关于前进式开采巷旁支护的实验研究

河北工程大学毕业设计专题1附录一附录一关于前进式开采巷旁支护的实验研究关于前进式开采巷旁支护的实验研究赵玺赵玺(河北工程大学资源学院，河北邯郸，056038)摘要：摘要：本文结合左权天一煤业集团采用前进式开采的实践，对前进式开采的巷旁支护的问题进行论述和实验研究，并确定最佳的巷旁充填体及充填形式，研究结果也应用于工程实践，对相应条件下前进式开采的巷旁支护有借鉴意义。关键词关键词： 混装充填材料；沿空留巷；巷旁支护 Study and Conservation on the way forward supplementary mining Experimental zhaoxi (Hebei university of engineering，department of resource，Handan,056038) Abstract: This paper combines the use of Zuo Quan Coal Industry Group Tianyi advance the practice of mining, the mining of forward supplementary Lane discussed the issue of care and experimental research, and to determine the optimal filling Lane next to body and filling the form, the application of research results in engineering practice, under the conditions of the corresponding forward supplementary Lane mining the significance of retaining a reference.Key words: mixed filling material; gatew ay maintained along the goaf; roadside support国外主要产煤国家, 如英国、西德, 前进式采煤产量都占相当比重。但回采工作面是前进式还是后退式的问题, 长期以来就有争论。护巷方式是前进式采煤成败的关键。护巷的作用是保证有足够的巷道断面, 满足回采过程中及相邻工作面回采时运输、通风、行人、运送材料及设备的要求。沿空留巷是前进式采煤护巷的基本方式。沿空留巷成败的关键在于巷旁支护方式、支护材料的合理选择。煤炭开采排放矸石形成的环境问题主要有: 矸石山压占土地, 我国矸石排放量约为原煤总产量的15% 20% , 累计储存量已超过30 亿t, 占地55km², 而且以年排放量1. 2 亿t 的速度增长; 矸石山自燃对大气污染, 我国自燃的矸石山有300 多座,产生大量的烟尘及SO²,H2S, CO 等有毒气体, 污染大气环境; 矸石中的金属离子及有机物对水资源及土壤的污染等。解决矸石排放问题的技术途径有: 开采过程中减少排矸量、矸石不出井及地面综合利用等。混装材料由50%的石子（材料为矸石）和50%的沙子组成, 在河北工程大学毕业设计专题2井下制作混装材料、直接消耗大量矸石,实现矸石不出井, 换装充填材料充填沿空留巷是煤矿绿色开采的一个重要组成部分。1 1沿空留巷巷旁支护技术沿空留巷巷旁支护技术沿空留巷从空间上使巷道处于开采后应力重新分布的低应力区, 但从时间上无法避免采动支承应力重新分布过程中的剧烈作用, 巷道需要经受两次采动影响, 矿压显现强烈, 巷道维护难度大。 但沿空留巷具有煤炭回收率高、回采工作面衔接合理、巷道掘进率低、掘进排矸少的优点, 尤其是掘进速度仅为80 100 m/月的煤与瓦斯突出煤层, 采用沿空留巷可以解决采掘接替紧张的难题. 因而, 沿空留巷一直是煤炭开采技术的重要发展方向。沿空留巷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, 并具有合理的支护阻力能切落一定高度的顶板, 具有较大的变形量适应沿空留巷剧烈变形, 同时希望巷旁支护成本低廉, 这些特性推动着巷旁支护技术的发展。按力学特性可将巷旁支护分为刚性、有限可缩量、大可缩量几种。传统的巷旁支护有木垛、密集支柱、矸石带、混凝土砌块等。木垛巷旁支护的优点是稳定性好、架设劳动强度小; 缺点是增阻速度慢、可缩量大、支护阻力小、巷道控顶宽度大、留巷效果差, 不能密闭采空区、木材消耗量大, 适用于薄及中厚煤层。密集支柱巷旁支护与木垛相比, 其优点是可缩量小、早期支撑性能好、巷道控顶宽度小、切顶效果较好; 缺点是可缩量小、支护阻力小、稳定性差, 不能密闭采空区、木材消耗量大, 适用于脆性顶板、中等稳定的薄及中厚煤层。矸石带巷旁支护的优点节省支护材料、稳定性较好; 缺点是矸石带的可缩量大、前期支护阻力小、顶板下沉量大, 构筑矸石带的劳动强度大, 密闭采空区效果较差, 适用于顶板韧性较大的薄煤层。混凝土砌块巷旁支护的优点是前期支护阻力大、增阻速度快、切顶效果好; 缺点是可缩量较小、成本较高、构筑巷旁支护的劳动强度大, 密闭采空区效果较好, 适用于顶板中等稳定的薄及中厚、中硬以上的煤层。传统的巷旁支护存在支护阻力、可缩性等力学性能与沿空留巷围岩变形不相适应、密闭性能差和机械化程度低等缺点, 不利于巷道维护和防止采空区漏风与自燃发火, 所以长期以来我国沿空留巷基本上只是应用在条件较好的薄及中厚煤层, 条件困难或厚煤层中难以发展, 多采用沿空掘巷。2 2 巷旁支护的新材料和新技术巷旁支护的新材料和新技术针对沿空留巷围岩活动规律及传统巷旁支护存在的问题, 研究、开发了高河北工程大学毕业设计专题3水速凝材料及混装材料巷旁支护新技术, 它们的优点是支护阻力大、增阻速度快、适量可缩, 巷道维护效果好, 机械化整体构筑巷旁支护对采空区密闭性好、劳动强度小。2.12.1 高水速凝材料巷旁支护高水速凝材料巷旁支护高水速凝材料是20 世纪70 年代末从英国发展起来的, 分甲料、乙料两部分, 每部分单独加水搅拌24 h 不凝固, 混合后快速凝固、早期强度大、增阻速度快、塑性变形量大, 水用量大、固体料用量少, 易于泵送、构筑巷旁支护的劳动强度小。中国矿业大学研制的ZKD 高水速凝材料达到了国际先进水平, 其力学性能见表1 , ZKD 高水速凝材料不但强度满足巷旁支护要求, 而且塑性特征显著, 残余强度降至峰值强度的70% 时, 其应变可达3%7. 5% , 能满足沿空留巷围岩强烈变形要求, 工程实践表明高水速凝材料巷旁支护沿空留巷效果良好。但是高水速凝材料巷旁支护成本较高, 未能在我国广泛应用。2.22.2 混装材料巷旁支护混装材料巷旁支护混装材料巷旁支护由矸石与沙子加少量水搅拌混合均匀形成，然后将混合材料装入编织袋（每袋37.5kg），即为混装材料。以混装材料堆叠若干层（视具体情况而定），并加网加锚杆，想成巷旁支护的空间。以矸石为集料的混装材料在保留高水速凝材料力学特性的基础上显著降低巷旁支护成本, 并能利用大量矸石, 其中矸石占固体材料总重的50 %以上, 材料成本可以控制在90 元/m³以内。 高水速凝材料巷旁充填沿空留巷时, 水灰比一般小于2. 51, 材料成本大于190 元/m³, 由此可见, 混装材料巷旁支护体价格低廉, 经济效益显著。表表1 1 高水速凝材料力学性能高水速凝材料力学性能凝结时间/min抗压强度/MPa水灰比初凝终凝4h24h7d2. 25112413. 024. 6l5. 952. 5117582. 424. 145. l5混装材料巷旁支护的塑性变形特征显著, 在载荷达到峰值强度后, 并不立即破坏、丧失承载能力,只是随着变形增大, 承载能力缓慢下降, 下降速度远小于一般的脆性材料。 该特性表示在沿空留巷剧烈变形过程中, 巷旁支护适当压缩变形、卸载, 仍保持较大的支撑力, 有效维护巷道。3 3 实验过程实验过程河北工程大学毕业设计专题4实验一：混装两袋实验一：混装两袋实验材料：沙子 12.5kg+石子（20mm）12.5kg+石子（40mm）12.5kg实验目的：观测所选取的三种材料（沙子 12.5kg+石子（20mm）12.5kg+石子（40mm）12.5kg）2/3 袋装 37.5kg 时的袋子两层抗压强度测试，采集分析编织袋承压过程的力学特性及位移变化。相关参数：1. 数量（袋）：2 袋2. 质量 (kg)：37.5kg×23. 编织袋封口长度：165mm压力机上下两盘的初始高度为 243mm。准备工作就绪后，进行压力机单轴抗压强度试验。实验数据如下：表表 2 2 混装两层（混装两层（37.5kg×2g×2）加压试验）加压试验名称 序号压力 （KN）高度变形 （mm）面积 （C）应力 （MP）应变 1000.000.00210192000.180.050.08320252000.180.100.10430332000.180.150.14540392000.180.200.16650452000.180.250.19760522000.180.300.21870542000.180.350.22980562000.180.400.231090572000.180.450.2311100592000.180.500.2412110622000.180.550.2613120642000.180.600.2614130652000.180.650.2715140672000.180.700.2816150692000.180.750.2817160712000.180.800.2918170732000.180.850.30河北工程大学毕业设计专题519180802000.180.900.3320190882000.180.950.3621239902000.181.190.37图1 混装两袋应力应变曲线实验过程描述：袋子在受压过程中，压力上升到 170KN，两层袋子的横向一侧的上袋下部与下袋上部接触处约有 40mm 的裂缝，沙子少许外漏；压力上升到 190KN 时，两层袋子的横向一侧的上层袋子约有 150mm 的裂缝，另一侧约有 10mm 的裂缝；压力到达 240KN 时为袋子的强度极限，压力不再上升，上下袋横向全部破坏。最终受力面积为 520mm*490mm。实验二：混装两袋加方网加单锚杆实验二：混装两袋加方网加单锚杆实验材料：沙子 12.5kg+石子（20mm）12.5kg+石子（40mm）12.5kg实验目的：观测所选取的三种材料（沙子 12.5kg+石子（20mm）12.5kg+石子（40mm）12.5kg）2/3 袋装 37.5kg 时外加一根穿带锚杆和方形网的 2 层袋子抗压强度测试，采集分析编织袋承压过程的力学特性及位移变化。相关参数：1. 数量（袋）：2 袋2. 质量 (kg)：37.5kg*23. 编织袋封口长度：165mm压力机上下两盘的初始高度为 330mm。准备工作就绪后，进行压力机单轴抗压强度试验。实验数据如表 3。实验过程描述：方形网和锚杆布置于袋子横向侧。袋子在受压过程中，压力上升 200KN 时，0.000.050.100.150.200.250.300.350.400.000.150.300.450.600.750.90 应力（MPa)应变河北工程大学毕业设计专题6横向一侧的锚杆处出现破坏迹象。300KN 时，纵向一侧上层向外扩了大概20mm。在加压过程中，上述横向锚杆处破坏急剧加大，且纵向一侧的袋子出现破坏，在此过程中，袋子横向一侧的锚杆被压断，托盘被挤飞出。当锚杆断了之后，压力不再向上升，破坏范围不再扩大，方形网紧固着袋子，起到了作用。最终受力面积：400mm*580mm。锚杆破坏形态为断为 3 截，且初判为拉断和压断共同作用