轻质高强混凝土砌块沿空留巷实践.pdf

总第 1 8 6期 d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 5 2 7 9 8 2 0 1 5 0 2 0 1 1 轻质 高强混凝 土砌 块沿空 留巷 实践 李 洪 ， 于金州 ， 邬康明 ， 周思友 ， 谢金洪 ( 1 山东科技大 学 泰安校 区， 山东 泰安 2 7 1 0 1 9； 2 达竹煤 电( 集 团) 有限责任公 司 金 刚煤矿 ， 四川 达 州 6 3 5 0 0 0 ) 摘要 ： 沿空 留巷在煤矿 的运用越来越广 泛和必不 可少 。 目前 ， 沿 空留巷 的方 式多种 多样 ， 其 中砌 体墙沿 空留巷由于技术要求低， 砌块加工简单， 墙体施工方便， 并且成本低廉而得到了快速发展。但普通混凝土 砌块重量较大， 工人搬运困难， 尤其当墙体高度较大时劳动强度高， 影响了生产效率。文章介绍了一种轻 集料陶粒高强混凝土砌块 ， 能降低重量 3 0 而强度性能不变 ， 实践证 明完全 能保证沿空 留巷效果 关键词 ： 沿空 留巷 ； 轻质混凝土 ： 高强； 砌体墙 中图分类号： T D 3 5 3 文献标识码 ： B 文章编号： 1 0 0 5 2 7 9 8 ( 2 0 1 5 1 0 2 0 0 3 4 0 3 1 煤矿沿空 留巷现状及存在 的问题分析 沿空留巷技术 自2 0世纪 5 0年代在我国开始使 用 以来 ， 一直是我国煤炭开采的重要发展方向 到 目前为止 ， 我国在沿空留巷理论与技术研究方面做了 大量的工作 ， 发展了多种沿空留巷方式 ， 主要包括： 1 ) 模充墙沿空 留巷 。包 括机械 自动充填 和 人工充填 ， 以机械充填为主 。 采用高水材料和混凝土 作为充填材料。在沿空留巷巷旁支护的位置安装好 模板 ( 包括柔模 ) 或挂好充填袋 ， 充填成套设备制备 好充填料后 ， 通过管道高压输送到型模 中胶结成墙 成巷 ， 该方法工艺复杂 ， 材料制备困难 ， 设备投资大 ， 对生产影响大 。 2 ) 切顶卸压沿空 留巷。该 方法包括两种方 式 ， 一是在巷道前方超前在巷旁支护位置进行 中深 孔预裂爆破 。 待工作面推过后顶板在 预裂位置垮 落 卸压并成巷 ； 二是在工作面后方切顶爆破 ， 顶板垮落 卸压并成巷。这种方式不仅技术要求很高 ， 而且对 工作面的地质条件和赋存条件都有较大的限制 难 以推广运用。 3 ) 矸石墙沿空 留巷 。传统 的沿空 留巷方式 ， 由于支护强度低 墙体压缩量大而逐渐淘汰。 4 ) 砌体墙沿空留巷 。地 面预制各种规格 、 形 状的砌块 ， 采用砌体墙 的方式形成沿空留巷巷旁支 护体。该方法技术含量低、 砌块制作方便、 墙体施工 简单 、 工人容易掌握 ， 而且成本低 ， 对工作面地质及 赋存条件要求不高 ， 适应能力强， 有较好推广价值和 运用前景。但该方法砌块重量大， 搬运施工不便 工 人劳动强度大。 根据 以上几种沿空 留巷方 法的特点和实 际运 3 4 用 ， 结合现场条件和实际技术水平 ， 砌体墙更适合现 场运用， 为了克服存在的问题 ， 提出了轻质高强度混 凝土砌体墙改进 目前该方式的沿空留巷。 2 轻质高强混凝土的发展及运用 轻质混凝土包括 泡沫混凝土和轻集料混凝土， 泡沫混凝土主要用于外墙保温及非承重结构 ； 轻集 料混凝土也有用于非承重 的围护结构或热 工构筑 物 ， 也可用于承重构件及构筑物 。实际上 ， 在高层建 筑和桥梁建筑中已大量使用轻集料高强混凝土代替 普通高强混凝土。轻集料高强混凝土具有许多优 良 的性能 ： 一是质轻高强 L C 6 0 ( L C为轻质混凝土 ， 6 0 为强 度 等级 ， 单 位 M P a )以上 的 构件 ， 密 度 只 有 1 8 0 01 9 0 0 k g m ， 比普通混凝土轻 3 0 ； 二是耐 久性好 ， 轻集料能有效避免混凝土 的碱集料反应问 题 ； 三是抗震性能好 ， 由于重量减轻 ， 降低了震动水 平 ； 四是抗裂好 ， 轻集料混凝土往往具有更小的热膨 胀系数和弹性模量 ， 使得 由于冷缩和干缩作用引起 的拉应力相对较小； 五是更好 的可施工性。 高强的轻质混凝 土在 2 0世纪 6 0年代的美国、 日本 、 荷兰、 挪威等发达国家得到发展 和运用 随着 轻集料生产技术的成熟 我国在 2 0世纪 9 O年代开 始推广运用高强轻集料混凝土 ， 目前 ， 在桥梁 、 高层 建筑 中的运用也越来越广泛 。 虽然轻质高强混凝土性能优越 但在煤矿 中尚 未见有运用 的报道 3 轻质高强混凝土设计及性能试验 3 1 混凝 材料选 择 水 泥 ：4 2 5 级 普 通 硅 酸 盐 水 泥 ，密 度 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 1 2 - 1 1 作者简介： 李洪( 1 9 6 5一) ， 男， 四川安岳人， 博士， 教授， 从事采矿工程方面的科研及教学工作。 李 洪等： 轻质高强混凝土砌块沿空留巷实践 第2 4卷第2期 3 1 5 g e m 。 ： 粉煤灰 ： 电厂 级粉 煤灰 ， 比表 面积为 3 8 0 m k g ； 硅 灰 ： 一 般 的 钢 厂 副 产 品 ， 陶 粒 密 度 2 2 g m ， 平均粒径 为 0 1 8 tx m； 轻 集料 ： 电厂 陶粒 ， 也可用 6 0 0 7 0 0级的膨胀页岩陶粒 。 主要性能如表 1 所示 ； 细集料 ： 中粗河砂 ， 细度模数为 2 7 2 8 ， 含 泥量小于 1 I 夕 加剂 ： 聚羧酸高效减水剂 。 表 1 轻集 料陶粒主要性能 耀 (kg m -3) 变 最 6 0 0级 5 7 8 1 3 7 2 6 8 5 4 5 8 2 1 0 2 0 7 o o级 6 8 2 1 4 0 2 7 1 5 2 5 5 3 l 02 O 3 2 配合比试验 研究表 明_ 2 ， 轻集料混凝土的强度受集料强度影 响较大 。 由于轻集料 自身的强度较低 ， 因此制备 L C 3 0 高强混凝土 ， 需要采用 4 2 5级的普通硅酸盐水泥。 混凝土配合 比确定 采用正交试验方法 ， 选择 四 因素、 三水平正交试验方案 ， 因素水平设计见表 2 。 表 2 正交试验 因素水 平 根据正交试验设计 方法 ， 制订试 验配合 比方案 如表 3所示。 表 3 配合 比试验方案设计 混凝土的抗 压强度是混凝 土材料 的最基本性 质 ， 也是实际工程对混凝土要求 的基本指标 。对 于 砌体墙沿空 留巷 ， 主要要求 主抗 压强度 指标达标。 根据正交试验 ， 强度分析结果如表 4 。 由表 4可知 ， 以上四个 因素 中对混凝土强度影 响主次顺序为 ： 水胶 比、 硅灰 、 砂率 和粉煤灰 。最终 确定最优配合比如表5所示。 混凝土试验结果如表 6所示 。 4 沿空留巷砌体墙设计 4 1 墙体位置确定 为保护墙体下 的稳定基础 将墙体设置于采空 区内工作面下缺 口0 6 m处 即墙体距离原巷道壁 0 6 r n ， 墙宽 0 5 m， 保 留巷道宽度 3 8 m。墙高砌筑 到下缺口顶板 ， 平均高度约 1 3 r n 。如图 l 所示。 表 4 正 交试验强度分析结 果 注： ： R为对应因素的 I、 、 水平值间的极差 表 5 高强轻集料混凝土最优配合 比 因素 水胶 比 砂率 粉煤灰 硅灰 外加剂 表6 高强轻集料混凝土验证试验结果 图 1 沿空 留巷巷旁支护墙体位置 4 2 墙体支护强度计算 巷旁支护墙体需要的支护阻力为： ， P=k h e y E= 坚十h , y ( 0 十 C - I d ) ( 1 ) 厶 式中 ： k为安全系数 ， 取 2 ； h 为直接顶厚度 ， m； 为直接顶岩层密度 ， k N m ； E为基本顶厚度 ， m； 3 5 2 0 1 5耳2月 李 洪等： 轻质高强混凝土砌块沿空留巷实践 第2 4卷第2期 为基 本顶 岩层密度 ， k N m ； L 为 周期来 压步 距 ， m； d为巷旁砌筑墙 宽度 ， i n ； c为巷道宽度 ， i n ； 。 为煤体内极限平衡区宽度 ， 13 1 。 。 ： n K T H +Cc o t p ： ( 2 ) o “ z 式中： 为开采厚度， I n ； C为煤的粘结力 ， MP a ； 为煤层 内摩擦 系数 ， f：t a n q ； 为摩擦角 ， ( 。 ) ； K 为煤体受力应力集 中系数 ； 为煤的埋深 ， i n ； 为 煤层的密度 ， k N m 。 取工作面来压时的相关参数 ， 代入公式 ( 1 ) 及 公式 ( 2 ) ， 得到 ： =1 1 i n ， P= 9 0 9 6 k N m。 也就是说 ， 工作 面来压时砌 筑墙 的支护载荷必 须达到每米墙 9 0 9 6 k N以上。每平方米砌筑墙须 承 担 的 压 力 为 9 0 9 6 0 5 =1 8 1 9 2 k N m = 1 8 2 MP a。 根据 砌体结构设计规范( 2 0 1 2年版 ) ， 砌 体的平均抗压强度平均值 ： = 0 9 5 0 4 6 ( 1+ 0 0 7 x A)( 1 1 0 0 1 ) =0 9 5 0 4 6 3 0 。 ( 1+0 0 7 2 0 )( 1 1 0 0 12 0、 =2 0 1 5 MPa。 其中 为砌体抗压 强度平均值 ， M P a ； f 为混 凝土砌块强 度等 级， MP a ； 为水泥砂 浆 的强度等 级 ， M P a 。 因此 ， 轻质混凝土砌体强度 L C 3 0能满足要求 。 4 3 墙体结构设计 采用加长 、 加厚混凝土块 ( 如 图 2所示 ) ， 按错 缝纵码砌筑形成矩形 直墙 ， 墙体宽度 0 5 m， 高度 1 2 1T I 。墙体结构如图3 所示。 图 2 混凝土砌块 ( i n m) 5 试验效果 某矿 4 1 1 1 工作面煤层为单斜构造 ， 走 向 3 1 5 。 ， 煤层倾角平均 3 1 。 。煤层厚度平均 1 3 i n ， 直接顶由 泥岩 、 薄煤层及粉砂岩组成 ， 厚度约 6 m， 基本顶为 中 粒砂岩 ， 厂 =68 ， 厚约 1 0 i n ， 初次来压步距约 2 0 i n 。 巷道形式为拱形 。 锚 网支护 ， 破碎地段采用锚网 +金 属棚联合支护 ， 巷道净宽 3 8 m， 净高 2 9 I l l 。 3 6 图 3 墙体及墙垛结构示意( m m) 根据矿压观测 ， 沿空留巷巷道变形情况如下 ： 1 ) 巷道两帮移近量较小 ， 最大不超过 5 0 m m。 2 ) 巷道上帮下沉量最大 ， 中部次之 ， 下帮变 化较小 。 3 ) 巷道 顶 底 板相 对移 近 量最 大 没有 超 过 3 8 0 m m， 顶板绝对移近量没有超过 3 0 0 m m， 顶板在 锚杆锚 网支护下整体结构没有遭到破坏 ， 能充分发 挥围岩 的自承力。 4 ) 顶底板相对移 近速度 和绝对 移近速度变 大主要发生在距煤壁 5 4 0 I T I 之间 ， 说明此段距离 是顶板活动剧烈时期 ， 巷旁支护在此段最 容易压裂 破坏 ， 因此 ， 该段加强支护必须可靠 ， 还要加强维护。 沿空留巷效果如图 4所示。 图 4 沿空 留巷效果 6 结论 1 ) 轻集料混凝 土砌块 首次运用于煤矿沿空 留巷 。 不仅丰富了沿空留巷巷旁支护的形式 ， 更重要 的是使砌块 重量 降低 近 3 0 ， 减轻 了工人 劳动强 度 提高了生产效率。 2 ) 由于轻集料陶粒混凝 土 良好的性 能 保证 了沿空留巷的效果 ， 巷道平均变形率未超过 2 0 。 3 ) 随着沿空留巷 的推广运用 轻质混凝土砌 块墙有广 阔的运用前景和推广价值 ， 尤其是墙体较 高的沿空 留巷巷道 。 ( 下转第 5 l页) 2 0 1 5年2月 张 洋： 李村煤矿一次采全高综采工作面三机尺寸选择与配套 第2 4卷第2期 图 5所示。在校核中， 极限最小间隙 2 2 m l n ， 无干涉。 3 6辅配套参数 在确定上面 5个参数 的前提下 再核实下面的 参数。 3 6 1 采煤机 两滚筒直径与采 高 两滚筒直径 2 7 5 0 m l n ， 平均采高 4 7 6 1T I ， 两滚筒 直径之和大于采高。在局部采高 5 8 n l 时， 因煤质较 软 两滚筒之间约 3 0 0 mm， 确保煤可以自然垮落。 3 6 2采煤机过煤高度 过煤高度指采煤 机机身下部 到刮板上 部 的距 离 ， 主要是保证采煤工作面大块煤和矸石在输送机 上的正常运输 ， 它受煤软硬程度影响 ， 选取大值 ， 可 以保证大块煤炭和矸 石 的通过 _ 1 。过煤 高度参考 值 3 0 0 m m， 实际5 0 7 m m。 3 6 3 截深和推移步距 采煤机的截深与支架 的移架步距相 等_ 2 ， 以便 保持空顶距在合理范围之 内， 减少或 消除液压支架 机道上的局部 冒落。采煤机截深 8 0 0 m m， 支架移架 步距 8 0 0 m m。 推移 千 斤 顶 行 程 应 比采 煤 机 截 深 大 1 0 0 2 0 0 m m， 配套推移千斤顶有效行程 9 0 0 m m。 3 6 4 采煤机支撑滑靴与输送机工作面侧槽帮距离 当采煤机采空煤壁侧 的滑靴在输送机的铲煤板 上方行走 。 它与铲煤板 有一定距离 ， 随着 工作面推 进 。 采煤机两侧滑靴的间隙变大 ， 滑靴会掉在铲煤板 外面； 太小 ， 采煤机支撑滑靴 与输送机干涉 ， 影 响采 煤效率。参考值 4 05 0 mm， 实际尺寸 4 0 mm。 3 6 5架间距和中部槽 液压支架 的架 间距等 于输 送机 的中部溜槽长 度 一组支架搭配一组 溜槽 ， 保 证工作 面的有序推 进。架间距和输送机 中部槽配套 1 7 5 m。 3 6 6 工作面行人 间距 和拉 架后前柱与 电缆槽距 离 在大采高工作面。 应保证工人在液压支架下行走和 操作的空间， 支架下立柱间实际最小行人间距5 5 0 B i n 。 拉架 后 前 柱 与 电缆 槽 的距 离 参 考 值 2 0 0 4 0 0 mm。 实际 2 4 0 mm。 3 6 7 电缆 、 管槽的摆放 空间 在大采高工作面。 要保证支架环形供液D 7 6 m m ( D N) 、D 6 4 m m( D N) 、采煤机喷雾 D 5 1 mm( D N) 、电机减速机冷却 水管 D 2 0 m m( D N) 、冲洗底 刮 板及备用 D 3 8 m m( D N) 钢丝包胶管 、采煤机电缆 MY P T一1 9 3 3 ( 31 5 0+1 7 0+ 46 3 m m ) 、 输送 机 电 缆 M Y l Y F一1 9 3 3( 39 5+35 0 3 m m ) 的放置空间， 并 留有充足的备用管线及通讯 电缆的余量 。 管槽 布 置 2层 ， 单 层 净 宽 度 0 2 4 I n ， 高 度 0 1 5 i n ， 管槽每层空间 0 0 3 6 1T I 。 上层放置采煤机喷雾管路和输送机采煤机电缆： S l 0 0 03 9 I n ， 5煤机电 缆 0 0l m ， S输送机电缆 0 01 i n ， 5上管路截面 = Js 煤机电缆 + s 输送机电缆 + SD 5 1 0 0 2 3 9 m ， 与 0 0 3 6 i n 对 比， 满足 留有 3 0 余量 空间的要求。 下层放置各种规格液压管路 ： Sm6 00 0 9 5 I n ， SD 6 4 00 0 5 7 1 T I ， S o 3 8 0 0 02 6 I n ，S下管路截面 =S历6 +s D 6 4 +2 Js 仍8 0 0 2 0 4 i n ， 与 0 0 3 6 I n 对 比。 满足 留有 3 0 余量 空间的要求。 3 6 8 采煤机截割部后端与输送机销排之间的距离 采煤机摇臂下 降到最低位置时 电机后端 与销 排之间的距离 ， 因大采高摇臂电机较大 ， 大采高采煤 机截割部 电机后端较宽 ， 在摇臂下降到一定程度必 然与销排干涉 ， 应有机械限位保证摇臂电机后端不 会碰到销排。 4 结语 综采设备 已经在李村煤矿地面调试运行 ， 并在 1 3 0 1 综采工作面安装到位 此次三机尺寸选择与配 套的成功应用 ， 为今后类似条件下大采高工作面的 配套提供 了可靠的依据。 参考文献 ： 1 王喜贵 综采工作面“ 三机” 配套几何关系分析 J 煤 矿开采 ， 2 0 1 1 ， 1 6 ( 3 ) ： 7 8 7 9 2 王德春 采煤机与输送机配套应注意的问题 J 煤炭 技术 ， 2 0 0 6 ( 3 ) ： 2 0 2 1 责任编辑： 李月成】 ( 上接第 3 6页) 参考文献 ： 1 叶家军 高强轻集料混凝土构件优化设计与性能研究 D 武汉： 武汉理工大学， 2 0 0 5 2 K M e l b y ，E A J o r d e t ，C H a n s v o l d L o n gs p a n b r i d g e s i n No r wa y c o ns t r uc t e d i n hi g h s t r e ng t h LW A c o n c r e t e J E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s ，1 9 9 6 ，1 8 ( 1 1 ) ： 8 4 5 8 49 3 中华人民共各国建设部 G B 5 0 0 3 2 0 1 1砌体结构设计 规范 S 北京 ： 建设出版社， 2 0 1 2 责任编辑： 李月成 51