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高水充填材料在综放工作面沿空留巷中的应用

2024-08-14 80 上传者：管理员

摘要：为提高煤炭资源回收率、降低回采巷道掘进率以及缓解采掘衔接紧张，决定在成庄矿4311综放工作面43113巷进行沿空留巷试验，将该巷道用作下个工作面回风巷。为确保43113巷留巷段的可靠支护，决定应用新型无机高水充填材料作沿空留巷的巷帮支护体。现场留巷采用锚索补强+单体柱滞后加强支护联合手段，充填体采用对拉钢筋+W钢带+钢筋网增强加固技术；实践表明，充填体成型效果良好，经济效益显著。

关键词：
充填体
沿空留巷
经济效益
补强支护
高水材料
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受地缘冲突、气候多变、汇率波动、经济复苏多重因素影响，全球能源安全不确定性将长期存在，煤炭作为我国重要的基础能源将长期发挥“压舱石”的作用。然而，伴随着经济迅猛发展，浅部易采资源逐渐枯竭，如何有效提高煤炭采出率迫在眉睫。无煤柱开采技术经多年现场实践日趋成熟，按照留巷布置方式主要包括沿空掘巷和沿空留巷两种。沿空留巷则是通过沿上一工作面巷道边缘区域布置充填体隔离采空区、维护巷道顶板稳定，供下一工作面回采使用。常见的充填材料多为井下废弃矸石、混凝土、高水材料等[1-8]。为提高煤炭资源回收率、降低回采巷道掘进率，并缓解成庄矿采掘接替紧张的局面，拟定在成庄矿4311综放工作面43113巷进行巷旁高水材料沿空留巷工业性试验，确保该巷道可以为下个工作面复用，以降低巷道掘进成本，并为类似条件的工作面巷道开展无煤柱开采提供借鉴。

1、工程概况

成庄矿4311综放工作面主采3#煤层，煤层平均厚度6.3 m，属近水平煤层，煤层赋存稳定。工作面走向长1 318 m，倾向长210 m，采用走向长壁后退式放顶煤采煤法，循环进尺0.6 m。回采巷道均沿煤层顶板掘进，其中：43113巷采用锚网索组合支护方式，作为工作面进风巷兼运输巷用。工作面布置如图1所示，现场拟在43113巷进行巷旁高水材料充填沿空留巷工业性试验。

图1 4311综放工作面巷道布置

2、巷道初始支护方案

为了提高巷道掘进效率，43113巷沿煤层顶板掘进，巷道净断面5 m×3.2 m。巷道顶板支护：锚杆规格φ22 mm×2 400 mm，间排距1 050 mm×1 000 mm，预紧力矩不低于250 N·m；锚索规格φ22 mm×7 400 mm，间排距1 900 mm×2 000 mm，预紧力不低于300 k N，配合使用规格BHW-250-3-4500-5钢带。巷道帮部支护，锚杆规格φ22 mm×2 400 mm，间排距800 mm×1 000 mm，预紧力矩不低于250 N·m，如图2所示。

图2 巷道初始支护参数

3、充填材料性能与模拟试验分析

3.1 充填材料性能

巷旁充填材料为粉状，由A、B双组份材料构成，加水搅拌后单液浆性能稳定，静置2 h内不发生离析泌水，24 h内不发生初凝现象。井下现场泵站与充填地点距离一般控制在1～2 km以内，能满足现场工程需求。充填材料经泵送单液浆到达充填点混合后，5～10 min即可失去流动性，20～30 min左右固化。在实验室条件下对不同水灰比不同龄期充填材料固结体单轴抗压强度进行了测试，结果如表1所示。由表中数据可知，随着水灰比的减小，充填材料固结体强度随之增加，单位体积充填材料消耗量随之增加，留巷成本增长迅速。经现场调研与工程类比，综合充填材料固结体终强与留巷成本，最终确定充填材料水灰比为1.2:1。

表1 高水速凝巷旁充填材料性能参数

3.2 充填体强度模拟试验

为了进一步增强充填体抗压强度，拟增加充填体侧向刚性约束结构。在实验室条件下按照现场留巷充填体结构建立相似模型，模型尺寸250 mm×160 mm×250 mm，采用5 mm钢条代替对穿钢筋、2 mm铝丝代替钢筋梯梁、8 mm×8 mm铁丝网替代钢筋网、螺母替代托盘，分别模拟增加外侧刚性约束、安装对穿钢筋、安装钢筋梯梁、布置钢筋网情况下，充填体极限抗压强度和表面位移变化情况，相似模拟试验情况如图3所示。

图3 不同刚性约束条件下相似模型

通过施加不同侧向约束方式增加充填体抗压强度，测试块7 d应力-应变差异情况。由测试数据可知：对穿钢筋对试块极限强度影响最大，可提高试块残余强度61.9%，最终极限强度8.52 MPa；施加对穿钢筋和钢筋梯梁后，残余强度可提高70%，最终极限强度14.48 MPa；施加对穿钢筋、钢筋梯和钢筋网，残余强度提高90%，表面位移量减少75.9%。

4、沿空留巷支护设计

4.1 围岩补强支护

超前工作面进行留巷补强加固，主要针对顶板和实体煤帮施工补强锚索，顶板每排补打3根锚索，排距2 000 mm，与原有锚索交错布置。1#锚索距回采侧煤帮200 mm，规格SKP22-1-5.3 m;2#锚索与1#锚索间距1 000 mm，规格SKP22-1-8.3 m;3#锚索距实体煤帮1 300 mm，规格SKP22-1-8.3 m，均垂直顶板打设。实体煤帮补打锚索，规格SKP22-1-5.3 m，排距2 000 mm，间距1 500 mm，垂直巷帮施工，围岩补强支护如图4所示。

图4 围岩补强支护参数

4.2 巷旁充填体布置

充填泵站超前工作面200 m布置，随工作面推进逐步向巷口移动，充填管路经工作面到达充填地点。根据工作面采煤机进尺，确定充填体尺寸3 m×2 m×3.3 m，其中0.5 m置于巷内、1.5 m置于采空区，每日充填两个充填袋，巷旁充填体布置如图5所示。

根据所示模拟试验结果，为了增强充填体抗压强度，预先在充填袋内植入对拉钢筋。对拉钢筋规格φ28 mm×2 200 mm，采用400号高强螺纹钢制成，间排距1 000 mm×1 000 mm，充填袋外侧布置W钢带+钢筋网护表，如图6所示。

图5 巷旁充填体布置

图6 充填体内置对穿钢筋

4.3 滞后加强支护

为了保证充填体强度稳定增长，滞后工作面80～100 m打设单体支柱加强顶板管理。根据现场生产地质条件，在靠近充填体侧打设双排单体支柱加强支护，为防止支柱钻底，单体柱安装铁鞋。第1排单体柱距充填体距离不大于0.6 m，第2排单体柱打设在巷道中央。随着工作面向前推进，在确保充填体强度达标的基础上，逐步回收单体柱。

5、经济效益分析

4311工作面留巷可多回收30 m区段煤柱，按吨煤利润150元计，每米可增加经济效益30 m×6.3 m×1.3 t/m3×150元/t×80%=29 484元。43113巷高水材料沿空留巷成本主要包括：充填材料、充填袋、对穿钢筋、钢筋网、补强锚索、人工费等。其中：充填材料按照水灰比1.2计算，单个充填袋需消耗材料12.8 t，每米留巷充填材料成本(12.8 t×4 000元/t)/3 m=17 000元/m；充填袋单个1 200元，400元/m；每日充填作业需8名工人，每工300元，每米人工费400元；对穿钢筋、钢筋网、补强锚索等零星耗材1 500元/m，高水材料充填留巷成本合计19 300元/m。按掘进成本每米8 000元计算，沿空留巷每米产生利润为29 484元+8 000元-19 300元=18 184元/m，经济效益显著。后期对充填体成型情况进行了持续观测，现场留巷效果如图7所示。

图7 现场留巷效果

6、结语

基于4311综放工作面现场生产地质条件，决定在43113巷巷旁采用高水充填材料沿空留巷支护技术；在留巷内预先采用锚索加强支护，滞后工作面采用单体柱补强支护，充填体采用对穿钢筋+金属网+W钢带加固技术。现场工业性试验表明，高水材料充填体成型效果良好，每米可产生18 000余元收益，经济效益显著，可为类似条件的工作面巷道开展无煤柱开采提供借鉴。

参考文献:

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文章来源:武虎林.高水充填材料在综放工作面沿空留巷中的应用[J].江西煤炭科技,2024,(03):35-38.