混凝土泵送充填在留巷中的应用.pdf

2 6 煤 炭 科 技 C0AL S CI ENCE & TECHNOLOGY MAGAZI NE 2 0 1 0年第 3 期 No 3 2 01 0 文章 编 号 ： 1 0 0 8 3 7 3 1 ( 2 0 1 0) 0 3 0 0 2 6 0 3 混 凝 土 泵 送 充 填 在 留 巷 中 的 应 用 朱祥可 ， 邓月华 ， 谢瑜 。 ( 1 四川达竹煤电集团 金刚煤矿，四川 达州 6 3 5 0 0 0 ；2 重庆大学 资源及环境科学学院，重庆4 0 0 0 3 0 ；3 安全环保与技术 监督研究院 计量检测中心，四川 成都6 1 0 2 1 3 ) 摘要： 合理利用资源， 将煤矿矸 石再次利用作为巷 旁充填混凝土材料， 根据混凝 土材料 的 配 比及性能特征 ， 设计 了合理 的巷旁充填支护参数 ， 构建 了泵送 混凝土材料 的充填工 艺系 统 ， 并对金刚煤矿 3 1 1 7工作面沿空留巷巷 旁充填工业试验进行研 究。试验结果表明 ， 在设 计 时间内， 混凝土材料具有 良好的塑性性能， 既能有效地控制 围岩变形 ， 适应巷道顶板 的活 动规律 ， 又能安全维护和保 留巷道 ， 因而是一种理想的沿空 留巷巷旁充填材料 关键词 ： 沿空留巷； 混凝土材料 ； 巷旁充填 ； 中厚煤层 中图分 类号 ： T D 8 5 3 3 4 文献 标志 码 ： B 随着无煤柱开采沿空留巷技术的发展 ， 巷旁充填 技术及其应用已越来越受到重视。 沿空留巷需经受两 次采动影响， 矿压显现强烈 ， 巷道维护难度大 I 卜 。 沿 空 留巷成功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， 且具有合理的支护阻 力 ， 能切落一定高度的顶板 ， 并有较大的变形量适应 沿空留巷剧烈变形， 同时支护成本应低廉， 施工方便 ， 这些特性推动着巷旁支护技术的发展。 目前国内普遍 采用木垛 、 密集支柱、 矸石带 、 混凝土硼坎以及高水速 凝材料等 。 本文介绍的是在达竹煤电集团金刚煤矿 进行的混凝土泵送充填井下工业试验研究 ， 共充填了 9 0 0m运 巷 ， 留巷平均宽 3 1 m。 1 混凝土材料的组成及其性能分析 金刚煤矿应用井下矸石作为混凝土充填骨料 ， 将 矸石加工成碎石 ， 碎石的最大粒径与输送管的内径之 比应小于或等于 1 ： 3 ，卵石则宜小于或等于 1 ： 2 5 。 为增加充填体强度和脱水性能 ， 采用 由矸石磨细的砂 作为补充骨料 。石子的粒径为 1 0 4 0 I IT I 。 充填所 需 骨料全部来 自于矸石 ， 使其既得以利用 ， 又减少环境 污染 。水 泥应具有 良好的细度 、 稠度 、 安定性 、 初凝 时 间不宜过早 ， 一般选用普通硅酸盐 4 2 5号水泥配制 C 2 0混凝 土 ， 水泥用量 2 6 03 6 0 k g m 。影响泵送混 凝土砂率的主要因素是石子最大粒径 、 种类 ， 砂石的 颗粒级配 ， 水灰比等 1 3 】 。每方材料用量： 水泥 4 0 2 k g ， 砂 6 9 8 k g ， 碎石 1 0 1 1 k g ， 水 2 2 1 k g 。有膨胀剂时掺入 4 0 妇 膨胀剂 ， 等量代换水泥， 理论配比： C： S： G： w ： A：1： 1 9 3： 2 7 9- 0 6 1 ： 0 。 1 1 ，塌落度测定值 ： 1 4 0 mm。 根据试验得出， 水泥、 石子、 水和速凝剂的配合比 1 ： 4： 0 5： 0 0 7 ， 与设计的混凝土强度接近。 C 2 0泵送 混凝土试配方案如表 1 所列 ， 砂率为 4 1 。 表 1 C2 0泵送混凝试配 方案 k g l r l 根据有关规定， 试验采用的试件是边长 1 0 0 m m的 立方体， 灰水比为 1 ： 0 5 ， 1 ： 0 6 1 ， 过小的水灰比不易泵 送 ， 过大的水灰比难以保证强度。 在不同灰砂比、 质量浓 度及不同龄期条体下 ， 试块强度测定结果如表 2 所列。 从表 2可以看 出， 当配比相同时 ， 各浓度的试件 强度均随着龄期的延长而增加。在龄期为 37 d段 里 ， 试件强度增长迅速， 72 8 d内为缓增长。当龄期 相 同时 ， 试件 强度均 随着 水泥含量 的增加而增强 。此 外， 充填体强度与砂石性质也存在较为密切的关系。 2 0 1 0年第 3 期 朱祥可等： 混凝土泵送充填在留 巷中的 应用 2 7 表 2 充填体试块单轴抗压强度试验结果 试 件 组 号 配 比， 抗压强度 MP a w a z a s a s a a 4 a z s a 注 ： 充 填 料 为 普 通 水 泥 ( 1 5 6 2 O 7 茗) + 骨 料 ( 煤 矸 石 形 成 的碎 石 、 砂 石 ) 。 2 工作面概况及巷旁充填支护 2 1 试验 工作面概 况 留巷试 验在金 刚煤 矿 3 1 1 7 综 采面 运巷进行 。该 面走向长 】 0 6 6i n ，斜长平均 1 3 0m，平均煤厚 1 8 6 I n，煤层中夹 0 5 4 m泥岩煤线 ， 煤层倾角平均 为 1 1 o 。 3 l 1 7面的直接顶为 2 4 5 IT I 厚泥岩， 老顶为厚 5 8 2 i n 的粉砂岩 ，底板为 3 4 5 m厚的泥质粉砂岩直接底和 3 6 5 IT I 厚 的细砂 岩老底 。 2 2巷旁充填体设计 巷旁充填利用充填体的高阻力支撑垮落带边缘 的顶板载荷 ， 分担和减轻巷内支护的受载 _ 4 _ s ； 在工 作面后方 ，由于充填体支护作用沿采空侧切断顶板 ， 避免顶板沿巷道煤壁处断裂 ； 在周期来压期间 ， 充填 体能承受直接顶冒落时产生的动载荷。 混凝土作为巷 旁充填具有塑性性能， 利用其可缩量约束巷道与采空 区边界处的顶板下沉量 ， 避免巷内支护系统产生严重 变形 ， 且可隔 离或密 闭采 空 区。 未切断老顶以前 ， 直接顶在靠近充填体采空区侧 发生垮落断裂， 根据模型图 1 所示得出充填体平衡直 接顶的支护强度为 ，= 式中 r一充填体支护强度 ， MP a ； 口 老顶及上 部软弱 岩层 的重量 集度 ， MN m ； 巷道宽 ， m； 6 充填体宽 ， n l ； c 顶 板侧 向短 边断裂后 的跨度 ， I n ； 岩梁宽 ， i n 。 经计算 ， 充填体宽度不小于 0 8 m， 所试验的混凝 土材料 3 d的抗压强度不小于 7 9 3 MP a 。 设计充填体 宽度 选 为 1 0 I n 。2 4 h强 度为 1 2 9 M P a ， 3 d 强 度 为 8 5 6 MP a ， 7 d强度为 1 3 6 5 M P a 。其中速凝剂的添加 量应维持在水泥量的 3 5 ， 添加了速凝剂的试块 初凝时间比后者的早 5 h 左右 ，但前 5 d的强度只有 后者 的 7 0 。 图 1 沿空 留巷力学计算模型 2 3巷 旁充填流程 3 1 1 7综采面 日进 5 i n ， 一次充填 1 0 6 n q 。选用 小型搅拌机 、 注浆机作为充填工艺的设备 ， 它占用宽 2 5 i n ， 长约 4 0 IT I 的一段运巷 ， 用来布置机车 、 混凝 土搅拌机等设备 。 使用混凝土材料进行充填时 ， 采用活动钢模板进行安设 ，该模板主要 由长 1 0 0 0 mm、 宽 2 0 0 m m、 厚 3 mm的薄钢板通过铁丝铰接组 成 。 主要充填工艺过程为：由地面专门按设计配比 调配出充填材料 ， 以矿车运至巷旁充填处 ； 人工将干 混料送至充填泵料斗 ； 在充填泵中加水搅拌均匀后经 充填管路泵送至充填模板内； 混凝土混合料在充填模 板内流平密实 ， 自然养护 ， 待硬化产生一定强度后拆 模 。 3 巷旁充填体 的护巷效果分析 3 1 巷道 围岩表面 变形分析 ( 1 ) 工作面前方。根据实测资料 ， 三测 区观测巷 道围岩收敛特征如图 2 、 3 所示。 皇 暄 距工作 面距离 ， m 图 2 巷道围岩表面位移情 况 煤炭科技 2 0 1 0年第 3 期 8 一 l OU - 8 0 - 6 0 - 4 0 - 2 0 U 2 0 4 D 6 U 8 l J 距工作面距离 ， m 图 3 巷道围岩表面变形速度情况 ( 2 ) 工作面后方。 从采面后 5 m， 巷旁充填开始浇 注( 见图 2、 3 ) 。 3 2 巷道 围岩深 部离层情况分析 从采面前 1 0 0 m处开始 ， 在巷道顶板安设的顶板 离层监测仪中可得出顶板围岩随采动的离层情况( 见 图 4) 。 吕 坷 卿 距煤壁距 离 m 图 4 顶板深基点位移变化情况 3 3 巷旁充填体受载分析 图 5为巷旁充填体受载变化曲线。 昆 凝土充填体 初期强度偏低， 在工作面后方 3 0 m范围内， 混凝土承 受最大载荷 ，达 到 8 MP a ，最终强 度稳定在 0 2 MP a 左右 ， 说明顶板在来压期间强度大 ， 稳定后顶板压力 强度极小， 考验混凝土墙体承载的关缝是顶板周期来 压期间。混凝土充填体能较好地维护巷道 ， 及时控制 住巷道顶板的下沉 。 亡 要 j 翌 图 5 充填体承载变化 曲线 3 4 经济效益 原准备一个采面需掘 2 条巷道 ， 留巷后只需掘一 条巷道和切眼。 根据试验实际消耗材料 ， 用电、 占用设 备折旧、 劳动工资、 运输费等统计， 留巷 l 1 1 8 m， 按沿 空掘巷留设 2 5 m保护煤柱与沿空留巷比。 掘进 1 条 巷道的综合成本主要为：支护材料费 4 8 2 2元 m， 掘 进人工费 3 1 5元 m， 间接人工 8 0 6 4 2元 m， 辅助费 为 2 1 5 4 6 元 m， 总计 1 8 1 9 0 8 元 m； 采用沿空 留巷 的综合成本主要为： 充填材料费 4 6 7 4 6 元 m， 充填 所需人 工费 2 6 2 5 元 m， 间接 人工费 1 0 1 3 2元 m， 辅助费为 6 4 4 元 m， 总计 8 3 7 7 2 元 m。仅巷道掘 进即可节约成本 1 0 9 7 2万元。沿空留巷可多 回收煤 7 0 1 8 2 t ， 吨煤综合售价按 5 2 0元计 ， 吨煤综合成本 按 1 9 0元计 ， 则经济效 益为 2 3 1 6 万元 。两项合计 可 获得经济效益 3 4 1 3 2 万元。 所以， 采用沿空留巷巷旁 充填获得的经济效益十分可观。 4 结论 ( 1 ) 金刚煤矿 3 l 1 7面机巷采用巷旁充填取得成 功 ，完整地留下了机巷。获得了 3 4 1 3 2 万元经济效 益。 为沿空留巷巷旁充填技术提供了可行的充填材料 和参考模式。 ( 2 ) 实测得到 ， 留巷过程中 ， 巷道围岩两帮平均 移近率为 1 0 1 7 ， 顶底平均移近率为 1 8 1 1 ， 断面 收缩 率为 5 2 4 ， 较 好地 维护 了巷道 ， 达到 了预期 的 目的 。 ( 3 ) 试验效果表明， 在煤矿泵送混凝土作为沿空 留巷充填材料 ， 不仅降低了充填成本 ， 且支护阻力高 ， 捣实均匀， 增阻速度快 ， 是一种性价比较好的材料。 ( 4 ) 采用泵送混凝土充填 留巷技术也有不足之 处， 混凝土材料强度增长较慢 ， 即在充填初期 4 8 h内 混凝土抗压 强度不 足 ， 需采取辅助 措施维护混凝 土墙 体，比如添加速凝剂或在墙体两侧架设液压支柱等， 使其不被顶板压坏 ， 这也是今后需改进的方面。 参考文献 ： 1 陈通 高水速凝材料巷旁充填在沿空留巷中的应用E J 山东 煤炭科技， 1 9 9 7， ( 3 ) ： 5 96 1 2 唐德龙 泵送巷旁充填 沿空留巷矿压显现规律研究 f J 民营科 技， 2 0 0 8，( 6 ) ： 4 64 7 3 邓代强 昆 凝土充填体强度特性试验研究 J 矿冶工程， 2 0 0 6 ， 2 6 ( 4 ) 1 OI 2 4 谢长江 充填料挤压输送泵的研究 J 矿业研究 与开发， 2 0 0 2， 2 2 ( 1 )： 3 73 9 5 刘建波 砂浆填 充理论在混凝土配合 比设计中的应用 J 西部 探矿工程， 2 0 0 5( 1 0 ) ： 1 9 51 9 7 作 者简介 ： 朱祥 可( 1 9 8 3 一 ) ， 男 ， 重庆人 ， 2 0 0 8年 毕业于 重庆大 学采 矿工程专 业，四川 I 达竹煤 电集 团金 刚煤 矿工程 师。 ( 收 稿 日期 ： 2 0 1 0 0 1 0 7 )