沿空留巷快速巷旁充填系统设计与应用

王维维，　李凤义，　兰永伟，　李景涛，　单麒源，　陈维新

(1.黑龙江科技大学 矿业研究院， 哈尔滨 150022； 2.双鸭山矿业集团有限公司 东荣二矿， 黑龙江 双鸭山 155100)



沿空留巷快速巷旁充填系统设计与应用

王维维1，李凤义1，兰永伟1，李景涛2，单麒源1，陈维新1

(1.黑龙江科技大学 矿业研究院， 哈尔滨 150022； 2.双鸭山矿业集团有限公司 东荣二矿， 黑龙江 双鸭山 155100)

为了实现沿空留巷技术的快速巷旁充填，基于高水材料充填开采技术，以粉煤灰为主要充填材料，设计巷旁快速充填系统。该系统由地面材料混配系统、井下材料输送系统、充填留巷系统组成，其中井下系统采用自主研制的粉状物料输送装置、柔性水力搅拌器、井下快速充填搅拌袋。工业性实验结果表明，该系统可实现高水材料巷旁快速充填，且效果良好。该研究为沿空留巷巷旁充填技术的推广应用奠定实践基础。

巷旁充填； 巷旁支护； 高水材料； 充填工艺

0　引　言

巷旁支护是关系沿空留巷技术成功与否的关键技术，现有巷旁支护方式中，具有密闭性好、整体性强、充分接顶、效率高等优点的巷旁充填是巷旁支护的发展方向[1-3]。随着高水材料充填技术的成熟，高水材料沿空留巷巷旁充填已成为中厚煤层沿空留巷巷旁支护的主要方式。

笔者以高水材料充填开采技术为基础，结合集贤煤矿生产条件，以粉煤灰为主料，以简化充填工艺为主要出发点，设计沿空留巷快速巷旁充填系统，以期对沿空留巷巷旁充填技术的进一步推广应用起到推动作用。

1　巷旁充填材料选择

在添加剂作用下，与水混合的粉煤灰具有凝固时间短、流动性好等优点。目前，粉煤灰在发达地区已经变废为宝，成为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废弃物形式排放，因此，以粉煤灰为主料进行巷旁充填沿空留巷技术研究，既能够保障留巷充填材料的低成本，又可实现废物利用。

以双鸭山集贤煤矿为工程背景，巷旁充填材料选择双鸭山电厂粉煤灰为主料，进行材料性能研究。经过实验室配比实验及强度测试，最终充填材料搅拌后 2 h 开始胶凝、固化，8 h 单轴抗压强度可达1.50 MPa，24 h 单轴抗压强度为 3.45 MPa，7 d终强可达到8.00 MPa，完全可以达到巷旁支护强度要求[6]。

2　巷旁充填系统

实现充填系统简单化、高效化是巷旁充填沿空留巷技术的关键，巷旁充填系统一般由地面材料混配系统、井下材料输送和充填留巷系统组成。

2.1地面材料混配系统

粉煤灰充填材料在地面可通过物料选配、天平、搅拌机、计量装置等实现精确配比，在物料混配及输送系统设计时借鉴水泥输送罐车、商砼搅拌站等地面技术装备，通过研究在地面建立混配站，以便达到物料运输方便、设备简单、工艺自动化、配比精确等要求。系统主要由储料罐、输送机、自动计重配料机、物料输送系统和控制系统构成。

2.2井下充填留巷系统

地面物料混配充分后，经过运输环节运送至井下留巷工作面，在较短时间内完成充填留巷是实现高效化的关键所在，为此，设计了由井下预置充填袋、工作面快速风水插阀、物料风动输送装置、流量计等构成的井下充填留巷系统。

2.2.1预置充填袋

充填袋是保证充填浆液不流失、实现护巷充填体造型的保障。预置充填袋按照设计的护巷体尺寸(与煤层厚度、矿山压力等相关)由地面加工好，在井下实施充填留巷前，预先挂在留巷处，并以单体支柱作为约束同时起到临时支护作用。充填袋上留有充料口与排气口，由具有阻燃性能的土工布缝制而成，能够保证充填体在井下空气环境中不受影响，保持充填体的强度长期稳定，其结构如图1所示。

图1　预制充填袋

2.2.2工作面快速风水插阀

煤矿井下任何区域，压风、供水管路随处可见，这是保证生产和安全的必要装置，但风水管路规格均为6 m一根，且分叉三通都是于几十米安设一个。为了保证留巷期间能够随时随地、快速地实现压风和供水，研发了一种风水管路快速插接阀，该产品可应用于煤矿采掘工作面风水管路的快速连接[7]。

2.2.3物料风动输送装置

充填材料由地面混配系统配比好后，以干粉形式按充填要求计重装入物料风动输送装置，运至井下留巷工作面后，利用井下压风，直接将物料压至充填袋内，与水混合实现井下袋内浆液制备[8，9]。物料风动输送装置在地面水泥干粉运输车基础上进行改装，由储料罐与平板矿车结合，实现井下干粉物料封闭式运输，如图2所示。在物料转运时仅借助于井下压风即可实现，既保障了物料的准确定量，又避免造成井下粉尘污染，是日后煤矿井下干粉物料运输的创新型运输装备。

图2　物料输送

2.2.4水力搅拌装置

在干粉混料压入至充填袋内后，需按比例要求加入水制成充填浆液，且水与以粉煤灰为主的干粉物料需充分混合搅拌，为此，研发了柔性水力搅拌装置。在未接通高压水前，可由充料口进入充填袋，供水后，由于井下水具有较大压力，水力搅拌器在袋内可实现自动开启，达到供水与搅拌双重作用，完成充填浆液的制备。水力搅拌装置如图3所示。

图3　水力搅拌装置

3　工业性试验

3.1试验条件

选择集贤煤矿4109 综采工作面为工业试验地点。 工作面走向长度560.0 m，倾斜长度150.0 m，煤层厚度 1.5～1.7 m，平均 1.6 m，倾角 8°～12°，平均10°。直接顶粉砂岩厚 1.2 m，灰白色完整无层理；基本顶细砂岩厚12.0 m；直接底粉砂岩厚为1.5 m，灰白完整中间夹少量细砂岩。工作面采用综合机械化采煤工艺，每刀割煤深度为0.8 m。

3.2效果分析

根据工作面煤层厚度及推进速度，工作面每一个圆班推进5刀，距离4 m，充填一次，因此，设计充填袋长度4 m。每次充填料用量mco为

mco=l×b×h×η，

式中：l——充填长度，取4.0 m；

b——巷旁充填宽度，取1.8 m；

h——煤层厚度,取1.6 m；

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

每次充填用水量为1.9mco，为10.7 t。每辆物料运输车可装粉状物料1.0 t，因此，每次充填八辆物料运输车即可满足充填需求。

在充填完成后， 按2、8、24 h和3、7 d时间间隔进行取样， 在地面实验站进行力学参数测定。 集贤煤矿4109工作面巷旁充填体在2 h即开始凝固， 8 h强度经过取样测定达到1.30 MPa， 24 h强度达到3.25 MPa， 7 d终强可达7.85 MPa，充填体保持稳定。在集贤煤矿4109综采工作面生产期间，随着工作面的推进，施工巷旁充填袋135个，共计留巷长度540 m， 累计充填成本101 774万元， 减少煤柱留设560 m，按留设20 m煤柱计，节约资源1.6 m×560 m×20 m×1.34 t/m3=17 920 t，按目前煤炭形势价格约240元/t计，可增加收入256 626元。在采用巷旁充填沿空留巷后，节约巷道掘进施工、巷道支护等成本不计，同时可有效降低邻近工作面煤柱的集中应力影响，改善回采巷道围岩安全状态，具有较大的经济效益和社会效益。

4　结　论

(1)在高水材料充填开采技术基础上，设计了粉煤灰巷旁充填沿空留巷系统。该系统由材料混配系统、井下材料输送系统和充填留巷系统组成。

(2)设计研发了物料输送装置、柔性水力搅拌器、充填袋等，可在井下随时完成巷旁充填作业。

(3)在集贤煤矿的工业性试验效果显示，系统简易、快速，充填材料能够满足巷旁充填要求。

(4)该研究为真正实现井下快速巷旁充填沿空留巷提供了技术设备保障，有效解决了中厚煤层开采留设煤柱引起的巷道压力大、冲击地压等问题。

[1]王维维， 李凤义， 兰永伟. 切顶卸压沿空留巷技术研究及应用[J]. 黑龙江科技大学学报， 2014， 24(1)： 20-23.

[2]张农， 韩昌良， 阚甲广， 等. 沿空留巷围岩控制理论与实践[J]. 煤炭学报， 2014， 39(8)： 1635-1641.

[3]杨凯， 范映冲. 我国煤矿沿空留巷支护技术发展现状与思考[J]. 煤炭科学技术， 2014, 42S： 47-53.

[4]孙春东， 冯光明. 新型高水材料巷旁充填沿空留巷技术[J].煤矿开采， 2010(1): 58-61.

[5]孙淑静， 刘学敏. 我国粉煤灰资源化利用现状、问题及对策分析[J]. 粉煤灰综合利用， 2015(3): 45-48.

[6]陈维新， 李凤义. 粉煤灰基胶结充填材料基本性能的实验研究[J]. 黑龙江科技大学学报， 2015, 25(4)： 375-380.

[7]王维维， 康宇， 代少军. 一种矿用风水管路快速插接阀： 中国， zl.201320833375.7[P]. 2013-11-06.

[8]刘钦德， 刘世明. 粉煤灰基胶结材料快速沿空留巷巷旁充填工艺[J]. 煤炭技术， 2015， 34(4)： 1-4.

[9]崔亚仲. 神东矿区快速沿空留巷技术研究及应用[J]. 煤炭科学技术， 2014, 42(1): 129-133.

(编辑荀海鑫)

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

黑龙江省教育厅科学技术研究指导项目(12543074)

王维维(1981-)，男，黑龙江省阿城人,讲师，硕士,研究方向:矿山压力控制、充填开采技术，E-mail:wwsls@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.01.003

TD353

2095-7262(2016)01-0010-03

A