首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工程综合论文 > 矿业工程论文 > 早强快硬易切割煤基墩柱空巷支护材料研究与应用

早强快硬易切割煤基墩柱空巷支护材料研究与应用

2024-07-03 32 上传者：管理员

摘要：为解决工作面过空巷高水支护材料成本高、不利于回收以及降低煤品质等问题，研究了一种以煤为骨料配制料浆，通过管路泵送至模具成型的早强快硬易切割煤基墩柱空巷支护材料。针对煤骨料存在的强度低和难胶结问题，在固定井下原煤级配条件下，对不同胶材配比情况下的空巷墩柱支护材料进行流动性检测以及力学性能试验，得到材料配比合理、早强快硬煤基易切割的煤基墩柱空巷支护材料，现场应用效果良好。

关键词：
回撤
探放水
空巷支护
空巷支护材料
胶结材料配比
加入收藏

在工作面回采前经常需要掘进一些辅助巷道进行探放水、运输、通风、安装、回撤等工作，当工作面回采时，这些辅助巷道斜交、垂直或平行于工作面成为空巷。煤矿工作面过空巷时，由于工作面超前支承压力与巷道侧向支承压力的叠加影响极易产生应力集中，导致矿压显现异常，甚至诱发冲击地压等动力灾害，极大地危害煤矿安全生产，因此，过空巷时经常采用空巷支护方式保证生产安全。目前，国内大多数煤矿采用的技术手段多是采用空巷全充填法、人工架设木垛、泵送水泥单体支柱、高水材料柔模单体支护等。泵送填充的水泥基支护材料刚性极大不易于采煤机截煤，严重阻碍了后续回采工作效率；高水支护材料虽然强度及刚度高，但材料消耗大、成本高，而且会降低煤品质量不益于回收。为解决工作面过空巷水泥基支护材料、高水支护材料成本高、不利于回收以及降低煤品质等问题，本文提出了一种以煤作为骨料，配合特殊胶材并通过搅拌、振动及加压等方式，形成早强快硬煤基易切割空巷支护材料，从而代替原有支护材料形成性能更优的工作面过空巷支护技术。

煤块与石子、岩块、砂石等常用的骨料相比虽然强度较低，但其呈现出疏松、多孔隙的特点，易于细小颗粒的吸附，这一特点恰恰可增加水硬性胶凝材料的接触面积进而提高粉状胶材的活性。基于煤骨料的特点和胶材成本考虑，研制一种以胶材C为主、少量胶材A、胶材B为原料制成的水硬性胶结材料，并通过实验研究、现场验证，形成适用于井下原煤骨料的，具备良好黏结性的，并且可以提高空巷支护材料早期强度的低成本煤基支护材料。

1、煤基胶结支护体力学性能试验

1.1 煤基胶结支护体材料制备

根据胶结材料成本考虑将胶材B理想配比10%～25%，通过调节胶材B与胶材C质量占比提出5种代表性胶结料匹配比如表1所示。

表1 胶结材料配比方案

根据工程经验和实验室研究结果，初步确定破碎煤块粒径均控制在20 mm以下，统一采用骨料5 mm以下、5～10、10～20 mm粒径质量占比依次为50%、30%、20%。为了保证煤基支护材料易于回收，为保证煤基胶结支护材料易于工作面截煤回收，提高采煤机切割后的煤品，确定煤含量不低于为65%，煤基混凝土浓度为80.6%。

1.2 煤基胶结支护材料流动性试验

将胶材A、胶材B、胶材C按照设计比例混合搅匀后，与一定级配的原煤一同放入容器滚动搅匀，采用搅拌机低速搅拌5 min，混合为黏稠度条件相同的早强快硬煤基易切割空巷支护材料，分别装入高度300 mm圆锥形标准坍落度筒内，每次装满后将顶端刮平。最后将筒垂直向上提起，料浆在自重作用下会向四周扩展，产生坍落，测量出坍落后的混凝土高度和表面直径平均值，可以计算出坍落度和扩展度。为了更好地判断早强快硬煤基易切割空巷支护材料流动性，实验要求实验坍落度不小于190 mm，扩展度不小于370 mm。

1.3 煤基胶结支护材料力学实验

将胶结料、一定级配的煤骨料和水按比例混合后制成料浆，然后将料浆倒入100 mm×100 mm×100 mm的塑料试模制成标准试样。混凝土拌合密实后在室温条件下静置30 min脱模，观察成型效果，再进行养护。为模拟井下工作面环境，放入相对湿度90%、温度20±3℃的养护箱中至一定龄期，在压力试验机上测量1 d、3 d、7 d和28 d的单轴抗压强度。试验过程中，每个时间点的试样每组测量3块，试验结果取平均值。

1.4 实验结果分析

养护后分别对不同胶材试块的1 d、3 d、7 d、28 d强度进行对比分析。试验记录如表2所示。根据测试结果对比，A4胶材脱模后养护1 d平均单轴抗压强度为1.5 MPa,3 d平均单轴抗压强度5 MPa,7 d平均单轴抗压强度7.4 MPa,28 d的平均单轴抗压强度11.5 MPa。

表2 不同配比胶结材料不同龄期抗压强度

2、工程现场应用

本文所研究的早强快硬易切割煤基墩柱空巷支护材料已在乌兰木伦煤矿12407工作面成功应用。

乌兰木伦煤矿12407工作面煤层底板标高1 180.5～1 199.5 m，埋深110～120 m。该工作面为倾斜长壁综合机械化回采工作面，整体呈东西方向布置，平均煤厚2.4 m,12407综采面推进长度为2 450 m，工作面倾斜长度300 m，停采线位于12煤四盘区辅运大巷西侧150 m处。北部为未开采区域(12408备用综采面)，南侧紧靠12407综采面采空区，西侧靠近井田边界，东侧距12煤四盘区辅运大巷约150 m。

空巷高度2.8～3.4 m，宽度5.6 m，空巷距离12407工作面停采线134 m。根据空巷载荷计算结果，采用两排墩柱进行支护，选用墩柱直径φ1.0 m，墩柱高度适应巷高变化，墩柱中心间排距2.2 m×2.5 m，交错布置，如图1所示。

图1 空巷墩柱支护布置参数（单位：m)

煤基胶结材料拌合物的工程应用现场制备工艺包括：煤骨料的输送、储存、破碎筛分、搅拌、煤基支护材料拌合物井上下输送等工序；井下空巷内墩柱支护采用“分段立模、交替浇筑、逐层积高”的支护工艺，多个模具的立模和浇筑过程采用交叉并行作业方式，每个墩柱消耗煤基混凝土材料为2.3～2.5 m3,3 h内完成模具的浇筑支护作业。乌兰木伦煤矿12407工作面煤基混凝土墩柱拆模后的效果如图2所示。

为了有效地观测煤基墩柱空巷支护材料的支护效果，在12407工作面空巷墩柱支护后，采用矿用本安型压力传感器放置在墩柱顶部中间位置，顶板来压时，压力传感器压力通过高压油管和通信线缆传递给矿用本安型数据采集仪后传输至计算机。具体所测数据如图3所示。

图2 煤基混凝土墩柱拆模后的效果

图3 煤基混凝土墩柱承受压力监测

2023年1月27日工作面距离空巷18 m时超前压力开始显现并传递至煤基混凝土墩柱，29日工作面距离空巷3 m时煤基混凝土墩柱承受压力约为3.8 MPa，工作面贯通后煤基混凝土墩柱最大承受压力11.6 MPa。空巷贯通时监测到空巷顶板最大下沉量142 mm，部分墩柱出现裂纹但未碎裂。工作面与空巷贯通并开始割空巷墩柱时，从工作面观测到空巷顶板保持完整，由于煤基墩柱成型后即拆模，柱体无柔模和钢丝约束，并且硬度与煤体相当，在煤机切割过程中体现出了良好的易切割性，如图4所示。

图4 煤基混凝土墩柱切割性及围岩控制效果

3、结语

将易切割的煤体本身作为骨料，采用环保绿色胶结料的科学配比，得到了早强快硬易切割煤基墩柱空巷支护材料；工业现场应用效果显示，采用煤基墩柱进行支护，煤基墩柱成型后即拆模，柱体无柔模和钢丝约束，并且硬度与煤体相当，在煤机切割过程中体现出了良好的易切割性；随工作面过空巷时截煤破碎这一过程完成煤骨料的回收，在不降低煤品质和最低成本的前提下，能够有效支护空巷围岩，避免了工作面与空巷贯通时顶板不可控下沉，为空巷补强支护问题提出了一种新的材料与技术途径，从技术、经济、推广前景等各方面都有重大的意义。

参考文献:

[1]柏建彪,侯朝炯.空巷顶板稳定性原理及支护技术研究[J].煤炭学报,2005(1):8-11.

[2]任东元.综采工作面过空巷连续采煤的可行性探讨[J].山西煤炭,2000(2):24-26.

[3]郭金刚.综采放顶煤工作面高冒空巷充填技术[J].中国矿业大学学报,2002(6):82-85.

[4]王炜.高水材料充填支柱在大采高工作面过空巷中的应用[J].煤炭工程,2020,52(5):67-70.

[5]原亚鹏,王志刚,宁帅,等.倾斜煤层双巷布置留巷支护参数优化设计[J].煤炭技术,2022,41(1):31-35.

[6]惠兴田,张华峰,侯俊.沿空留巷巷旁支护顶部充填材料的制备[J].煤炭技术,2015,34(1):21-23.

[7]王成,王龙天,熊祖强,等.超长工作面过大断面平行空巷充填支柱支护技术研究[J].采矿与安全工程学报,2021,38(4):739-748.

[8]张自政,柏建彪,韩志婷,等.空巷顶板稳定性力学分析及充填技术研究[J].采矿与安全工程学报,2013,30(2):194-198.

[9]周长龙,李洪.大型混凝土砌块组装成墙沿空留巷技术研究[J].煤炭技术,2018,37(10):133-136.

[10]刘丛喜.高水速凝材料充填护巷技术[J].煤炭技术,2009,28(5):166-168.

[11]钱鸣高,许家林.煤炭开采与岩层运动[J].煤炭学报,2019,44(4):973-984.