粉煤灰基膠結(jié)材料在新安礦3832沿空留巷的應(yīng)用

李鳳義， 聶文波， 陳 雷

(1.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)研究院，哈爾濱 150022;2.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

沿空留巷技術(shù)能較好地實(shí)現(xiàn)礦井無煤柱護(hù)巷[1]，且在煤炭資源利用和采煤方法上均具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，被我國很多礦區(qū)采用[2]。目前，我國主要無煤柱留巷技術(shù)有似膏體巷旁充填、超高水材料巷旁充填[3]等。

筆者根據(jù)圍巖控制機(jī)理[4]，在七臺河分公司桃山三井粉煤灰基膠結(jié)材料充填開采實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合工作面實(shí)際地質(zhì)條件，以粉煤灰基膠結(jié)材料為充填材料進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)實(shí)驗(yàn)，以解決3832采煤工作面圍巖變形問題。

1 工作面概況

新安礦3832綜采工作面的煤厚1.6～2.8 m，平均2.2 m;傾角36°～40°，平均38°;基本頂為細(xì)砂巖，直接頂和直接底均為粉砂巖，煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆rTable 1 Seam roof and floor conditions

2 充填材料配比實(shí)驗(yàn)與強(qiáng)度計(jì)算

2.1 粉煤灰基膠結(jié)材料配比實(shí)驗(yàn)

充填材料選取是否合理不僅對沿空留巷技術(shù)成敗起著關(guān)鍵作用[5]，也對充填質(zhì)量、留巷成本及留巷效果起著決定性作用。因此，要求使用的充填材料具有快凝、快硬、高強(qiáng)、短時間內(nèi)主動接頂?shù)忍攸c(diǎn)。

在前期大量實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，選取龍煤雙鴨山分公司國電廠粉煤灰作為主料，采用復(fù)合激活法活化粉煤灰，并以24 h強(qiáng)度優(yōu)化組合為充填材料的最優(yōu)配比，則粉煤灰、水泥、泵送劑、早強(qiáng)劑(含活化劑)、水的配比為 800∶100∶15∶3∶898。最終得到的活化劑實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示。

從表2可知，活化時間和活化劑摻量的比例對試塊強(qiáng)度的增加都起促進(jìn)作用，但試塊的強(qiáng)度并非隨兩者的增長而增大，其在0.5 h、0.1%時達(dá)到最大值，因此，實(shí)驗(yàn)最佳方案定為活化時間0.5 h、活化劑摻量0.1%。

表2 不同配比活化劑實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Experimental program and results

2.2 工作面支護(hù)體的強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)有的工作面圍巖巖性構(gòu)成、開采深度和開采工藝條件下的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，計(jì)算確定充填體的最小極限支撐強(qiáng)度。由沿空留巷頂板和充填體之間的相互作用關(guān)系，得到巷旁支護(hù)阻力簡化公式[6]:

式中:p——巷旁支護(hù)體的支護(hù)阻力，MPa;

b——巷道維護(hù)寬度(巷內(nèi)寬度與巷旁支護(hù)寬度之和)，m;

n——總垮落層數(shù);

γ——第1～n層的巖層平均容重，MN/m3;

d1——切頂巖層的分層厚度，m;

α——切頂巖層跨落角的余數(shù)，(°);

Ln——第n巖層的垮落長度，m;

σt，n——第 n 巖層的抗拉強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)綜三工作面的地質(zhì)條件，以及前期該工作面垮落最大值和切頂經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，取切頂?shù)目偢叨葹?.23 m，工作面頂板的平均分層厚度 d1=0.8 m，則 n=9，α =45°，Ln=5 m，γ =2.5 ×10－2MN/m3，σt，n=5.0 MPa，b=3.5 m，帶入式(1)可得p=1.7 MPa。即巷旁支護(hù)強(qiáng)度不低于1.7 MPa，如采區(qū)巷旁支護(hù)寬度為1 m，則要求支護(hù)體強(qiáng)度不低于1.7 MPa，根據(jù)粉煤灰基膠結(jié)材料性能可以滿足巷旁支護(hù)的要求。

2.3 巷旁充填體尺寸的確定

巷旁充填體的尺寸主要是指每次充填所形成的充填體的長度、寬度和高度。

(1)充填體長度的確定。每次充填的長度主要取決于工作面推進(jìn)的進(jìn)度和充填作業(yè)制度。該工藝每天充填一次，充填一次可以充填多袋，采用兩班生產(chǎn)一班檢修充填，一班生產(chǎn)能割煤2刀，每刀800 m，檢修班割煤一刀，工作面每天推進(jìn)4 m，則每天充填長度為4 m。

(2)充填體寬度的確定。充填體的寬度大小主要取決于圍巖所要求的切頂力、充填體強(qiáng)度及充填成本。根據(jù)以上的計(jì)算，考慮安全及施工方便，取充填寬度b1=1.5 m，并要求充填體強(qiáng)度每天達(dá)到2.0 MPa以上。

(3)充填體高度的確定。理論上的充填體高度就是工作面的采高，取平均值為2.2 m，實(shí)際的充填高度等于被充填空間的高度。

3 充填工藝系統(tǒng)與流程

3.1 充填工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

系統(tǒng)能滿足該充填材料的輸送性能，滿足工作面生產(chǎn)所需的充填量，保證工作面正常生產(chǎn);盡量降低系統(tǒng)及配套設(shè)施成本，即將充填成本控制到最低。系統(tǒng)運(yùn)作要簡單可靠，易操作，易維護(hù)，并預(yù)備備用系統(tǒng)，面對突發(fā)情況時，要有緊急處理措施，確保工作面能夠連續(xù)生產(chǎn)。

3.2 3832巷旁充填工藝流程

3832沿空留巷巷旁充填工藝分為充填硐室和充填點(diǎn)兩部分。3832充填點(diǎn)如圖1所示，主要由充填袋、充填框架(木支柱、單體液壓支柱、孔徑100 mm×100 mm金屬網(wǎng))和充填軟管組成。充填袋由高分子防水耐腐蝕材料制成，抗拉強(qiáng)度為2.3 MPa。搭建充填框架時，在巷道中靠近采空區(qū)的一側(cè)用木支柱支護(hù)，充填完畢后將不再回收;靠近巷道的一側(cè)采用單體液壓支柱，充填完畢后回收。基本工藝流程如圖2所示。

圖1 3832充填點(diǎn)示意Fig.1 Fill point of 3832

圖2 3832巷旁充填工藝流程Fig.2 Schematic diagram of technological process of 3832

4 充填效果分析

4.1 巷道圍巖應(yīng)力變化數(shù)值模擬

為了確定巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化情況，對留巷巷道圍巖進(jìn)行 FLAC3D模擬，所采用的模型為長200 m、寬200 m、高100 m 的長方體[7]，如圖3 所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh model

4.1.1 計(jì)算參數(shù)與過程

模擬以煤層、巖層作為研究對象，模擬煤層只開設(shè)出100 m長的開切眼，當(dāng)模型重力計(jì)算收斂后對模型進(jìn)行開挖以及充填支護(hù)。計(jì)算本構(gòu)模型采用摩爾－庫倫本構(gòu)準(zhǔn)則，依據(jù)現(xiàn)有的新安礦地質(zhì)資料，從中選取所需的煤巖層物理力學(xué)參數(shù)，確立建模所用的煤巖層物理力學(xué)參數(shù)，如表3所示。

表3 各巖層力學(xué)參數(shù)Table 3 Each rock mechanical parameters

4.1.2 巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化

利用FLAC3D軟件模擬巷道圍巖應(yīng)力，確定其變化情況。工作面推進(jìn) 12、32、52、72、92、100 m 時，模擬的巷道圍巖剖面應(yīng)力云圖和工作面中部剖面塑性區(qū)分布如圖4、5所示。

由圖4和5可知，12～32 m時，應(yīng)力過度集中、塑性區(qū)擴(kuò)大范圍最大且發(fā)育最快，即在此階段頂板下沉量較大，來壓明顯。從72～92 m時塑性區(qū)較快發(fā)展可知，此時充填體和巷道圍巖仍舊受采動的影響。在92～100 m范圍內(nèi)應(yīng)力基本沒有發(fā)生變化，塑性區(qū)發(fā)育逐漸減小，說明此時的圍巖得到有效控制處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 沿走向不同推進(jìn)長度的剖面應(yīng)力云圖Fig.4 Along strike of different length of section stress nephogram

圖5 沿走向不同推進(jìn)長度的剖面塑性區(qū)分布Fig.5 Along strike different push length of section figure of plastic zone

4.2 巷道圍巖變形監(jiān)測分析

為確定沿空留巷巷旁充填效果是否達(dá)到預(yù)期，以及圍巖與充填體之間的相互作用關(guān)系效果，采用實(shí)測分析法。即在留巷的充填體上，分別設(shè)立三個觀測地點(diǎn)，觀測地點(diǎn)選取在工作面后方的第一個充填體處。選取距離綜采支架分別為1、2、3 m的三個斷面 A—A'、B—B'、C—C'，且在三個測區(qū)內(nèi)均布置頂?shù)装逡平康挠^測點(diǎn)，每天測量并記錄該測點(diǎn)處頂?shù)装彘g的距離，并繪制相應(yīng)的頂?shù)装逡平孔兓€，見圖6。同時，觀測充填體并與充填前進(jìn)行對比，對比結(jié)果表明，后期巷道圍巖比較穩(wěn)定，充填體逐漸實(shí)現(xiàn)了承壓作用。

由圖6可知，在留巷充填實(shí)施前5 d，頂?shù)装逡平炕緸?，此時巷道圍巖沒有明顯變化;在工作面推進(jìn)8～9 d時，頂板下沉量(s)由3.0 mm突然增大到11.0 mm，來壓明顯;在工作面推進(jìn)15～20 d時，頂?shù)装逑鲁亮孔兓导s為2.5 mm，此時頂?shù)装逑鲁燎闆r趨于緩和。

圖6 頂?shù)装逡平孔兓厔軫ig.6 Trend chartn of convergence between roof and floor

現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果吻合，說明3832工作面留巷充填技術(shù)方案切實(shí)可行，可以達(dá)到預(yù)期效果。

5 結(jié)論

(1)活化時間0.5 h、活化劑摻量為0.1%的粉煤灰基膠結(jié)材料是最佳配比方案，其8 h、24 h、3 d的單軸抗壓強(qiáng)度分別為1.14、2.42、3.35 MPa，初凝時間為94 min，可以實(shí)現(xiàn)早強(qiáng)、速凝的材料特性，易于實(shí)現(xiàn)充填體的主動接頂。

(2)巷旁充填體早期強(qiáng)度發(fā)展迅速，能夠有效阻止運(yùn)輸巷的圍巖變形。同時，每兩個相鄰充填袋之間以及充填體與頂?shù)装逯g密實(shí)性很好，實(shí)測觀察巷道幾乎不漏風(fēng)，可以有效阻止采空區(qū)有害氣體的溢出。

(3)采用龍煤雙鴨山分公司國電電廠粉煤灰既可以解決廢棄物的排放問題，又大大降低了充填成本，同時，又得到高強(qiáng)度的充填材料。該研究可以實(shí)現(xiàn)低成本、高強(qiáng)度、綠色礦區(qū)的效果。

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