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超高水材料液压支架后挂袋充填技术 连小林， 冯光明， 王成真， 周振 中国矿业大学 矿业工程学院， 江苏 徐州 221008 摘要 超高水材料是一种新型绿色环保的材料， 以该材料为基础的充填开采技术能够很好的解 决建筑物下压煤的问题。介绍了超高水材料液压架后挂包充填开采技术实施过程， 以陶一煤矿 充 2 工作面为例介绍了相关的采煤工艺与充填工艺， 并对影响充填效果的因素进行了分析。工 程实践表明 超高水材料充填工作面矿压显现不明显， 凝结后的充填体可以有效的控制采空区顶 板， 限制地表下沉。 关键词 超高水材料; 充填开采; 综采机械化工作面; 充填体 中图分类号 TD823． 7文献标志码 B 文章编号 1003 －496X 2011 02 －0057 －04 1超高水材料简介 超高水材料是由中国矿业大学研发的一种采空 区充填材料， 该材料由 A、 B 料和 AA 与 BB 辅料 添 加剂 构成。A 料由多种矿物按一定的比例混合烧 制而成， B 料由多种矿物按一定的比例混磨而成， 辅 料 AA 为复合超缓凝剂， 辅料 BB 为复合超速凝剂。 使用时分别将 A、 B 料制成浆体， 然后在充填点前方 按质量比 1∶ 1 进行混合。根据加入 A、 B 2 种浆体 中添加剂的多少可以将初凝时间控制在 8 ～ 90 min 之内。浆体混合后逐渐凝固并具有强度， 生成的超 高水材料固结体具有不收缩的特点， 7 h 后其抗压 强度可达到最终强度的 60 ～ 90， 在水体积为 95 ～97时， 28 d 后最终强度为 0． 66 ～1． 5 MPa。 超高水材料因良好的流动性和凝固后的不可压缩性 使其成为了一种理想的采空区充填材料 〔1〕。目前， 该材料主要用于“三下一上” ， 煤层倾角在 5 ～ 18 仰采工作面的采空区充填。主要有 2 种充填方式 开放式充填和袋式充填。开放式充填工作面布置成 仰斜开采方式， 这样， 超高水充填浆液通过输送管路 能够自流进入采空区。袋式充填则适用于煤层顶板 完整性较差， 工作面随采随冒的情况。开放式充填 和袋式充填充填率都较高 ， 檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸 但是袋式充填相对于开 松弛和舒缓， 致使顶板坚硬岩层突然断裂时产生 “采动应力谐振叠加效应” ， 造成一次释放的能量成 倍增加， 是引发较大规模的冲击地压的主要原因。 2 数值模拟表明采区保护煤柱附近是应力集 中程度最高的区域， 因此， 在进行采掘部署时应尽量 避免或减小保护煤柱。在此区域进行采掘活动时， 应高度警惕， 采取有效解危措施后再进行正常生产。 3 冲击地压的治理应遵循弱化煤体和强化支 护相结合的 “弱内强表” 原则， 一是将距巷道一定范 围内深部煤岩体的强度和刚度弱化， 使冲击倾向性 降低， 从而巷道周边应力向围岩深部转移， 使巷道附 近围岩处于应力降低区; 二是加强支护尤其是加固 底板， 以增加巷道表面强度和抵抗冲击破坏的能力。 参考文献 〔1〕 窦林名， 何学秋． 冲击地压防治理论与技术〔M〕 ． 徐 州 中国矿业大学出版社， 2001． 〔2〕 谢和平， 彭苏萍， 何满潮． 深部开采基础理论与工程实 践 〔M〕 ． 科学出版社， 2006． 〔3〕 潘立友． 深井冲击地压及其防治 〔M〕 ． 北京 煤炭工业 出版社， 1997． 〔4〕 李忠华， 潘一山． 采煤工作面冲击地压的解析分析 〔J〕 ． 辽宁工程技术大学学报， 2002 1 40 －42． 〔5〕 牟宗龙， 窦林名， 张广文， 等． 坚硬顶板型冲击矿压灾 害防治研究〔J〕 ． 中国矿业大学学报， 2006， 35 6 737 －741． 作者简介 李怀珍 1977 － ， 男， 山东聊城人， 硕士， 讲 师， 2000 年毕业于焦作工学院， 现为河南理工大学能源科学 与工程学院教师， 主要从事巷道支护技术研究与教学工作， 发表论文 10 余篇。 收稿日期 2010 －07 －26; 责任编辑 梁绍权 75 技术创新 2011 －02 放式充填成本较高， 主要体现在柔性充填袋和采空 区充填辅助用工等方面。 2工作面地质条件 冀中能源邯郸矿业集团陶一煤矿 12701 上充 2 工作面所采 2煤层为单一倾斜煤层， 煤层倾向 N110E 左右， 倾角 10 ～ 15， 煤厚为 3． 5 ～ 4． 3 m， 地面标高 175． 3 ～ 182． 9 m， 工作面标高 － 147． 9 ～ －187． 0 m， 工作面埋深 316． 2 ～382． 3 m， 顶板为灰 黑色粗粉砂岩， 地板为灰白色火成岩， 煤层柱状图如 图 1 所示。 图 1煤层综合柱状图 3超高水材料采空区充填工艺 3． 1工作面布置及装备 冀中能源邯郸矿业集团陶一煤矿 12701 上充 2 工作面位于陶一矿七采区南翼， 工作面沿煤层倾向 布置， 为倾向条带充填开采工作面。工作面走向长 50 m， 倾向长 200 m。工作面 2 侧分别为充 1 工作 面和充 3 工作面， 相邻 2 面间有 5 m 宽煤柱。 工作面落煤、 装煤均由 MG300/700 － WD 型双 滚筒采煤机完成， 采用 SGZ764/400 刮板输送机运 输， ZC6000/21/42 型液压支架支护， 运输巷内采用 SGW －150C 型刮板机和 DSJ100/63/2 75 带式输 送机进行运输。 3． 2工作面采煤工艺 12701 上充 2 工作面采用倾斜长壁采煤法开 采， 使用采煤机落煤， 刮板输送机运输， 工作面顶板 采用支撑式填充支架支护， 不完全垮落法和包式充 填法管理顶板。工作面采用“三八” 工作制， 即一班 出煤、 一班检修、 维护、 一班充填， 每班作业时间为 8 h。其中， 早班检修、 维护， 中班生产， 夜班充填。 采煤机采用斜切式入刀， 单向割煤方式， 采煤机 割煤 4 刀， 采空区充填 1 次， 每次割煤深度为 0． 5 m。工作面移架和移刮板输送机的步距为 500 mm。 刮板输送机在移动过程中， 按照从机尾向机头 的顺序进行， 机头和机尾采用单体液压支柱加金属 铰接顶梁加强支护。工作面运输巷和回风巷设 30 m 的超前支护， 支护方式同样采用单体液压支柱加 金属铰接顶梁加强支护。 3． 3超高水材料充填系统 超高水材料充填系统主要由以下几个系统组 成 1 充填材料储运系统。包括地面储运系统与 井下储运系统。每套储运系统均包括甲、 乙 2 个独 立的储料区域， 其中甲储料区又分成 A 与 A － A 区 域， 分别存放 A 料与 A － A 料; 乙储料区又分成 B 与 B － B 区域， 分别存放 B 料与 B － B 料。 2 充填泵站系统。包括制浆系统与泵送系 统。 3 混料系统。负责将 A、 B 2 种浆体在工作面 前方混合， 然后输送至待充填区域。 4 通讯系统。通讯系统主要为充填泵站 充 填泵甲乙区 、 回采工作面、 混合区与地面间相互联 络等。 3． 4工作面充填工艺 超高水材料工作面充填大致分为 2 个阶段 挂 包充填阶段与开放式充填阶段。工艺流程如图 2。 超高水材料开放充填阶段， 由于工艺简单且和前期 的挂包充填阶段有较大的重合， 以下着重以超高水 材料挂包充填进行研究。 图 2充填工艺流程 1 充填准备。工作面开始向前推进， 液压支 架后方的顶板逐渐的悬露， 当悬露长度达到充填包 宽度时， 在液压支架后方设充填包充填。工作面进 85 第 42 卷第 2 期技术创新 行充填前， 需保证工作面支架控顶区有良好的支护， 之后用充填包在待充填区内构筑完全“封闭” 的充 填空间。充填包规格为 11 m 2． 3 m 4． 0 m。充 填工作面充填管布置路线为 充填泵站→充填管→ 工作面顺槽→综采充填工作面→各充填点。 2 检查准备。充填前的准备主要涉及以下几 个方面 工作面吊挂充填袋检查， 充填管路检查， 工 作面充填管及闸阀检查以及通信线路检查。 3 充填实施。填泵站接到工作面通知之后开 始制浆生产。充填过程中同时对数个充填包进行灌 注， 避免出现不同包组内的浓度不同以及因流量过 大将充填包冲破。充填量以充填包的大小为依据， 防止造成浪费。充填过程中， 发现已经充填的区域 出现明显不接顶， 必须进行必要的补充充填。 4 管道清洗。在工作面充填结束后， 需对相 关管路进行重新， 以保证下次正常的使用， 冲洗所产 生的尾液可以排入充填包组间的间隔内。 4充填作用机理及影响因素 4． 1超高水材料架后充填作用机理 超高水材料液压支架架后挂包充填是一种开方 式充填与全包式充填相结合的新型充填方式。该种 充填方式实施过程与普通的包式充填类似， 首先在 液压支架后挂设充填包体并向其内灌注超高水浆 体， 通过充填包体内凝结的固结体来初步支撑液压 支架移过之后的采空区顶板使其不发生大面积跨 落。在工作面推进一定距离后， 向由充填包构筑的 空间内进行注浆充填 开放式充填 ， 最终将采空区 注满。 正常条件下工作面煤层开采后， 采出空间周围 的岩层因失去支撑而向采空区内逐渐移动、 弯曲和 破坏， 这就使得采空区及上覆岩层中形成巨大的 “采空” 空间， 并逐渐形成冒落带、 裂缝带和弯曲下 沉带 〔2〕。超高水材料架后充填技术， 通过在液压支 架采空区侧设置超高水材料充填包达到初步控制顶 板， 减小其弯曲下沉量的目的。在工作面推进一定 距离后向采空区侧未进行架设充填包的区域灌注超 高水材料， 一方面可以有效的充实采空区， 使超高水 材料处于三向受力状态， 提高充填体的支撑力， 避免 充填包体长期受压发生破坏; 另一方面， 超高水材料 具有良好的流动性， 在灌注到采空区后浆体可以有 效的流入岩石间的裂隙， 对冒落的矸石带进行加固。 4． 2影响超高水材料架后充填的因素 超高水材料充填开采中矿压显现比较缓和， 无 明显的初次来压和周期来压， 充填效果主要受顶板 下沉量的影响较大。在对采空区进行充填的过程 中， 如果充填前的顶板下沉量过大， 那么会相应的造 成地表沉陷过大， 所以充填前顶板的下沉量是衡量 充填采场控顶好坏的标准。除了煤岩和围岩的性质 外， 充填体的强度充填率充填步距和支架的性能是 影响充填前下沉量的最重要的因素， 并且这些是可 以人为控制的， 因此充填采场控制主要是围绕这些 因素来进行。 1 充填体强度的影响。对于充填采矿， 充填 体强度直接影响围岩和充填体的稳定性， 尤其是材 料初始强度， 如果材料强度不足以承载直接顶施加 的压力， 就会造成顶板的下沉量加大。充填体强度 与充填材料的配比和养护时间密切相关， 相同条件 下水灰比越大， 其弹性模量和抗压强度就越大， 采矿 成本也就越高; 而同一配比的超高水材料随着时间 的增加材料的弹性模量和抗压强度也会越大。图 3 为超高水充填材料固结体各龄期强度随时间变化曲 线。 图 3超高水充填材料固结体各龄期强度随时间变化曲线 2 液压支架性能。在充填开采当中， 上覆顶 板可以简化成梁结构， 梁的一端被煤壁支撑， 中间受 到支架或支柱的支撑， 另一端被充填体承载， 没有初 次来压和周期来压或初次来压和周期来压不显著。 充填专用液压支架的作用是， 保证采场的安全与充 填作业空间的安全， 将顶板下沉量控制在合理的范 围， 保证直接顶和老顶没有离层确保直接顶的完整， 为充填作业提供充填空间。事实证明直接顶对充填 开采的影响是比较大的， 直接顶的稳定是确保充填 开采的重要因素， 而确保直接顶的稳定的前提就是 保证不离层 因此支架的设计除了要考虑能承载直 接顶冒落矸石的重量， 还要确定直接顶和老顶未分 层， 因为只有这样才能保证直接顶的破碎程度最小。 3 充填步距的大小。充填步距既充填包组间 所留的间隙， 一方面有利于相关人员进出充填空间， 95 技术创新 2011 －02 另一方面可以减少充填包的使用数量。充填步距受 充填能力、 充填支架的支护能力、 顶板的破碎程度等 多种因素的影响。充填步增大可以在一定程度上提 高充填效率、 降低充填成本， 但是过大则会因充填包 体不能有效的承载采空区顶板， 导致充填包体变形、 顶板的下沉量增大。 4． 3超高水材料架后充填优缺点 超高水材料架后充填开采该技术结合了开放式 充填和袋式充填的优点， 通过构筑充填带来控制直 接顶， 弥补了开放式充填受地质条件限制， 袋式充填 成本较高、 准备时间长的不足， 扩大了超高水材料采 空区充填的适用范围。但由于在充填过程中的开放 式充填需要浆体靠自身的重力流入采空区， 所以对 煤层倾角和开采方式有一定的要求， 这也在一定程 度上限制了该技术的应用。 5矿压观测 冀中能源邯郸矿业集团陶一煤矿 12701 上充 2 工作面， 架后充填工程于 2010 年 5 月开始实施， 截 至 2010 年 8 月充填结束， 解放空间 41 027． 56 m3， 对采空区充填 34 336． 6 m3， 充填率为 83． 7， 开采 中矿压显现比较缓和， 无明显的初次来压和周期来 压。 在充填过程中， 使用尤洛卡公司生产的 KJ216 煤矿顶板安全检测系统对工作面液压支架支护阻力 进行在线监测， 采集数据如图 4 所示。 图 4工作面液压支架支护阻力变化曲线 由图中可以看出， 在工作面向前推进的过程中， 工作面液压支架支护阻力变化较为平稳， 能够维持 在一个相对较小的范围内， 支护阻力没有出现周期 性的突然变化， 说明在对采空区实施充填后采空上 覆岩层活动较为平稳， 上覆岩层没有剧烈的回转下 沉， 也没有出现明显的断裂， 仍然很好的保持在岩梁 状态， 岩梁与岩梁之间相互咬合， 保持着力学平衡模 型， 从而没有出现大的来压显现 〔3 －4〕。同时也说明 在对采空区后方进行挂袋充填后， 充填体能够很好 的对顶板起到很好的支撑。 6结语 1 超高水材料架后充填与传统的充填方式相 比具有充填率较高， 更容易控制顶板的优点。 2 超高水材料不仅具有良好的流动性， 还具 有良好的渗透性， 不仅能密实采空区冒落带， 而且可 渗透到裂隙带岩层的大小裂隙中， 提高岩体的强度。 3 超高水材料架后充填开采技术具有充填工 艺简单， 初期投资低， 机械化程度高， 充填效率高， 充 填效果直观， 充填与开采互不影响等显著优点。 4 超高水材料架后充填采煤技术是一种高产 高效的绿色开采技术， 相比较其他三下采煤技术有 很大的优势， 随着这种采煤方法的成熟必将在煤矿 上大量应用。 参考文献 〔1〕 冯光明． 超高水充填材料及其充填开采技术研究与应 用 〔D〕 ． 徐州 中国矿业大学， 2009． 〔2〕 邹友峰， 邓喀中， 马伟民． 矿山开采沉陷工程 〔M〕 ． 徐 州 中国矿业大学出版社， 2003． 〔3〕 缪协兴， 张吉雄． 矸石充填采煤中的矿压显现规律分 析 〔J〕 ． 采矿与安全工程学报， 2007， 24 4 379 －382． 〔3〕 缪协兴， 张吉雄，矸石充填采煤中的矿压显现规律分 析 〔J〕 ． 采矿与安全工程学报， 2007， 24 4 379 －382． 〔4〕 周振宇， 郭广礼， 查剑锋， 等． 建筑物下矸石充填巷采 沉陷控制研究 〔J〕 ． 煤矿安全， 2008 8 19 －22． 作者简介 连小林 1984 － ， 男， 山西长治人， 硕士研究 生， 研究方向为巷旁支护和采场围岩控制。 收稿日期 2010 －11 －01; 责任编辑 梁绍权 06 第 42 卷第 2 期技术创新