粉煤灰基胶结材料在新安矿3832沿空留巷的应用

李凤义， 聂文波， 陈 雷

(1.黑龙江科技大学 矿业研究院，哈尔滨 150022;2.黑龙江科技大学 安全工程学院，哈尔滨 150022)

沿空留巷技术能较好地实现矿井无煤柱护巷[1]，且在煤炭资源利用和采煤方法上均具有较好的技术经济优势，被我国很多矿区采用[2]。目前，我国主要无煤柱留巷技术有似膏体巷旁充填、超高水材料巷旁充填[3]等。

笔者根据围岩控制机理[4]，在七台河分公司桃山三井粉煤灰基胶结材料充填开采实验基础上，结合工作面实际地质条件，以粉煤灰基胶结材料为充填材料进行现场工业实验，以解决3832采煤工作面围岩变形问题。

1 工作面概况

新安矿3832综采工作面的煤厚1.6～2.8 m，平均2.2 m;倾角36°～40°，平均38°;基本顶为细砂岩，直接顶和直接底均为粉砂岩，煤层顶底板情况如表1所示。

表1 煤层顶底板情况Table 1 Seam roof and floor conditions

2 充填材料配比实验与强度计算

2.1 粉煤灰基胶结材料配比实验

充填材料选取是否合理不仅对沿空留巷技术成败起着关键作用[5]，也对充填质量、留巷成本及留巷效果起着决定性作用。因此，要求使用的充填材料具有快凝、快硬、高强、短时间内主动接顶等特点。

在前期大量实验研究的基础上，选取龙煤双鸭山分公司国电厂粉煤灰作为主料，采用复合激活法活化粉煤灰，并以24 h强度优化组合为充填材料的最优配比，则粉煤灰、水泥、泵送剂、早强剂(含活化剂)、水的配比为 800∶100∶15∶3∶898。最终得到的活化剂实验方案及结果如表2所示。

从表2可知，活化时间和活化剂掺量的比例对试块强度的增加都起促进作用，但试块的强度并非随两者的增长而增大，其在0.5 h、0.1%时达到最大值，因此，实验最佳方案定为活化时间0.5 h、活化剂掺量0.1%。

表2 不同配比活化剂实验方案及结果Table 2 Experimental program and results

2.2 工作面支护体的强度计算

根据现有的工作面围岩岩性构成、开采深度和开采工艺条件下的矿压显现规律，计算确定充填体的最小极限支撑强度。由沿空留巷顶板和充填体之间的相互作用关系，得到巷旁支护阻力简化公式[6]:

式中:p——巷旁支护体的支护阻力，MPa;

b——巷道维护宽度(巷内宽度与巷旁支护宽度之和)，m;

n——总垮落层数;

γ——第1～n层的岩层平均容重，MN/m3;

d1——切顶岩层的分层厚度，m;

α——切顶岩层跨落角的余数，(°);

Ln——第n岩层的垮落长度，m;

σt，n——第 n 岩层的抗拉强度，MPa。

根据综三工作面的地质条件，以及前期该工作面垮落最大值和切顶经验计算公式，取切顶的总高度为7.23 m，工作面顶板的平均分层厚度 d1=0.8 m，则 n=9，α =45°，Ln=5 m，γ =2.5 ×10－2MN/m3，σt，n=5.0 MPa，b=3.5 m，带入式(1)可得p=1.7 MPa。即巷旁支护强度不低于1.7 MPa，如采区巷旁支护宽度为1 m，则要求支护体强度不低于1.7 MPa，根据粉煤灰基胶结材料性能可以满足巷旁支护的要求。

2.3 巷旁充填体尺寸的确定

巷旁充填体的尺寸主要是指每次充填所形成的充填体的长度、宽度和高度。

(1)充填体长度的确定。每次充填的长度主要取决于工作面推进的进度和充填作业制度。该工艺每天充填一次，充填一次可以充填多袋，采用两班生产一班检修充填，一班生产能割煤2刀，每刀800 m，检修班割煤一刀，工作面每天推进4 m，则每天充填长度为4 m。

(2)充填体宽度的确定。充填体的宽度大小主要取决于围岩所要求的切顶力、充填体强度及充填成本。根据以上的计算，考虑安全及施工方便，取充填宽度b1=1.5 m，并要求充填体强度每天达到2.0 MPa以上。

(3)充填体高度的确定。理论上的充填体高度就是工作面的采高，取平均值为2.2 m，实际的充填高度等于被充填空间的高度。

3 充填工艺系统与流程

3.1 充填工艺系统设计原则

系统能满足该充填材料的输送性能，满足工作面生产所需的充填量，保证工作面正常生产;尽量降低系统及配套设施成本，即将充填成本控制到最低。系统运作要简单可靠，易操作，易维护，并预备备用系统，面对突发情况时，要有紧急处理措施，确保工作面能够连续生产。

3.2 3832巷旁充填工艺流程

3832沿空留巷巷旁充填工艺分为充填硐室和充填点两部分。3832充填点如图1所示，主要由充填袋、充填框架(木支柱、单体液压支柱、孔径100 mm×100 mm金属网)和充填软管组成。充填袋由高分子防水耐腐蚀材料制成，抗拉强度为2.3 MPa。搭建充填框架时，在巷道中靠近采空区的一侧用木支柱支护，充填完毕后将不再回收;靠近巷道的一侧采用单体液压支柱，充填完毕后回收。基本工艺流程如图2所示。

图1 3832充填点示意Fig.1 Fill point of 3832

图2 3832巷旁充填工艺流程Fig.2 Schematic diagram of technological process of 3832

4 充填效果分析

4.1 巷道围岩应力变化数值模拟

为了确定巷道围岩应力状态变化情况，对留巷巷道围岩进行 FLAC3D模拟，所采用的模型为长200 m、宽200 m、高100 m 的长方体[7]，如图3 所示。

图3 模型网格划分Fig.3 Mesh model

4.1.1 计算参数与过程

模拟以煤层、岩层作为研究对象，模拟煤层只开设出100 m长的开切眼，当模型重力计算收敛后对模型进行开挖以及充填支护。计算本构模型采用摩尔－库伦本构准则，依据现有的新安矿地质资料，从中选取所需的煤岩层物理力学参数，确立建模所用的煤岩层物理力学参数，如表3所示。

表3 各岩层力学参数Table 3 Each rock mechanical parameters

4.1.2 巷道围岩应力状态变化

利用FLAC3D软件模拟巷道围岩应力，确定其变化情况。工作面推进 12、32、52、72、92、100 m 时，模拟的巷道围岩剖面应力云图和工作面中部剖面塑性区分布如图4、5所示。

由图4和5可知，12～32 m时，应力过度集中、塑性区扩大范围最大且发育最快，即在此阶段顶板下沉量较大，来压明显。从72～92 m时塑性区较快发展可知，此时充填体和巷道围岩仍旧受采动的影响。在92～100 m范围内应力基本没有发生变化，塑性区发育逐渐减小，说明此时的围岩得到有效控制处于相对稳定状态。

图4 沿走向不同推进长度的剖面应力云图Fig.4 Along strike of different length of section stress nephogram

图5 沿走向不同推进长度的剖面塑性区分布Fig.5 Along strike different push length of section figure of plastic zone

4.2 巷道围岩变形监测分析

为确定沿空留巷巷旁充填效果是否达到预期，以及围岩与充填体之间的相互作用关系效果，采用实测分析法。即在留巷的充填体上，分别设立三个观测地点，观测地点选取在工作面后方的第一个充填体处。选取距离综采支架分别为1、2、3 m的三个断面 A—A'、B—B'、C—C'，且在三个测区内均布置顶底板移近量的观测点，每天测量并记录该测点处顶底板间的距离，并绘制相应的顶底板移近量变化曲线，见图6。同时，观测充填体并与充填前进行对比，对比结果表明，后期巷道围岩比较稳定，充填体逐渐实现了承压作用。

由图6可知，在留巷充填实施前5 d，顶底板移近量基本为0，此时巷道围岩没有明显变化;在工作面推进8～9 d时，顶板下沉量(s)由3.0 mm突然增大到11.0 mm，来压明显;在工作面推进15～20 d时，顶底板下沉量变化值约为2.5 mm，此时顶底板下沉情况趋于缓和。

图6 顶底板移近量变化趋势Fig.6 Trend chartn of convergence between roof and floor

现场实测数据和数值模拟结果吻合，说明3832工作面留巷充填技术方案切实可行，可以达到预期效果。

5 结论

(1)活化时间0.5 h、活化剂掺量为0.1%的粉煤灰基胶结材料是最佳配比方案，其8 h、24 h、3 d的单轴抗压强度分别为1.14、2.42、3.35 MPa，初凝时间为94 min，可以实现早强、速凝的材料特性，易于实现充填体的主动接顶。

(2)巷旁充填体早期强度发展迅速，能够有效阻止运输巷的围岩变形。同时，每两个相邻充填袋之间以及充填体与顶底板之间密实性很好，实测观察巷道几乎不漏风，可以有效阻止采空区有害气体的溢出。

(3)采用龙煤双鸭山分公司国电电厂粉煤灰既可以解决废弃物的排放问题，又大大降低了充填成本，同时，又得到高强度的充填材料。该研究可以实现低成本、高强度、绿色矿区的效果。

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