左右，这是普通水泥混凝土经常使用的水灰比范围，高水充填材料抗压强度可达到30～50MPa以上。根据高水充填材料与水灰比的关系，调节水灰比改变充填体抗压强度可以满足多种强度要求的工程需要。图1高水充填材料单轴抗压强度与水灰比关系2.3高水充填材料的变形性能利用中国矿业大学MTS815型刚性伺服机测得高水充填材料在水灰比1.5：1条件下凝结7天以后的全应力应变曲线和变形特点如图2所示。02468101205%10%15%20%25%单轴抗压强度/MPa应变图2高水充填材料全应力应变曲线从错误!未找到引用源。看出，高水充填材料具有突出的塑性特征，在载荷达到峰值强度后，高水充填材料并不立即完全破坏丧失承载能力，而是随着应变的进一步加大，承载能力呈缓慢下降变化，承载能力随应变增加缓慢下降的速度远小于一般的混凝土和岩石材料，此水灰比条件下高水充填材料峰值抗压强度为10.4MPa，当应变达到10%时，其抗压强度还维持在峰值强度的65%以上，应变继续增加达到18%，残余抗压强度为峰值的59%左右。高水充填材料充填体呈现明显的塑性材料特征，在压力作用下可以允许较大的塑性变形，强度衰减比较缓慢，可以维持较高的残余强度。2.4高水材料充填系统高水材料出厂后分为甲料、乙料、加甲料及加乙料四部分，制浆时加甲料与甲料混合形成甲料浆，加乙料与乙料混合形成乙料浆，需要分别加水搅拌输送，在充填点混合，甲、乙料浆单独搅拌、输送均不凝固，混合后能快速凝固。充填系统：搅拌桶分别搅拌甲料浆、乙料浆，双液充填泵分别对两种浆液加压，双趟高压管路输送浆液，在回采工作面后方留巷位置充填到充填袋内混合、凝固。高水充填材料巷旁充填布置包括充填泵站与充填点两部分。其基本工艺流程如图3所示。监控充填情况搅拌桶加水搅拌桶加料31联结钢筋网吊挂充填袋清理浮煤加水、拌料搅拌桶加料开动搅拌机搅拌桶加水充填点准备准备卸料检修2进行充填开泵供料监控出浆46清洗整理清理充填点5开泵供清水清洗设备结束检查充填袋整体架设情况穿上对拉锚杆充填点支护、拆卸横头钢筋网图3工作面巷旁充填工艺流程图3工程实例徐州矿务集团三河尖煤矿随着矿井产量和生产效率的不断提高，传统的巷道布置方式已不能满足采掘接替及安全回采的需要，同时护巷煤柱造成了大量煤炭资源的浪费。根据生产实际以及紧张的采掘接续，三河尖煤矿与中国矿业大学合作，在92202工作面开展了高水充填材料沿空留巷技术的研究应用。3.1工程概况92202工作面属于矿井南二采区，是9煤的第一个工作面，煤层标高-927m~-979m，最大埋深1017米，煤层平均厚度3.0m，倾角为17°，直接顶为中砂岩，厚度9.2米，以长石石英砂岩为主，局部有粗粒岩，性较坚硬；老顶为粉砂岩泥岩互层，厚度14.8米；直接底为砂泥岩，厚度5.06米；老底为粉砂岩，厚度4.08。92202工作面从2014年5月开始利用高水充填材料进行沿空留巷，至2014年11月结束，留巷长度400米，留巷效果达到了设计要求。如图4所示图4留巷实际效果图3.2施工工艺92202工作面根据煤层赋存条件，平均采高2.8m左右，根据现场巷道高度，定位好充填空间位置，并对充填空间区域顶板进行支护（根据顶板完整情况确定是否架设临时支护），满足安全要求；随后进行清理浮煤与吊挂充填袋等工作。挂袋时应尽量将富余的袋子挂在顶网上，以便于充填时能更好的密实接顶。同时拆下已凝固好的充填体横头钢筋网，将适宜的充填袋放入钢筋网内，联接好钢筋网(用12#或更粗的铁丝连接)，穿上对拉锚杆(见图5所示)，打牢单体液压支柱，背实钢筋网。留巷墙体宽度2m。在充填过程中，应巡回检查充填袋周边情况，发现问题及时处理。需要指出，当充填体快要接顶时，应密切观察情况，尽可能地使充填袋接顶密实，不留缝隙。一旦接顶成功，应立即将注浆管从充填袋内拿出（并立即给信号停止注浆），并用绳将充填口捆扎结实，防止浆液外溢。同时，充填站工作人员应迅速将安放于甲乙料混浆管尾段的清水阀打开，冲洗混浆管，以免其被堵塞。如果此时充填工作已经结束，则应通知泵站，开打清水，清洗管路。3.3留巷段顶板管理在工作面回采及留巷期间，顶板活动强烈。大量观测结果表明，顶板活动强烈的范围在工作面后方100m范围内，故需对工作面后方100m范围内加强支护。支护方式采用单体液压支柱配套铰接顶梁及铁鞋加强支护，排距为1.0m，每排打3根单体液压支柱。沿空留巷道超前支护与原巷道的超前支护保持一致即可。同时为了保持充填区域内顶板的完整性及保证施工人员作业安全，也为了兼顾采煤作业与沿空留巷作业互不影响，采取超前做安全缺口的方式进行超前顶板管理，缺口支护方案可与原巷道支护参数一致。（图5）92202工作面滞后加强支护段(100m左右)液压支架充填体铰接顶梁单体液压支柱留巷稳定段采空区拆除加强支护轨道巷48001000炮孔300800加强支护超前支护段(30m)11001100220010001000AA图5沿空留巷顶板管理示意图3.4充填体支护措施为了增加充填体的承载能力和抗横向变形能力，采用对拉锚杆、钢筋梯子梁、金属网加固充填体。对拉锚杆采用22mm的螺纹钢材料制作，间排距为800mm900mm钢筋梯子梁采用14mm的圆钢焊制，金属网采用6mm圆钢加工，网孔为100mm100mm。充填体加固示意图见图6。采空区侧留巷侧3600×2000×3000mm800300450900900900450钢筋网800梯子梁8003002000对拉锚杆图6充填体加固示意图4实施效果4.1矿压监测为了监测沿空留巷支护效果，现场分别位于第9#充填体、第18#充填体布置了测站1和测站2，采集巷道表面位移及表面位移速度。4.2观测结果测点1：回采期间从锚杆液压枕读数来看，第9#垛充填体（距原切眼距离为30m）液压枕读数升到7.4MPa后，一直保持读数不变；第18#垛充填体（距原切眼距离为60m）液压枕读数从6.5MPa升至14MPa，稳定一段时间后于6月10日早班液压枕读数降为10MPa，说明留巷上方更上位岩层已发生破断，后方围岩变形逐步趋于稳定。从表面位移监测来看，工作面后方100m以外留巷已基本稳定，实煤帮侧巷道平均高度为2.1m，充填体侧巷道平均高度为1.8m；巷道底鼓量为300mm~350mm，底鼓较严重段底鼓量为400mm~500mm（大约6m，与该处构造有关），根据估算，实煤帮侧顶板下沉量为100mm左右，充填体侧为200mm左右；充填体变形量在150~250mm之间，局部变形量为300mm左右，由于充填体顶板压力大，导致对拉锚杆附近钢筋网受力发生剪切破断，充填袋撕坏、充填体破碎、裸露，其露出量为100mm~150mm，露出面积较小。巷道围岩变形量与变形速度距工作面距离关系图如图7、图8所示：（a）1#测站围岩变形量（b）1#测站围岩变形速度图71#测站沿空留巷围岩变形曲线（a）2#测站围岩变形量（b）2#测站围岩变形速度图82#测站沿空留巷围岩变形曲线由图7（b）可以看出，在工作面后方10m~60m范围内，由于巷道受到工作面初次来压及周期来压的影响，沿空留巷上覆岩层活动剧烈，巷道围岩变形剧烈，变形量大，变形速度快。其中，实煤帮侧顶底板最大移近速度为104mm/d，充填帮侧顶底板最大移近速度为92mm/d，两帮最大移近速度为14mm/d。工作面后方60m以外，围岩变形趋于稳定，实煤帮侧顶底板累计移近量272mm，充填帮侧顶底板累计移近量257mm，两帮累计相对移近量85mm，围岩进入低速蠕变状态，由于该测点离开切眼较近，围岩已基本稳定。由图8可以看出，该测站沿空留巷围岩变形可以分为2个阶段：第1阶段：在工作面后方40m范围内，由于顶板受到工作面周期来压的影响，沿空留巷上覆岩层活动剧烈，充填体从初始不承载到承受较大的顶板压力，巷道围岩变形剧烈，变形量大。其中，实煤帮侧顶底板最大移近速度为102mm/d，充填帮侧顶底板最大移近速度为94mm/d，两帮最大移近速度为15mm/d。第2阶段：工作面后方40m以外，巷道仍继续受到更上位顶板破断、垮落的影响，围岩仍保持一定的变形速度。到目前为止，实煤帮侧顶底板累计移近量203mm，充填帮侧顶底板累计移近量280mm，两帮累计相对移近量104mm，围岩变形量缓慢增大。4.3现场效果工作面后方巷道基本稳定，顶板、充填体、实体煤帮变形在预计范围内，虽个别充填体及底鼓量较大，但能满足工作面安全回采的需要，达到了预期的留巷效果。5结语高水材料作为一种新型的沿空留巷巷旁支护材料，在现场施工中具有施工速度快、工人劳动强度