综放巷内充填沿空留巷工业试验.pdf

第3 3 卷第6 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 3N o ．6 2 0 0 4 年1 1 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 N o v ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 6 0 6 6 0 0 5 综放巷内充填沿空留巷工业试验 马立强，张东升 中国矿业大学能源与安全工程学院，江苏徐州 2 2 1 0 0 8 摘要针对常村煤矿s 。一。综放工作面采用传统技术沿空留巷的难点，进行了巷内充填沿空留巷工 业试验．试验分三步进行第一步，对原巷采用锚梁网索联合支护实施加固，撤掉梯形架棚；第二 步，在已加固巷道下一工作面侧煤壁，实施扩帮锚网支护；第三步，在原巷位置实施巷内充填，并 加固充填体．结合高水速凝充填材料的性能，通过建立合理的综放沿空留巷的围岩结构力学模型 和充填工艺设计，井下工业试验达到了预期效果，留巷断面稳定后超过1 0m 2 ．证明了在巷内基 本支护为梯形金属支架的巷道中进行综放沿空留巷的可行性，并作了经济效益评价．在此基础上 提出了综放巷内充填沿空留巷新技术． 关键词巷内充填；锚粱网索联合支护；空间锚栓加固网 中图分类号T D8 2 3 ．4 9文献标识码A I n d u s t r i a lT e s to fR o a d I nP a c k i n gf o rG o b S i d eE n t r y R e t a i n i n gi nF u l l y M e c h a n i z e dC o a l f a c ew i t hT o p C o a lC a v i n g M AL i q i a n g ，Z H A N GD o n g s h e n g S c h o o lo fM i n e r a l ＆S a f e t yE n g i n e e r i n g ，C U M T 。X u z h o u ，J i a n g s u2 210 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t T os o l v et h ep r o b l e m so ft r a d i t i o n a lt e c h n i q u e sf o rg o b s i d ee n t r yr e t a i n i n gi nS 2 6f u l l y m e c h a n i z e dc o a l f a c ew i t ht o p c o a lc a v i n g G E F C T C ．t h ei n d u s t r i a lt e s to fr o a d - i np a c k i n gw a s c a r r i e do u to ni t so r i g i n a lp o s i t i o n ．T h r e es t e p ss h o u l db et a k e n F i r s t l y ，t h ef o r m e re n t r ys h o u l db e r e i n f o r c e db yc o m b i n e ds u p p o r to fb o l t ，b a r ，w i r em e s ha n dc a b l e C S B B W C ，a n dt h ep r i m a r y l a d d e r s h a p e ds t e e ls u p p o r ts h o u l db er e m o v e d ；S e c o n d l y ，i nt h er e i n f o r c e de n t r y ，t h ec o a lw a l lo f t h en e x tc o a l f a c es h o u l da l s ob ee n l a r g e da n ds u p p o r t e db yC S B B W C ；F i n a l l y ，i nt h ep l a c eo ft h e f o r m e re n t r y ，t h er o a d i np a c k i n gs h o u l db ec a r r i e do u ta n dt h ep a c k i n gb o d yr e i n f o r c e d 。T a k i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep a c k i n gm a t e r i a li n t oc o n s i d e r a t i o na n dt h r o u g ht h ec o n s t r u c t i n go f r e a s o n a b l em e c h a n i c a lm o d e lo ft h es u r r o u n d i n gr o c kf o rG E F C T Ca n dt h ep a c k i n gt e c h n i q u e s ，t h e e x p e c t e dr e s u l t sw e r ea t t a i n e di nt h ei n d u s t r i a lt e s t t h ef i n a ls e c t i o no fG E F C T Cw a sm o r et h a n10 s q u a r em e t e r s ．I ti sp r o v e dt h a tt h eG E F C T Ci sf e a s i b l ei nt h ee n t r ys u p p o r t e db yt h el a d d e r - s h a p e ds t e e l ．M o r e o v e r ，t h ee c o n o m i cb e n e f i te v a l u a t i o nw a si n v o l v e d ．B a s e do nt h i s ，t h en e w t e c h n i q u eo fG E F C T Cw i t hr o a d i np a c k i n gi Sp u tf o r w a r d ． K e yw o r d s r o a d i np a c k i n g ；C S B B W C ；t h r e e d i m e n s i o n a lr e i n f o r c i n gn e tw i t hb o l t 综放沿空留巷技术是采用Y 形通风方式解决 综放高产高效工作面瓦斯积聚与超限的关键技术， 它可以实现往复式开采及缩短工作面搬家时间，消 除孤岛工作面，降低回采巷道掘进率，提高煤炭回 收率．我国已基本掌握了中厚煤层工作面沿空留巷 矿压显现规律及充填作用机理，但对综放工作面做 收稿日期2 0 0 4 0 1 0 6 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 3 7 4 0 6 5 ；国家杰出青年科学基金项目 5 0 2 2 5 4 1 4 作者简介；马立强 1 9 7 9 一 ，男，回族，宁夏回族自治区吴忠市人，中国矿业大学助教，工学硕士，博士研究生，从事采动岩体控制及矿业 系统工程等方面的研究． 万方数据 第6 期马立强等综放巷内充填沿空留巷工业试验 的研究不多．本文详细介绍了潞安常村煤矿S 一。综 放面巷内充填沿空留巷的工业试验． 1试验巷道概况及技术难点 潞安矿业集团常村煤矿s 。一。综放工作面主采3 号煤层，埋藏深度3 3 0m ；煤层厚度6 ．0 7m ，直接 顶为粉砂岩，厚度为2 ．6 4m ；基本顶为中细砂岩， 厚度为6 ．5 6m ；直接底为细砂岩，厚度为3 ．5 9m ． 割煤高度3 ．0m ；工作面长度为2 2 01 T I ，端头不放 煤距离为6 ．0m ．原巷宽4 ．5m ，巷高3 ．0m ．巷道 原采用1 2 矿工字钢支护，后采用锚梁网索加固． 工作面超前2 01 T I ，采用单体液压支柱和木板架设 一梁二柱抬棚加强支护． S 。一。综放沿空留巷的顶板为煤层，其厚度在3m 以上，并须经受二次工作面采动影响．综放沿空留 巷剧烈变形为综采面超前移动支撑压力和沿倾向 固定支撑压力相互叠加作用的结果，也就是由回采 工作面推进引起基本顶破断、失稳、剧烈沉降所致， 即巷道剧烈变形与采面来压同步．基本顶 关键层 在从破断到“砌体梁”平衡结构的形成过程中，关键 块的回转与下沉，使综放沿空留巷煤帮作为砌体梁 的一个支撑点承受较为集中的支承压力，所以沿空 巷道煤帮会产生严重破裂[ 1 ‘．此外，如实施传统沿 空留巷技术 如图l a ，则不仅使巷内顶板难以维 护，而且充填体上方顶煤的整体完整性更难以控 制，一旦发生漏塌，使充填体不能将支撑阻力传递 给直接顶，必然导致基本顶回转下沉量加大，进而 又造成巷道顶板和巷道煤帮更为严重的破坏，综放 沿空留巷难以成功[ 2 ] ． a 传统巷旁充填沿空留巷 b 巷内充填沿空留巷 图1 综放沿空留巷巷旁充填与巷内充填对比 F i g ．1 C o n t r a s tb e t w e e ne n t r y s i d ep a c k i n ga n de n t r y i np a c k i n gf o rG E R F C T C 2 关键技术及步骤 针对以上难点，对于巷道支护为棚架被动支护 方式的s 。一。平巷而言，宜进行巷内充填沿空留巷， 其关键技术为建立合理可行的留巷围岩结构力学 模型，进行充填体块度及其受力和变形设计；实施 大断面全煤巷锚杆支护技术[ 3 ] ，确保巷道断面满足 综放工作面Y 形通风的要求；形成巷内快速充填 工艺，以适应工作面的快速推进和确保充填作业安 全．针对s 。一。综放面沿空留巷的特点，根据上覆煤 岩层垮落形式及规律和围岩活动的空间特征及分 期规律[ 4 ] ，运用关键层理论[ 5 ] ，建立了综放巷内充 填沿空留巷的围岩结构力学模型， 图l b ．采用适 于分析岩层断裂和垮落的数值分析软件U D E C E 6 | ， 计算获得关键块超前断裂距离为41 T I ；基本顶岩层 的断裂跨度为2 0m ．在原巷道加固和扩帮支护的 基础上，结合Z K D 型高水速凝充填材料的性能口] ， 确定了充填体的强度 水灰比为2 1 、充填宽度 为3 ．01 T I ，充填高度为3 ．2i n 等设计参数． 2 ．1原4 ．5m 宽梯形棚架巷道锚梁网索联合加固 S 。一。综放面原巷道采用梯形棚架支护，围岩相 当破碎．为了有效地控制巷道煤帮和未来充填体上 方顶煤的完整性，对顶板和两帮采用高强度锚杆加 固的同时，配以, J q L 径预应力锚索进行加固，如图 2 所示．顶板先用3 根5 ．0m 的短锚索将顶煤直接 顶张紧，减少离层量，再用6 根2 ．4m 的锚杆配合 梯子梁进行加固，以方便棚架拆除．然后，再沿巷道 走向补打两排7 ．5m 的长锚索，将基本顶与直接 顶拉紧，从而使围岩变形得到有效控制．实验结果 表明加固是成功的，具体加固参数确定如下 图2 原有巷道锚杆 索 联合加固 F i g ．2 T h eo r i g i n a le n t r yw i t h4 ．51 T 1w i d e r e i n f o r c e db yB B W C 锚杆直径锚杆直径大小对巷道的围岩变形 有很大影响．数值模拟表明，顶板锚杆直径分别为 万方数据 6 6 2中国矿业大学学报 第3 3 卷 1 6 ，1 8 ，2 0 和2 2m m 时，顶板下沉量不断减小．从 1 6m m 到2 2m m ，顶板下沉量减少近5 0m m ．故锚 杆直径取2 2m m ． 锚杆长度全煤巷道锚固长度不宜太小，据顶 煤厚3 ．0 5m 左右的情况，锚杆长在2 ．2 ～2 ．6m 间较合理．故取顶锚杆长2 ．4m ，帮锚杆2 ．2m ． 锚杆间距数值模拟结果表明，当顶板锚杆数 目增加到5 根时，顶板下沉量与3 根相比，减少了 1 7m m ，支护状况得到明显改善．当锚杆数再增加 到7 根时，顶板下沉量仅降低3 ．5m m ，效果不明 显．另外考虑巷道宽度，并根据顶板锚杆对顶板进 行控制的同时，也对两帮有一定效果，故帮锚杆间 距取8 0 0m m ． 锚杆排距数值模拟结果表明，从1 ．2m 到 0 ．8m ，顶板下沉量变化较大，而从0 ．8m 开始，再 加密锚杆，支护效果变化不大．因此，锚杆排距宜取 为0 ．8m ． 锚索长度S 。．。综放面煤层厚度平均6 ．0 5m ， 直接顶厚度平均2 ．6 5m ，基本顶厚度平均6 ．0m ． 当巷道高度为2 ．8m 时，则顶煤与直接顶的总厚 度为5 ．9m ．再考虑锚索的作用机理，设计锚索的 长度为7 ．5m ． 锚固方式加固方案中，无论是锚杆还是锚 索，其锚固方式均采用高强树脂锚固．考虑到目前 的施工机具状况和锚杆的锚固工作特性，顶煤锚杆 采用全长锚固，煤帮锚杆锚固长度1 ．2m 左右，锚 索锚固长度1 ．5m 左右． 2 ．27 ．5m 宽加固巷道扩帮支护 为实施巷内充填工艺，须对已加固巷道进行扩 帮，使巷道宽度达到7 ．5m 断面不小于1 2m 2 ，即 在原4 ．5m 宽加固巷道的煤壁侧帮，再向煤体深 部扩3 ．0m ．同样采用锚梁网索联合支护，顶板先 用2 ．4m 的锚杆配合梯子梁进行加固，再打两排 7 ．5m 的长锚索，有效的保证了留巷经受住两次采 动的影响．具体支护方案如图3 所示 对原巷顶板 的不稳定岩块进行清理后，巷道高度约为3 ．3m ． 图37 ．5m 宽加固巷道扩帮支护 F i g ．3T h ee n l a r g e de n t r yw i t h7 ．5m w i d er e i n f o r c e db yB B W C 2 ．3 巷内充填体的设计及空间锚栓加固 为控制长距离、大体积充填体的整体稳定性， 采用空间锚栓加固网专利技术进行加固[ 引．充填时 在两个充填袋之间上下布置3 个锚栓，最上面一个 锚栓距顶板4 0 0m m ，下面锚栓距底板4 0 0m m ，3 个锚栓间距为10 0 0m m ，充填袋两侧用梯子梁连 接，必要时还可以挂金属网，如图4 所示． ．J ／- ＼■■／。 ．．1 ．．．J ；支蚤 N 。 I ．．．‘／， 图4充填袋间锚栓与充填体两侧钢带布置 F i g ．4L a y o u to fb o l t sa n ds t e e ls t r i p s b e t w e e np a c k i n gs a c k s 充填体矿压观测结果表明，充填体的横向变形 和竖向变形都不大．其横向变形仅1 ．2 ％，远低于 充填体的极限变形量，其竖向变形量更小．充填体 承受的载荷在1 ．5M P a 左右，而且稳中有升，充填 体表现出了良好的承载特性． 3 巷内充填工艺 由S 。一。综放面生产技术条件可知，该面推进速 度较快，日推进达6m ，产量大，瓦斯含量高．充填 工作在运输巷中进行，巷道中有胶带输送机等较大 设备，巷道空间有限，同时所留巷为盲巷，对通风有 严格要求．因此选用长距离水力泵送充填工艺． 根据常村煤矿S 。一。综放面实际生产条件及综 放沿空留巷工业性试验的客观要求，在满足充填所 需的基本性能指标的基础上，尽量考虑减少试验的 资金投入．为此，选用镇江市京口江城机器厂生产 的D Y B 一1 2 5 ／6 变量注浆泵及配套的S J B 一1 0 0 0 搅 拌器．充填泵站布置如图5 所示． 圈 甲料、／w 攀I k ，，甲料、广] 影缈穆剖1 1 5 蝴射t 2 0 0 榧m 3 英寸胶管 带钢鲐． 5m 团圆园国秀 3 英寸胶管 带钢丝 5m 』鞴。 1 ．5 英寸高压 胶管2 0 0 m 图5 充填泵站布置 F i g ．5L a y o u to ft h ef i l l i n gp u m p i n gs t a t i o n 3 ．1充填管路、清水供应管路与信号联络系统 充填管路充填管路由3 英寸胶管 内带钢 丝，作吸浆管 和1 ．5 英寸的高压胶管组成 作输 万方数据 第6 期马立强等综放巷内充填沿空留巷工业试验 浆管 ．吸浆管长5m ，共4 根；输料管路有两趟，每 趟长2 0 0m ，均从泵站到充填点，一趟输送甲料；另 一趟输送乙料．为使充填方便可靠，柱塞泵与高压 胶管之间、高压胶管与混合器之间均用快速卡头连 接，混合器的输出管为1 ．5 英寸的普通胶管，也需 用快速卡头连接． 清水供应管路为使充填连续作业，应尽量缩 小搅拌桶中加水时间．每个搅拌桶都应有单独清水 供应管路．其管路直径不应小于2 英寸． 信号系统充填点和充填硐室间相隔较远，相 互间联系密切，必须设置信号联络系统，一般采用 电话与灯光信号两路联络系统． 3 ．2 充填体成形设计 1 活动充填框架结构设计 为了使充填袋内充填浆液按设计要求凝固成 形，充填时应配有充填框架，由于充填时一次架设 模板难度大，施工困难，同时也不利于在充填时对 充填袋位置微调与检查，因此将充填框架设计成基 础框架与调节框架两部分． 基础框架包括巷道侧挡板、采空侧挡板和前挡 板三部分．基础框架与调节框架的安设不是一次性 完成的，而是在充填过程中随着充填袋内浆液增加 而逐渐架设的． 2 充填袋设计 充填袋规格如图6 所示．对充填袋的要求为， 其材质应具有足够的强度，有抗静电、阻燃的性能， 以符合煤矿安全规程的要求，加工接缝要结实牢 靠，形状满足每次充填及吊挂的要求．它长1 ．5m ， 宽图3 ．0m ，高3 ．3m ．工作面每前进两个循环充 填一次． 图6 充填袋结构示意图 F i g ．6F i l l i n gp a c ks t r u c t u r e 3 ．3 加强支护 吊挂环 为保证及时支撑及充填工作安全顺利进行，减 轻工作面采动压力对巷道影响，需对充填区临时加 强支护．端头抬棚前移后，及时架设倾斜抬棚对裸 露顶板进行支护．抬棚采用厚为0 ．2I n ，长为3 ．5 m 的方木，排距为0 ．7 5m ，每排抬棚沿倾斜方向打 3 个单体柱子．吊挂充填袋时，去掉抬棚中间单体 柱子，留出空间吊挂充填袋．当充填体快要接顶时， 依据顶板情况决定是否拆除留在充填体上方的倾 斜抬棚．同时还需在充填体采空区侧架设长约6m 的两道走向梁，间距0 ．8m ．采用金属铰接顶梁加 单体液压支柱、错梁齐柱布置．此外，从对高水材料 充填沿空留巷矿压显现基本规律分析可知，沿空留 巷从工作面到其后方2 0 - - ．4 0m 范围内围岩移动 活动剧烈，矿压显现明显，必须对该范围内巷道进 行加强支护．加强支护措施与超前工作面巷道的加 强支护形式基本相同． 4 工业试验效果 在受工作面开采影响前后，7 ．5m 宽大跨度的 巷道的表面位移如图7 所示． g ＼ 黎 翅 2 0 一1 0 0 ．8 0 一6 0 - 4 0 - 2 002 04 06 0 距工作而距离／m 图77 ．5m 宽巷道表面位移变化 F i g ．7 S u r f a c ed i s p l a c e m e n to ft h ee n t r yw i t h7 ．5mw i d e 加固扩帮后的巷道平均宽度为7 ．5m ，高3 ．2 m ；留巷后巷道平均宽度3 ．4m ，高3 ．1m ，留巷后 的巷道平均断面达1 0 ．5 4m 2 ．充填体竖向变形量 平均为8 ．0m m ，横向变形量平均为3 9m m ．一年 后的综放大断面沿空留巷效果如图8 所示，实践证 明综放巷内充填沿空留巷工业试验是成功的． 图8 综放巷内充填沿空留巷效果 F i g ．8R e i n f o r c i n ge f f e c to ft h eG F E C T Cw i t h e n t r y i np a c k i n g 5 经济效益分析 常村矿的综放工作面走向长度近20 0 0m ，沿 空留巷后，掘一条、维护一条巷道的总成本为 舳∞∞∞∞鲫∞柏加Oo 万方数据 6 6 4中国矿业大学学报第3 3 卷 1 9 8 5 2 7 2 3 X2 0 0 0 9 4 1 ．6 万元．与“E ”型通风方 式的3 条巷道的总支护成本10 2 9 ．4 万元 其中皮 顺19 1 2 元／m ，轨17 7 4 元／m ，瓦14 6 1 元／m 相 比，每个工作面可降低掘进费用8 7 ．8 万元． 实施综放沿空留巷，形成“Y ”型通风方式后， 工作面日产出由原来的34 5 0t ／d ，提高到60 0 0 t ／d ，年增产值1 10 0 0 万元；提高资源回收率约 1 0 ％，就s 。一。工作面而言，可多回收煤炭约 2 8 ．5 万t ；另外，可实现往复式开采，从根本上消除 孤岛工作面，并节约大量工作面搬家费用． 6 结论 1 将不受原巷内支护保护的“巷旁充填”变革 为“巷内充填”，不但使充填体受原巷内支护保护， 巷道顶板更稳定，且施工操作方便． 2 锚梁网索联合加固可对综放沿空留巷进行 有效支护，将顶煤、直接顶与基本顶固结成一整体， 可有效控制围岩变形． 3 空间锚栓加固充填体，提高了其整体强度 和抗变形能力，保证了承载能力． 4 以S 。 。综放沿空留巷的成功技术为保证，可 提出综放巷内充填原位沿空留巷技术，即原运输平 巷或回风平巷一次成巷时，就按大断面掘进，沿空 留巷时，靠采空区一侧在巷道内进行充填形成条 带，整个充填带不在采空区里面，受原巷内支护的 保护，巷道顶板相对更稳定，不易冒落． 参考文献 E l i 张东升，缪协兴，茅献彪．综放沿空留巷顶板活动规律 的模拟分析[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 1 ，3 0 3 2 6 1 2 6 4 ． Z h a n gD S ，M i a oXX ，M a oXB ．S i m u l a t i o no nr o o f a c t i v i t i e so f g o b S i d ee n t r yr e t a i n i n g i n f u l l y - m e c h a n i z e dt o p c o a lc a v i n gf a c e s [ J - ] ，J o u r n a lo fC h i n a U 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 ，2 0 0 1 ，3 0 3 2 6 1 2 6 4 ． 张东升，茅献彪，马文顶．综放沿空留巷围岩变形特征 的试验研究[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 2 ，2 1 3 3 3 l 一3 3 4 ． Z h a n gDS ，M a oXB ．T e s t i n gs t u d yo nd e f o r m a t i o n f e a t u r e so fs u r r o u n d i n gr o c k so fg o b s i d ee n t r y r e t a i n i n gi nf u l l ym e c h a n i z e dc o a lf a c ew i t ht o p - c o a l c a v i n g [ J ] ，C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n d E n g i n 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