低压风力混凝土充填技术在沿空留巷中的应用.pdf

煤炭工程 2 0 1 0年第 1 2期 低压风 力混凝 土充填技术在 沿空留巷 中的应用 郭信 山 ( 新汶矿业集团有限责任公司，山东 新泰2 7 1 2 0 0 ) 摘要：研制开发 了低压风力混凝土充填系统 ，采用该 系统对协庄煤矿 1 l l 1 1 w 工作面回风 巷进行巷帮充填 ，保持 了巷道硕板的完整性 ，对顶板进行 了有效支护；并对回采工作面进行 了全 工作面人工充填 ，有效阻止了老顶关键岩块的旋转下沉，大大减少了巷道压力，对沿空留巷 的成 功 意义重 大 。 关键词 ：沿空留巷 ； 低压风力；巷帮充填；工作面充填 中图分类号 ：T D 3 5 3 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 6 7 1 0 9 5 9 ( 2 0 1 0 ) 1 2 - 0 0 3 0 - 0 3 App l i c a t i o n o f l o w pr e s s ur e pn e um a t i c c o nc r e t e b a c k fil l i ng t e c h n o l o g y t o g o a f s i d e g a t e wa y G U0 Xi ns h a n ( T e c h n o l o g y C e n t e r ，X i n w e n C o a l mi n i n g G r o u p C o r p o r a t i o n L t d ，X i n t a i 2 7 1 2 0 0，C h i n a ) Ab s t r a c t ： A l o w p n e u ma t i c c o n c r e t e b a c k fi l l i n g s y s t e m wa s r e s e a r c h e d a n d d e v e l o p e d T h e s y s t e m w a s a p p l i e d t o t h e b a c k fi l l i n g f o r t h e g a t e wa y s i d e wa l l o f t h e a i rr e t u r n i n g g a t e wa y i n No 1 1 1 1 1 w c o almi n i n g f a c e o f Xi e z h u a n g mi n e T h u s t h e c o mp l e t e n e s s o f t h e g a t e wa y r o o f w a s k e p t a n d t h e g a t e wa y r o o f wa s e ff e c t i v e l y s u p p o r t e d T h e s y s t e m w a s a p p l i e d t o t h e ma n u a l b a c k fi l l i n g o f t h e f u l l mi n i n g g o a f i n t h e c o a l mi n i n g f a c e T h u s t h e r o t a r y s u b s i d e n c e of t h e k e y r o c k b l o c k s i n t h e ma i n r o o f w e r e e f f e c t i v e l y r e s t r i c t e d a n d t h e s t r a t a p r e s s u r e i n t h e g a t e w a y wa s h i g h l y r e d u c e d， wh i c h w o u l d h a v e t h e g r e a t s i g n i fi c a n c e t o t h e s u c c e s s o f t h e g o a l s i d e g a t e w a y r e ma i n e d Th e e x p e r i me n t s s h o we d t h a t t h e s y s t e m wo u l d b e p r a c t i c a l ，s i mp l e a n d h i g h p r o mo t i o n a n d c o u l d b e a s e t o f a r a t i o n a l b a c k fi l l i n g e q u i p me n t for t h e g a t e wa y Ke y wo r d s ： g o a l s i d e g a t e wa y；l o w p r e s s u r e p n e u ma t i c ； b a c k fi l l i n g o f g a t e wa y s i d e ； b a c k f i l l i n g o f c o a l mi n i n g f a c e 1 概述 协庄煤矿 1 1 1 1 1 W 工作面开采煤层为煤 1 1 ，煤层平均 厚度为 1 5 3 m，煤层倾角为 1 5 。 ，顶底板岩性特征见表 1 。 1 1 1 1 1 W工作面回风巷总长 5 1 2 m，是一条典型的围岩较差 的三软煤 巷。为 了达 到沿空 留巷 的 目的，该 回风巷采 用适 合于深井区段煤巷的弧顶斜墙断面，有效地解决了区段煤 巷留巷前的稳定问题；同时采用锚网支护，控制巷道顶板 变形量。为 了进一步控制留巷围岩变形，保证巷道稳定， 决定采用低压风力充填 系统对其 进行 巷帮充填 及全 工作 面 人工充填。充填材料为自行研制的新型充填材料。 2 低压风力充填混凝土系统 2 1 系统概 述 煤矿低压混凝土充填系统机构框架如图 1 所示。整个 系统由上料机构、螺旋给料机构、低压风力输送机构、工 作面充填机构及充填模板设计与支设等组成。其中，上料 3 0 机构包括翻车机、电动滚筒、破碎机、耙装机、给煤机、 胶带机，主要功能是按照混凝土成分配比完成混凝土制备、 将混凝土由矿车转运到低压风力充填机构。上料机构是整 个充填系统的初级输送 阶段。螺旋给料结构和低压风力输 送结构是整个充填系统的核心结构 ，其作用是接收由胶带 机输送过来的混凝土，由螺旋给料机转载到风力充填管道 内，通过罗茨风机产生的低压风，经联接管输送到运输管 道内，将混凝土沿 q b 2 0 0 m m运输管道输送到充填迎头内进 行采空区充填。该机构综合运用螺旋给料和低压风力输送 的作用，突出了该混凝土充填系统能耗低、成本低等特点。 该系统工作流 程为 ：混凝 土经采 区车 场 ，采用破 碎机 将混凝土破碎为体积大小适中的块状混凝土，通过运输巷 道依次经过翻车机、给煤机、电动滚筒胶带将混凝土输送 到混凝土仓处 ，由耙装机扒人工作面上巷输送胶带，由胶 带机将混凝土运送到低压风力输送机构。胶带机末端与安 装在螺旋给料机始端部的卸料斗垂直相对，卸料斗不断接 收由胶带机末端输送的混凝土，并送入螺旋给料机中，螺 收稿 日期 ：2 0 1 0 0 7 2 0 作者简介：郭信山( 1 9 6 5一) ，男，山东泰安人，高级工程师 ，2 0 1 0年研究生毕业于山东科技大学采矿工程专业，现在 新汶矿业集团有限责任公司从事采掘工程及技术管理工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 l 2期 煤炭工程 旋集料机通过连续运转输送混凝土。罗茨风机通过风压管 道与螺旋给料机尾部的料斗及送料管道相连通，螺旋给料 机尾部的混凝土通过料 斗送至送料管道 中，罗茨风机通过 风压管路对送料 管道进 行持 续 、低 压送 风 ，将 混凝 土通过 管道吹送至低压输送管道 中，最终在罗茨风机低压风末端 外加压缩空气的双重作用下将混凝土排出并填充到采空区。 表 1 顶底板岩性特征表 图 1 低压风力混凝土充填系统框架 2 2 低压 风 力混凝 土充 填工 艺 混凝土充填的主要工艺流程为在煤矿井下按设计配比 生产出流体状混凝土充填材料，南上料机构将固定配 比的 混凝土转运到低压风力输送机构 中，在罗茨风机低压风和 螺旋给料机的螺旋输送作用下将混凝土送至采空区，在采 空区低压风和输送管道末端加压风管的作用下将混凝土充 填到采空区。整个过程分为井下混凝土制备、混凝土转运、 混凝土低压输送、混凝土充填 4大部分。 3 试验巷道沿空留巷充填施工工艺 3 1 巷帮充填施工工艺 采用低压风力充填系统对 1 1 1 1 1 W 工作面上风巷沿空 留巷充填墙进行巷帮支护。充填墙走向长度 2 O m，倾向长 度 2 2 m，充填墙体高度约 2 5 m ，上部 1 0 1 5 m墙体为 砂石不粘结部分，强度较低，下方约 1 m墙体较正常 ，粘结 度较好强度高。充填段上侧与巷道下肩窝压茬 0 2 m。沿空 留巷的巷旁支护如图 2 所示。 图 2 巷旁支护示意 图 ( mm) 低压风力混凝土充填采用水泥、沙、石子等混凝土材 料进行充填护巷。风力充填的设备为转 8型喷浆机或罗茨 风机、管道输送机。首先在架后支护段的自上而下五排单 体之间支设原木( 直径不小于 1 4 0 ram) ，原木排距 0 8 m、柱 距为 1 O m；然后按照由里而外的顺序回撤 自上而下第一、 二、三、四排单体 2 O m的距离 ；在待充填段倾向上下两侧 及西侧采用木板围起 ( 初次充填将四面围起) ；最后进行喷 浆充填；混凝土似膏体凝固后拆除木板；待混凝土完全凝 同后，将其上下两侧单体支柱顶梁回撤至与充填混凝土西 侧齐；充填段底板应卧底开槽，其深度不小于5 0 0 m m，混 凝土凝同后在充填段上方采用托板或木楔进行接顶。 充填期间施工顺序为：提机割煤一移架一支柱挂梁一 充填一回柱。 3 2工作 面 充填施 工 工艺 回采采用全推采 方式 ，充填 采用 “ 见 五充 二” 的方 法 进行施工，工作面每次出煤 2个循环，控顶距达到 5 6 m时 开始从下往上矸石充填，每次充填 2排。工作面矸石充填 与出煤平行作业，但工作面最大控顶距不得超过 6 6 m。当 工作面的下部再采出一个排距档后，继续从下往上开始充 填 ，每个充填步距为2 O m，随回撤支柱随充填采空区。 充填施工工艺流程：接运矸管道一 回柱一充填一缩管 道一 回柱一充填一进入 下一循环。 充填施工方法如 下 ： 1 )当工作面下半部推采支设齐全 5排支柱，机道内挂 齐全第 6排顶梁后，运矸管道沿第一个排距档接到下出口， 沿第三排支柱的里侧挂挡矸帘，从下往上开始充填矸石 ， 充填步距 2 O m；等工作面的上部出煤结束完成一个出煤循 环后，继续第二个出煤循环。 2 )出煤人员继续下一个出煤循环时，从下而上开始出 煤移溜支柱等工作，控制好出煤速度，工作面未充填区域 最多出现六排支柱，只有当工作 面的上部全部充填结束， 出煤人员方可进行出煤、移溜、支柱等相应的工序，严禁 超前施工。 3 )充填、出煤平行作业时，允许在煤机 以上 5 m、以 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭 工程 2 0 1 0年第 1 2期 下 l O m 范围内进行充填 ，迎头严禁 回柱 ，只能充填矸石 。 4 )当矸石充填 至单体支柱时 ，停止充填按照 “ 自下而 上 ，由里向外”的顺序进行回撤柱梁 ，每次最多回撤走向 二棵倾向一棵柱梁鞋，直至充填到管道出口。 5 )每次缩短管道后 ，必须保证矸石充填到迎头。 6 )周 而复始 ，按照 每循环 2 O m 的步距进 行充 填 ，直 至停采线 。 4 巷道围岩控制效果分析 为 了检验沿空 留巷 的支护效果 ，在 试验巷 道进 行 了现 场矿压观测。试验巷道围岩变形情况如图3 、图4所示。 距离 m 1 4 2 3 40 5 4 7 2 7 8 8 3 8 6 8 8 1 2 3 2 0 4 3 0 O 4 0 7 4 1 3 4 - 2 4 2 7 54 5 6 5 8 5 l 5 1 2 5 2 5 6 1 2 日期 一两帮速度 一上帮速度 一顶底板速度 一顶沉速度 一 I埘 帮移近量 一上帮移近量 一顶底移近量 一顶沉量 图 3 5 测点表面位移观测 曲线图 3 O 2 O 1 0 0 距离 m l 9 2 8 4 5 5 9 7 6 8 3 8 8 91 9 3 1 2 8 2 0 9 曼 E 瑚 6 0 0蓦 4 0 0 商 2 0 0 O 日期 + 两帮速度 一上帮速度 + 顶底板速度+ 顶沉速度 + 两帮移近量+上帮移近量 +顶底移近量一顶沉量 图 4 6 测点表面位移观测 曲线图 经过两个 多 月 的观测 ，巷道 两 帮最 大 变形 量 5 2 4 m m， 顶底 板最 大变形量 5 9 2 m m，上帮移近量最大变形为 2 6 7 m m， 可以满足巷道断 面运输 、行 人 的安 全。从观测 数据看 巷道 围岩变形速度前期 较大 ，后期 围岩 变形速 度很缓 慢 ，巷道 变形趋于稳定。 巷道受前一个工作 面采 动 的影 响后 ，随着 回采 引起 的 支承压力的增大 ，巷道围岩应力重新分布，围岩变形急剧 增大。六个测点围岩变形随工作面推进的变化规律基本一 致，均在工作面前方 3 0 m处开始较大增长 ，约在工作面后 方6 m处达到最大，在工作面后方 7 0 m以远，巷道围岩变 形趋于稳定 ，围岩变形 量主要发 生在工作 面后方 0 6 0 m 范 围 内。 留巷前期实体煤帮侧相对位移较大，后期充填墙体相 对位移较大，底臌量大于顶板下沉量，上帮位移占两帮收 敛的大部分 ，平均 百分 比为 6 2 。充填墙体 自回风 巷 以东 3 1 3 5 m处外部全部脱 层 ，1 4 0 m处充填墙 体 中部松 散严重 充填 料粘 结度小 ，并 且上 部 大片墙 体塌 落 ，1 1 01 4 5 m处 3 2 巷道断面收缩严 重 ，巷道 高度平均在 1 3 m左右 ，支柱钻底 严重 ，支柱的工作 阻力 小 。在原 先 的墙 体与顶板 接触 点处 墙体变形压碎严重。 后维护充填墙体 自回风道以东 6 08 0 m已完全承载， 墙体位 移较大 ，局部 出现墙体 开裂脱 落 ，但可 以满足 工作 面运输 、行人及通风 的安全 。从图 3 、图 4观测数据看巷道 顶底板 围岩仍 不稳 定 ，但 是变 形速 度 与前期 相 比很 缓慢 ， 说 明围岩变形趋 于稳定 。经分析认为 留巷方案可行 。 5 技术、经济效益分析 5 1 技 术效 果 1 )采用低压风力混凝土充 填系统对 1 1 1 1 1 w 工作 面回 风巷进行巷帮充填 ，留巷上方顶板完整 ，减小 了巷道压力 ， 有效维护 了巷道 的稳定性 。 2 )通过对 回采工作面 的全工作面人工充填可 以有效 的 阻止老顶关键 岩块 的旋 转下 沉 ，大大减 小 了巷 道压力 ，对 留巷 的成功意义重大 。 5 2 经济效 益 1 1 1 1 1 w工作 面 回风巷 进 行 巷道 充填 平 均 费用 为 1 7 9 1 2 2元 m，巷道掘进平均费用 为 2 1 5 2元 m，平 均每米 节约费用为：2 1 5 2 0 91 7 9 1 2 2=3 6 0 8 7元。另外，采用 沿空留巷技术可减少煤柱提高煤炭 回收率，就 1 1 1 1 1 W 工 作面而言，留巷 比掘巷可多回收煤炭 1 3 5 6 6 m，若按 2 00 U v Jt 计算 ，可创造资源效益为 1 3 2 6 62 0 0= 2 7 1 3 2f v_ m。 由于 1 1 1 1 1 w工作面回风巷总长 5 1 2 m，因此 。采用沿 空留巷可产生总直接经济效益为：( 3 6 0 8 7+2 7 1 3 2 ) 5 1 2 = 1 5 7 3 4 1 1 8 4元 。 6结论 1 )采用低压风力混凝土充填系统对 1 1 1 1 1 w工作面回 风巷进行巷帮充填和全工 作面人 工充 填对沿 空留巷 的成功 有重要意义，取得了技术上可行、安全上可靠、经济上合 理 的效果 。 2 )试验表 明 ：新 型充 填系统 简单 、实用 ，推广性 强 ， 是一套理想的巷帮充填设 备。 参考文献 ： 1 彭 晓亚 ，卢小燕 ，李子文沿空留巷高水灰渣速凝材料充填 技术分析 J 山西焦煤科技 ，2 o o 9 ，( 2 ) ：1 11 3 2 宋振骐，等煤矿重大事故预测和控制的动力信息基础的研 究 M 北 京：煤炭工业 出版社 ，2 0 0 2 3 张俊云 ，柴敬沿空 留巷研 究 中若 干问题分 析 J 矿 山 压力与项板管理 ，2 0 0 0，( 1 ) ：3 8 3 9 4 漆泰岳，郭育光， 侯朝炯沿空留巷整体浇注护巷带适应性 研究 J 煤炭学报 ，1 9 9 9 ，2 4 ( 3 ) ：3 4 3 8 5 孙恒虎 ，宋存 义高水速凝 材料及其 应用 M 徐州 ：中 国矿业大学出版社，1 9 9 4 ( 责任 编辑张宝优 ) P g 莓f 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m