沿空留巷巷旁支护技术的发展.pdf

第3 3 卷第2 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 3N o ．2 2 0 0 4 年3 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y M a r ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 2 0 1 8 3 0 4 沿空留巷巷旁支护技术的发展 柏建彪1 ，周华强1 ，侯朝炯1 ，涂兴子2 ，岳殿召2 1 ．中国矿业大学能源科学与工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ； 2 ．平顶山天安煤业股份有限公司．河南平顶山4 6 7 0 1 1 摘要在综述巷旁支护技术发展历程的基础上，提出膏体材料巷旁充填沿空留巷新技术} 分析沿 空留巷顶板破断垮落特征，建立了膏体材料巷旁充填沿空留巷的力学模型，提出了膏体材料巷旁 支护体主要参数的确定方法，并将研究结果应用于工程实践． 关键词膏体充填材料；沿空留巷；巷旁支护 中图分类号T D3 5 3文献标识码A D e v e l o p m e n to fS u p p o r tT e c h n o l o g yB e s i d eR o a d w a y i n G o a l S i d eE n t r yR e t a i n i n gf o rN e x tS u b l e v e l B A IJ i a n b i a 0 1 ．Z H O UH u a q i a n 9 1 ，H O UC h a o j i o n 9 1 ，T UX i n g z i 2 ，Y U ED i a n z h a 0 2 1 ．S c h o o lo fM i n e r a la n dE n e r g yR e s o u r c e s ，C U M T ，X u z h o u tJ i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ； 2 ．T i a n ’a nC o a lM i n i n gL t d ．o fP i n g d l n g s h a nM i n i n gG r o u pC o ．，P i n g d i n g s h a n ，H e n a n4 6 7 0 1 1 - C h i n a A b s t r a c t T h ed e v e l o p i n gh i s t o r y 、o fs u p p o r tt e c h n o l o g yb e s i d er o a d w a ya r es u m m a r i z e d ．An e w t e c h n i q u eo fb a c k f i l l i n gt h eg o a f s i d ee n t r yr e t a i n i n gf o r “ n e x ts u b l e v e li sp u tf o r w a r d ．A n dt h e f a l h n ga n db r e a k i n gc h a r a c t e r i s t i co fr o o fi ng o a l s i d ee n t r yr e t a i n i n gf o rn e x ts u b l e v e li sa n a l y z e d ． T h em e c h a n i c a lm o d e li sa l s oe s t a b h s h e dt oc a r r yO u tt h eb a c k f i l l i n gb e s i d et h er o a d w a yi ng o a f s i d e e n t r yr e t a i n i n gf o rn e x ts u b l e v e lb yu s i n gt h ep a s t eb a c k f i l l i n gm a t e r i a l ．F i n a l l y ，t h ed e t e r m i n a t i o n m e t h o df o rm a i np a r a m e t e r so fs u p p o r tb e s i d er o a d w a yi sp o s e da n dt h er e s e a r c hr e s u l t sa r ea p p l i e d t ot h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e ． K e yw o r d s p a s t eb a c kf i um a t e r i a l ；g a t e w a ym a i n t a i n e da l o n gt h eg o a f ；r o a d s i d es u p p o r t 煤炭开采排放矸石形成的环境问题主要有；矸 石山压占土地，我国矸石排放量约为原煤总产量的 1 5 ％～2 0 ％，累计储存量已超过3 0 亿t ，占地5 5 k m 2 ，而且以年排放量1 ．2 亿t 的速度增长f 矸石山 自燃对大气污染，我国自燃的矸石山有3 0 0 多座， 产生大量的烟尘及S O ，H 。S ，C O 等有毒气体，污染 大气环境} 矸石中的金属离子及有机物对水资源及 土壤的污染等[ 。“． 解决矸石排放问题的技术途径有开采过程中 减少排矸量、矸石不出井及地面综合利用等．沿空 留巷既可以少掘一条回采巷道，降低掘进率、减少 掘进排矸量，又可以将矸石为集料制作膏体材料进 行巷旁充填及采空区充填．膏体材料中8 5 ％以上 是矸石。在井下制作膏体材料、直接消耗大量矸石， 实现矸石不出井，膏体材料充填沿空留巷是煤矿绿 色开采的一个重要组成部分． 1 沿空留巷巷旁支护技术 沿空留巷从空间上使巷道处于开采后应力重 新分布的低应力区，但从时间上无法避免采动支承 应力重新分布过程中的剧烈作用，巷道需要经受两 次采动影响，矿压显现强烈，巷道维护难度大．但沿 收稿E l 期。2 0 0 3 1 1 1 7 基金项目，国家自然科学基盒重点项目 5 9 7 3 4 0 9 0 作着徊介。柏建彪 1 9 8 6 一 ，男，江苏省仪征市人，中国矿业大学副教授，工学博士，从事巷道围岩控制理论与支护技术方面的研究 万方数据 1 8 4 中国矿业大学学报第3 3 卷 空留巷具有煤炭回收率高、回采工作面衔接合理、 巷道掘进率低、掘进排矸少的优点，尤其是掘进速 度仅为8 0 ～1 0 0m ／月的煤与瓦斯突出煤层，采用 沿空留巷可以解决采掘接替紧张的难题．因而，沿 空留巷一直是煤炭开采技术的重要发展方向． 沿空留巷的关键是沿空一侧巷旁支护体的材 料和性能的选择，要求增阻速度快，并具有合理的 支护阻力能切落一定高度的顶板，具有较大的变形 量适应沿空留巷剧烈变形，同时希望巷旁支护成本 低廉，这些特性推动着巷旁支护技术的发展． 按力学特性可将巷旁支护分为刚性、有限可缩 量、大可缩量几种．传统的巷旁支护有木垛、密集支 柱、矸石带、混凝土砌块等． 术垛巷旁支护的优点是稳定性好、架设劳动强 度小；缺点是增阻速度慢、可缩量大、支护阻力小、 巷道控顶宽度大、留巷效果差，不能密闭采空区、木 材消耗量大，适用于薄及中厚煤层． 密集支柱巷旁支护与木垛相比，其优点是可缩 量小、早期支撑性能好、巷道控顶宽度小、切顶效果 较好；缺点是可缩量小、支护阻力小、稳定性差，不 能密闭采空区、木材消耗量大，适用于脆性顶板、中 等稳定的薄及中厚煤层． 矸石带巷旁支护的优点节省支护材料、稳定性 较好；缺点是矸石带的可缩量大、前期支护阻力小、 顶板下沉量大，构筑矸石带的劳动强度大，密闭采 空区效果较差，适用于顶板韧性较大的薄煤层． 混凝土砌块巷旁支护的优点是前期支护阻力 大、增阻速度快、切顶效果好；缺点是可缩量较小、 成本较高、构筑巷旁支护的劳动强度大，密闭采空 区效果较好，适用于顶板中等稳定的薄及中厚、中 硬以上的煤层． 传统的巷旁支护存在支护阻力、可缩性等力学 性能与沿空留巷围岩变形不相适应、密闭性能差和 机械化程度低等缺点，不利于巷道维护和防止采空 区漏风与自燃发火，所以长期以来我国沿空留巷基 本上只是应用在条件较好的薄及中厚煤层，条件困 难或厚煤层中难以发展，多采用沿空掘巷． 2 巷旁支护的新材料和新技术 针对沿空留巷围岩活动规律及传统巷旁支护 存在的同题，研究、开发了高水速凝材料及膏体材 料巷旁支护新技术，它们的优点是支护阻力大、增 阻速度快、适量可缩，巷道维护效果好，机械化整体 构筑巷旁支护对采空区密闭性好、劳动强度小；硬 石膏巷旁支护在德国有少量应用，由于成本昂贵、 输送管道磨损严重、粉尘大，我国基本没有应用． 2 ．1 高水速凝材料巷旁支护 高水速凝材料是2 0 世纪7 0 年代末从英国发 展起来的，分甲料、乙料两部分，每部分单独加水搅 拌2 4h 不凝固，混合后快速凝固、早期强度大、增 阻速度快、塑性变形量大，水用量大、固体料用量 少，易于泵送、构筑巷旁支护的劳动强度小．中国矿 业大学研制的Z K D 高水速凝材料达到了国际先进 水平，其力学性能见表1 [ 3 ] ，Z K D 高水速凝材料不 但强度满足巷旁支护要求，而且塑性特征显著，残 余强度降至峰值强度的7 0 ％时，其应变可达3 ％～ 7 ．5 ％，能满足沿空留巷围岩强烈变形要求，工程实 践表明高水速凝材料巷旁支护沿空留巷效果良 好[ 4 ] ．但是高水速凝材料巷旁支护成本较高，未能 在我国广泛应用． 表1 高水速凝材料力学性能 T a b l e1 M e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fh i g hw a t e r q u i c k - s e t t i n gm a t e r i a l s 2 ．2 膏体材料巷旁支护 膏体材料巷旁支护由胶结料与矸石加永搅拌 混合均匀形成膏体状充填材料、经膏体充填泵泵 送、钢管输送到回采工作面后方由模板构筑的充填 空间内凝结而成．以矸石为集料的膏体材料在保留 高水速凝材料力学特性的基础上显著降低巷旁支 护成本，并能利用大量矸石，其中矸石占固体材料 总重的8 5 ％以上，材料成本可以控制在9 0 元／m s 以内．高水速凝材料巷旁充填沿空留巷时，水灰比 一般小于2 ．5t1 ，材料成本大于l9 0 元／m s ，由此 可见，膏体材料巷旁支护体价格低廉，经济效益显 著． 由胶结料2 5 0k g ／m 3 ，矸石16 0 0k g ／m 3 ，质量 浓度8 5 ％配比组成的支护体，抗压强度增长情况 见图1 ．从中可见，膏体材料巷旁支护体具有早期 强度大，增阻速度快的特点，4h 达到0 ．7M P a ，1d 达到1 9M P a 以上，可以有效支撑采空区后方巷 道顶板、切落采空区侧下位顶板，减小巷旁支护及 巷内支护的载荷，减小巷道变形，7d 达到4 ．2M P a 以上，可以满足切顶要求． 膏体材料巷旁支护的塑性变形特征显著，在载 荷达到峰值强度后，并不立即破坏、丧失承载能力， 只是随着变形增大，承载能力缓慢下降，下降速度 远小于一般的脆性材料．该特性表示在沿空留巷剧 万方数据 第2 期柏建彪等沿空留巷巷旁支护技术的发展 烈变形过程中，巷旁支护适当压缩变形、卸载，仍保 持较大的支撑力，有效维护巷道． d 5 蠹3 蠢1 时嘲／d 图1 膏体巷旁充填体强度与时间的关系 F i g ．1 R e l a t i o no fp a s t eb a c k f i l l i n gs t r e n g t ht Ot i m e 3 膏体巷旁支护主要参数确定 3 ．1 力学模型 对巷旁充填沿空留巷的力学模型作如下简化 1 基本顶破断前矸石对结构块A C 的支撑力为 零；2 采空区上方直接顶与基本顶，以及基本顶之 上软弱岩层与更上位岩层之间离层，认为其间的剪 力为零；3 基本顶之上的软弱岩层，其重量均匀地 作用于基本顶；4 下位基本顶以煤体弹塑性交界 处为旋转轴向采空区侧旋转倾斜．根据上述简化建 立巷旁充填沿空留巷的力学模型[ 4 1 见图2 ． 圈2 巷旁充填沿空留巷的力学模型 F i g ．2M e c h a n i c a lm o d e lo fb a c k f i l l i n gb e s i d e r o a d w a yf o rg o a l s i d ee n t r yr e t a i n i n gf o rn e x ts u b l e v e l 图中“，z 。为应力极限平衡区的支承应力及 宽度，M P a ，m ，计算式为式 1 [ 5 ] ；c 为巷道宽度， m ；d 为巷旁支护体宽度，m ；P q 为巷旁支护体的切 顶阻力，M N ／m ；z 为B C 岩块的长度，m ，计算式为 式 2 ‘6 3 ；q 。为直接顶单位长度自重，M N ／m ；M 。为 A 端基本顶的残余弯距，M N m ；M 。为基本顶的 极限弯距，M N m l q 为基本顶及其上部软弱岩层 单位长度的自熏，M N ／m ；N c ，T e 为基本顶在采空 区侧的剪力、水平推力，M N ，M N ，计算式为式 3 [ 川． 。一 去 鲁] e x p 哿z 一忐， 黑．．k鲁T“Ht。o．TO I n，㈤ 2j 石丽‘] i 百’ u t a n g b A z 一而2 b 瓦b √，。。 。2 争 2 一z 。一c d ， 2 N c M 。十T 一，h 2 一一醯c j 一吉q f 2 7 1 c 一而‰ 3 式中C 。，输为煤层与顶底板岩层交界面的粘聚力 和内摩擦角，M P a ， 。 ；P ；为煤帮的支护强度， M P a ；A 为侧压系数；M 为采高，I n ；y 为上覆岩层 平均容重，M N ／m 3 ；k 为应力集中系数；日为开采 深度，m ；b 为基本顶来压步距，m ；工。为工作面长 度，m ；L 为A C 岩块的长度，m ；h 为基本顶岩层厚 度，m } A S c 为A C 岩块被巷旁支护切断前C 端的 下沉量，m ，A S c i 乞A S s ，A S e 为基本顶跨落前B 端的下沉量，m ． 3 ，2 切顶阻力的求解 沿空留巷成功的关键是在基本顶周期破断的 过程中，巷旁支护具有的支护阻力能够切落一定高 度的顶板，冒落的顶板碎涨后对更上位岩层起到支 撑作用，一般巷旁支护能切断基本顶即可满足切顶 高度要求．根据图2 ，用平衡法对A B ，B C 两岩块分 别建立力学方程，求解得到切顶阻力为 P 口一l M L q z N c z 。 c d q q o z 。 f d 2 fL＼ T c { 詈一△s B f ． f o 一 ＼‘ 卜 z 。蒯z ] 儿。 f 了d ． 4 4 工程应用 针对平顶山天安煤业股份有限公司一矿戊。一 2 2 1 8 0 工作面生产地质条件，应用上述研究结果， 进行了膏体材料巷旁充填沿空留巷设计及相关准 备工作．戊。一2 2 1 8 0 工作面生产地质条件为工作面 长1 7 0m 、采高2 ．2m 、煤的普氏硬度系数1 ．5 ；直 接顶为砂质泥岩，厚度7 ．1 ～3 8 ．9m ，平均1 4 ．4 m ；直接底为砂质泥岩，平均厚度3 ．4m ；基本顶砂 岩，厚度3m 、抗拉强度5M P a ，极限弯距为7 ．5 M N m ，从安全考虑，A 端基本顶的残余弯距取0 M N m ；周期来压步距3 0m ，工作面埋深6 5 0m ； 运巷宽4 ．0m ；对煤帮的支护阻力0 ．0 4M P a ；巷旁 支护体宽度拟取1 ．5m } 侧压系数0 ．4 ；上覆岩层平 均容重2 ．5 1 0 。M N ／m 3 ；应力集中系数3 ． 将上述参数代人式 4 计算得到戊。2 2 1 8 0 工 作面沿空留巷所需的切顶阻力为4 ．5M N ／m ． 充填体宽度d 主要由切顶阻力、充填体强度 万方数据 1 8 6中国矿业大学学报 第3 3 卷 确定． d 一急， 5 式中k ，为充填体强度降低系数，取0 ．8 5 ；口为充填 体的强度，M P a ．工作面周期来压步距3 01 2 1 ，推进 速度5m ／a ，巷旁充填体5 ～6d 应达到切顶阻力， 由试验可知充填体5d 的强度可以达到3 ．6M P a ． 将上述参数代人式 5 ，计算得到充填体宽度为 1 ．4 7I T I ，考虑巷道内的其它支护，确定膏体巷旁充 填体宽度为1 ．5m ，膏体巷旁充填体的配比为膏体 胶结料2 5 0k g ／m 3 ，矸石l6 0 0k g ／m 3 ，巷旁支护材 料费用见表2 ． 衰2 膏体材料巷旁支护费用 1m 长 T a b l e2C o s to fb e s i d er o a d w a ys u p p o r tb yu s i n gp a s t e b a c k f i l l i n gm a t e r i a l 童壹皇 垦壹壁壁堕整堕亘巷旁支护 高度／宽度／用量／单价／费用／用量／单价／费用／材料费 mm t 元t 一1 元t 元t 一1 元 用／元 2 ．21 ．50 ．8 2 53 0 02 4 7 ．55 ．2 81 05 2 ．83 0 0 ．3 膏体材料巷旁支护工艺主要由3 部分组成，I 制备膏体材料，将膏体胶结料、矸石、水按比例加入 搅拌机内，混合均匀；2 构筑充填空间。在回采工 作面后方沿采空区边缘，用活动模板配合单体液压 支柱构筑充填空间；3 泵送，膏体材料由膏体输送 泵经钢管输送至充填空间． 参考文献 [ 1 ] 钱鸣高．许加林，缪协兴．煤矿绿色开采技术[ J ] ．中国 矿业大学学报，2 0 0 3 ，3 2 4 3 4 3 3 4 7 ． [ 2 ] 杨永仁，陆军，张远章，等．我国煤炭工业与环境保 护[ J ] ．煤矿环境保护．2 0 0 1 ，1 5 3 ，5 - 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