王維維，　李鳳義，　蘭永偉，　李景濤，　單麒源，　陳維新

(1.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)研究院， 哈爾濱 150022； 2.雙鴨山礦業(yè)集團(tuán)有限公司 東榮二礦， 黑龍江 雙鴨山 155100)

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沿空留巷快速巷旁充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王維維1，李鳳義1，蘭永偉1，李景濤2，單麒源1，陳維新1

(1.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)研究院， 哈爾濱 150022； 2.雙鴨山礦業(yè)集團(tuán)有限公司 東榮二礦， 黑龍江 雙鴨山 155100)

為了實(shí)現(xiàn)沿空留巷技術(shù)的快速巷旁充填，基于高水材料充填開(kāi)采技術(shù)，以粉煤灰為主要充填材料，設(shè)計(jì)巷旁快速充填系統(tǒng)。該系統(tǒng)由地面材料混配系統(tǒng)、井下材料輸送系統(tǒng)、充填留巷系統(tǒng)組成，其中井下系統(tǒng)采用自主研制的粉狀物料輸送裝置、柔性水力攪拌器、井下快速充填攪拌袋。工業(yè)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高水材料巷旁快速充填，且效果良好。該研究為沿空留巷巷旁充填技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定實(shí)踐基礎(chǔ)。

巷旁充填； 巷旁支護(hù)； 高水材料； 充填工藝

0　引　言

巷旁支護(hù)是關(guān)系沿空留巷技術(shù)成功與否的關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)有巷旁支護(hù)方式中，具有密閉性好、整體性強(qiáng)、充分接頂、效率高等優(yōu)點(diǎn)的巷旁充填是巷旁支護(hù)的發(fā)展方向[1-3]。隨著高水材料充填技術(shù)的成熟，高水材料沿空留巷巷旁充填已成為中厚煤層沿空留巷巷旁支護(hù)的主要方式。

筆者以高水材料充填開(kāi)采技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合集賢煤礦生產(chǎn)條件，以粉煤灰為主料，以簡(jiǎn)化充填工藝為主要出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)沿空留巷快速巷旁充填系統(tǒng)，以期對(duì)沿空留巷巷旁充填技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用起到推動(dòng)作用。

1　巷旁充填材料選擇

在添加劑作用下，與水混合的粉煤灰具有凝固時(shí)間短、流動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)。目前，粉煤灰在發(fā)達(dá)地區(qū)已經(jīng)變廢為寶，成為建筑主要添加材料之一[4，5]，而在煤炭城市大部分粉煤灰仍是以廢棄物形式排放，因此，以粉煤灰為主料進(jìn)行巷旁充填沿空留巷技術(shù)研究，既能夠保障留巷充填材料的低成本，又可實(shí)現(xiàn)廢物利用。

以雙鴨山集賢煤礦為工程背景，巷旁充填材料選擇雙鴨山電廠粉煤灰為主料，進(jìn)行材料性能研究。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室配比實(shí)驗(yàn)及強(qiáng)度測(cè)試，最終充填材料攪拌后 2 h 開(kāi)始膠凝、固化，8 h 單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)1.50 MPa，24 h 單軸抗壓強(qiáng)度為 3.45 MPa，7 d終強(qiáng)可達(dá)到8.00 MPa，完全可以達(dá)到巷旁支護(hù)強(qiáng)度要求[6]。

2　巷旁充填系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)充填系統(tǒng)簡(jiǎn)單化、高效化是巷旁充填沿空留巷技術(shù)的關(guān)鍵，巷旁充填系統(tǒng)一般由地面材料混配系統(tǒng)、井下材料輸送和充填留巷系統(tǒng)組成。

2.1地面材料混配系統(tǒng)

粉煤灰充填材料在地面可通過(guò)物料選配、天平、攪拌機(jī)、計(jì)量裝置等實(shí)現(xiàn)精確配比，在物料混配及輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)借鑒水泥輸送罐車、商砼攪拌站等地面技術(shù)裝備，通過(guò)研究在地面建立混配站，以便達(dá)到物料運(yùn)輸方便、設(shè)備簡(jiǎn)單、工藝自動(dòng)化、配比精確等要求。系統(tǒng)主要由儲(chǔ)料罐、輸送機(jī)、自動(dòng)計(jì)重配料機(jī)、物料輸送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。

2.2井下充填留巷系統(tǒng)

地面物料混配充分后，經(jīng)過(guò)運(yùn)輸環(huán)節(jié)運(yùn)送至井下留巷工作面，在較短時(shí)間內(nèi)完成充填留巷是實(shí)現(xiàn)高效化的關(guān)鍵所在，為此，設(shè)計(jì)了由井下預(yù)置充填袋、工作面快速風(fēng)水插閥、物料風(fēng)動(dòng)輸送裝置、流量計(jì)等構(gòu)成的井下充填留巷系統(tǒng)。

2.2.1預(yù)置充填袋

充填袋是保證充填漿液不流失、實(shí)現(xiàn)護(hù)巷充填體造型的保障。預(yù)置充填袋按照設(shè)計(jì)的護(hù)巷體尺寸(與煤層厚度、礦山壓力等相關(guān))由地面加工好，在井下實(shí)施充填留巷前，預(yù)先掛在留巷處，并以單體支柱作為約束同時(shí)起到臨時(shí)支護(hù)作用。充填袋上留有充料口與排氣口，由具有阻燃性能的土工布縫制而成，能夠保證充填體在井下空氣環(huán)境中不受影響，保持充填體的強(qiáng)度長(zhǎng)期穩(wěn)定，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　預(yù)制充填袋

2.2.2工作面快速風(fēng)水插閥

煤礦井下任何區(qū)域，壓風(fēng)、供水管路隨處可見(jiàn)，這是保證生產(chǎn)和安全的必要裝置，但風(fēng)水管路規(guī)格均為6 m一根，且分叉三通都是于幾十米安設(shè)一個(gè)。為了保證留巷期間能夠隨時(shí)隨地、快速地實(shí)現(xiàn)壓風(fēng)和供水，研發(fā)了一種風(fēng)水管路快速插接閥，該產(chǎn)品可應(yīng)用于煤礦采掘工作面風(fēng)水管路的快速連接[7]。

2.2.3物料風(fēng)動(dòng)輸送裝置

充填材料由地面混配系統(tǒng)配比好后，以干粉形式按充填要求計(jì)重裝入物料風(fēng)動(dòng)輸送裝置，運(yùn)至井下留巷工作面后，利用井下壓風(fēng)，直接將物料壓至充填袋內(nèi)，與水混合實(shí)現(xiàn)井下袋內(nèi)漿液制備[8，9]。物料風(fēng)動(dòng)輸送裝置在地面水泥干粉運(yùn)輸車基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝，由儲(chǔ)料罐與平板礦車結(jié)合，實(shí)現(xiàn)井下干粉物料封閉式運(yùn)輸，如圖2所示。在物料轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)僅借助于井下壓風(fēng)即可實(shí)現(xiàn)，既保障了物料的準(zhǔn)確定量，又避免造成井下粉塵污染，是日后煤礦井下干粉物料運(yùn)輸?shù)膭?chuàng)新型運(yùn)輸裝備。

圖2　物料輸送

2.2.4水力攪拌裝置

在干粉混料壓入至充填袋內(nèi)后，需按比例要求加入水制成充填漿液，且水與以粉煤灰為主的干粉物料需充分混合攪拌，為此，研發(fā)了柔性水力攪拌裝置。在未接通高壓水前，可由充料口進(jìn)入充填袋，供水后，由于井下水具有較大壓力，水力攪拌器在袋內(nèi)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)啟，達(dá)到供水與攪拌雙重作用，完成充填漿液的制備。水力攪拌裝置如圖3所示。

圖3　水力攪拌裝置

3　工業(yè)性試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)條件

選擇集賢煤礦4109 綜采工作面為工業(yè)試驗(yàn)地點(diǎn)。 工作面走向長(zhǎng)度560.0 m，傾斜長(zhǎng)度150.0 m，煤層厚度 1.5～1.7 m，平均 1.6 m，傾角 8°～12°，平均10°。直接頂粉砂巖厚 1.2 m，灰白色完整無(wú)層理；基本頂細(xì)砂巖厚12.0 m；直接底粉砂巖厚為1.5 m，灰白完整中間夾少量細(xì)砂巖。工作面采用綜合機(jī)械化采煤工藝，每刀割煤深度為0.8 m。

3.2效果分析

根據(jù)工作面煤層厚度及推進(jìn)速度，工作面每一個(gè)圓班推進(jìn)5刀，距離4 m，充填一次，因此，設(shè)計(jì)充填袋長(zhǎng)度4 m。每次充填料用量mco為

mco=l×b×h×η，

式中：l——充填長(zhǎng)度，取4.0 m；

b——巷旁充填寬度，取1.8 m；

h——煤層厚度,取1.6 m；

η——在水灰比1.9∶1.0條件下，每立方充填體充填干料用量，取0.7 t/m3。

每次充填用水量為1.9mco，為10.7 t。每輛物料運(yùn)輸車可裝粉狀物料1.0 t，因此，每次充填八輛物料運(yùn)輸車即可滿足充填需求。

在充填完成后， 按2、8、24 h和3、7 d時(shí)間間隔進(jìn)行取樣， 在地面實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行力學(xué)參數(shù)測(cè)定。 集賢煤礦4109工作面巷旁充填體在2 h即開(kāi)始凝固， 8 h強(qiáng)度經(jīng)過(guò)取樣測(cè)定達(dá)到1.30 MPa， 24 h強(qiáng)度達(dá)到3.25 MPa， 7 d終強(qiáng)可達(dá)7.85 MPa，充填體保持穩(wěn)定。在集賢煤礦4109綜采工作面生產(chǎn)期間，隨著工作面的推進(jìn)，施工巷旁充填袋135個(gè)，共計(jì)留巷長(zhǎng)度540 m， 累計(jì)充填成本101 774萬(wàn)元， 減少煤柱留設(shè)560 m，按留設(shè)20 m煤柱計(jì)，節(jié)約資源1.6 m×560 m×20 m×1.34 t/m3=17 920 t，按目前煤炭形勢(shì)價(jià)格約240元/t計(jì)，可增加收入256 626元。在采用巷旁充填沿空留巷后，節(jié)約巷道掘進(jìn)施工、巷道支護(hù)等成本不計(jì)，同時(shí)可有效降低鄰近工作面煤柱的集中應(yīng)力影響，改善回采巷道圍巖安全狀態(tài)，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4　結(jié)　論

(1)在高水材料充填開(kāi)采技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了粉煤灰巷旁充填沿空留巷系統(tǒng)。該系統(tǒng)由材料混配系統(tǒng)、井下材料輸送系統(tǒng)和充填留巷系統(tǒng)組成。

(2)設(shè)計(jì)研發(fā)了物料輸送裝置、柔性水力攪拌器、充填袋等，可在井下隨時(shí)完成巷旁充填作業(yè)。

(3)在集賢煤礦的工業(yè)性試驗(yàn)效果顯示，系統(tǒng)簡(jiǎn)易、快速，充填材料能夠滿足巷旁充填要求。

(4)該研究為真正實(shí)現(xiàn)井下快速巷旁充填沿空留巷提供了技術(shù)設(shè)備保障，有效解決了中厚煤層開(kāi)采留設(shè)煤柱引起的巷道壓力大、沖擊地壓等問(wèn)題。

[1]王維維， 李鳳義， 蘭永偉. 切頂卸壓沿空留巷技術(shù)研究及應(yīng)用[J]. 黑龍江科技大學(xué)學(xué)報(bào)， 2014， 24(1)： 20-23.

[2]張農(nóng)， 韓昌良， 闞甲廣， 等. 沿空留巷圍巖控制理論與實(shí)踐[J]. 煤炭學(xué)報(bào)， 2014， 39(8)： 1635-1641.

[3]楊凱， 范映沖. 我國(guó)煤礦沿空留巷支護(hù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與思考[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)， 2014, 42S： 47-53.

[4]孫春東， 馮光明. 新型高水材料巷旁充填沿空留巷技術(shù)[J].煤礦開(kāi)采， 2010(1): 58-61.

[5]孫淑靜， 劉學(xué)敏. 我國(guó)粉煤灰資源化利用現(xiàn)狀、問(wèn)題及對(duì)策分析[J]. 粉煤灰綜合利用， 2015(3): 45-48.

[6]陳維新， 李鳳義. 粉煤灰基膠結(jié)充填材料基本性能的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 黑龍江科技大學(xué)學(xué)報(bào)， 2015, 25(4)： 375-380.

[7]王維維， 康宇， 代少軍. 一種礦用風(fēng)水管路快速插接閥： 中國(guó)， zl.201320833375.7[P]. 2013-11-06.

[8]劉欽德， 劉世明. 粉煤灰基膠結(jié)材料快速沿空留巷巷旁充填工藝[J]. 煤炭技術(shù)， 2015， 34(4)： 1-4.

[9]崔亞仲. 神東礦區(qū)快速沿空留巷技術(shù)研究及應(yīng)用[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)， 2014, 42(1): 129-133.

(編輯荀海鑫)

Design and application of roadside filling system for fast gob-side entry retaining

WANGWeiwei1，LIFengyi1，LANYongwei1，LIJingtao2，SHANQiyuan1，CHENWeixin1

(1. Institute of Mining Research, Heilongjiang University of Science & Technology， Harbin 150022， China；2. Dongrong No.2 Coal Mine， Shuangyashan Mining Group Co. Ltd.， Shuangyashan 155100， China)

This paper proposes a novel system designed to realize the faster roadside filling using the gob-side entry retaining technique. This system building on the high water material filling mining technology and the fly ash used for the main filling materials consists of ground material compounding system, underground material conveying system and filling and retaining system. The underground system is composed of self-developed powder material conveying device, flexible hydraulic mixer and mixing bags for rapid underground filling. Industrial experimental results show that the system works better for a faster roadside filling with high water material. This study may provide a practical foundation for the popularization and application of gob-side roadway filling technique.

roadside filling； roadside suppor； high-water-contentmateria； filling process

2015-11-25

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究指導(dǎo)項(xiàng)目(12543074)

王維維(1981-)，男，黑龍江省阿城人,講師，碩士,研究方向:礦山壓力控制、充填開(kāi)采技術(shù)，E-mail:wwsls@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.01.003

TD353

2095-7262(2016)01-0010-03

A