进风顺槽沿空留巷方案设计.doc

5211 进风顺槽沿空留巷方案设计进风顺槽沿空留巷方案设计 山西柳林凌志柳家庄煤业有限公司山西柳林凌志柳家庄煤业有限公司 二二一二年五月一二年五月 目目 录录 1 项目研究的意义项目研究的意义1 2 5211 综采工作面生产地质条件概述综采工作面生产地质条件概述.3 3 巷旁充填体作用机理与巷旁支护参数分析巷旁充填体作用机理与巷旁支护参数分析5 3.1巷旁充填体作用机理.5 3.2沿空留巷力学模型的建立.6 3.3巷旁支护阻力计算.8 4 高水充填材料及其沿空留巷技术简介高水充填材料及其沿空留巷技术简介10 4.1高水充填材料简介.10 4.2高水充填材料巷旁充填沿空留巷技术.12 5 巷旁充填工艺与系统巷旁充填工艺与系统15 5.1充填工艺.15 5.2充填设备清单.16 5.3人员配备及劳动组织.18 6 加强支护技术与方案加强支护技术与方案21 6.1原巷道加强支护技术与方案.21 6.2留巷段加强支护技术与方案.21 6.3充填体加强支护技术与方案.22 7 矿压观测方案矿压观测方案24 7.1观察内容.24 7.2测站设置.24 7.3观测要求.26 I 8 效益概算效益概算27 8.1留巷成本概算.27 8.2经济效益概算.27 8.3其它效益.27 9 安全技术措施安全技术措施29 9.1一般规定.29 9.2顶板.30 9.3“一通三防”及安全监控.32 9.4机电.34 10 避灾路线避灾路线36 0 1项目研究的意义项目研究的意义 沿空留巷技术是无煤柱开采技术的一大发展方向，它是维护在工作面后方 的采空区边缘巷道，即在工作面回采过程中，通过有效的巷旁支护和巷内支护 技术，将本工作面的回采巷道保留下来，作为邻近工作面的一条回采巷道使用， 如图 1-1 所示。但是，正是由于沿空留巷在工作面后方，受两次工作面采动影 响引起的矿压显现要比用煤柱保护引起的矿压显现强烈地多，巷道维护比较困 难。 一一一 一 一 一 一一一一一一一一一 一一一一一 图图 1-1 沿空留巷示意图沿空留巷示意图 巷旁支护是保证沿空留巷成功的关键，国内外对巷旁支护机理及方法进行 了较多的研究和实践。上世纪50年代以来巷旁支护长期采用矸石带、木垛、密 集支柱和混凝土砌块，上述巷旁支护普遍存在增阻速度慢、支承能力小、压缩 变形量大、密闭性能差、机械化程度低、劳动强度大，或力学性能与沿空留巷 围岩变形不相适应等缺点，不利于沿空留巷维护和防止采空区漏风、煤层自燃， 沿空留巷效果不好。高水充填材料具有支护阻力大、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采空区密闭性好、劳动强度小的优 点；整体浇注的高水充填材料巷旁支护体能克服传统巷旁支护的根本缺陷，把 沿空留巷所需解决的两个关键问题实现巷旁支护和密闭采空区有机结合起 来，充分显示出其技术经济的优越性。自上世纪八十年代初从英国引进了高水 充填材料和充填设备，到现在经过引进、吸收、消化，研制成功我国自己的高 水充填材料和充填设备，其性能达到或超过英国的材料和设备，它标志着我国 在沿空留巷技术领域已经达到了世界先进水平。硬石膏巷旁支护在德国有大量 应用，由于留巷成本昂贵、输送管道磨损严重、粉尘大，我国基本没有应用。 膏体材料充填沿空留巷具有较大的支护阻力，但管路输送阻力大，对输送泵和 管路要求高，经常发生管路堵塞的问题；另外，膏体充填沿空留巷需要的固体 1 材料量大，它的质量浓度大，大于75，固体材料至少有3种以上，即胶结料、 煤矸石、粉煤灰，因此，膏体材料充填沿空留巷存在设备投资大、矿井辅助运 输量大、搅拌均匀比较困难，上述难题对沿空留巷效果会有一定的影响。 柳家庄煤矿为山西凌志投资集团的一个现代化矿井，是国家优质主焦煤生 产基地。随着矿井产量和效率的不断提高，要求成巷速度越来越快，而传统的 三巷掘进方式越来越不能满足采掘接替的需要，同时也造成大量焦煤资源的浪 费。由于沿空留巷技术具有降低巷道掘进率、提高煤炭采出率、减小工作面隅 角瓦斯含量、实现 Y 型通风等优点，因此，有必要针对柳家庄煤矿 5211 综采 工作面煤层、顶底板力学性质等生产地质条件，开展高水充填材料巷旁充填沿 空留巷技术的系统研究对解决 5#煤层回采工作面布置、保证接替、降低开采成 本等具有重要的意义，同时，对推动沿空留巷技术发展具有重大的理论意义和 实际应用价值。 2 25211 综采工作面生产地质条件概述综采工作面生产地质条件概述 5211 进风顺槽为 5211 综采工作面的进风顺槽。井下相对位置位于本矿井田 5# 煤层西采区北部，南为西采区三条主要运输、通风巷道（西采区轨道巷、西采 区皮带巷、西采区回风巷），北接山西东辉煤焦邓家庄煤业有限公司实体煤层， 西为本矿实体井田，东接 5210 已采综采工作面。地面标高为+922.5+825m， 工作面标高为+639+660m，其工作面采掘工程平面图见 图 2-1 所示。 图 2-1 5211 综采工作面采掘工程平面图 该工作面为 4 层煤和 5 层煤合采。4#煤层平均厚度为 1.6m，5#煤层平均厚 度为 1.8m，4#、5#煤层之间夹矸平均厚度为 0.5m。煤层结构简单，顶板岩性为 3 灰色砂质泥岩、砂质泥岩；底板为砂质泥岩、灰色砂质泥岩。煤层倾角为 3 6，平均 4，稳定可采，属近水平煤层。煤层厚度为 1.72.0m，煤层结构 较简单，其煤层顶底板岩性情况见表 2-1 所示。 表表 2-1 煤层顶底板情况表煤层顶底板情况表 顶底板名称厚度（m）岩性类别及特征 基本顶2.4 砂质泥岩：次圆状接触式钙质胶结，含泥 岩包体，均匀层理 4#顶板 直接顶0.61.0 灰色砂质泥岩：参差状断口，张节理不断 穿断面，半竖硬 直接顶1.51.8砂质泥岩 5#底板 基本底10 灰色砂泥岩：厚层状，缓和波状层理及均 匀层理，半坚硬 5211 进风顺槽沿 4#煤层顶板、5#煤层底板掘进；巷道设计断面为宽高 （4.5m4.0m）。遇地质变化带时，巷道高度适当调整，但不得低于 3.2m。 5211 进风顺槽设计掘进长度为 1282m， 5211 进风顺槽掘进工作面顶板采用“螺纹钢金属锚杆锚索金属菱形网 钢带钢托板”支护。其锚杆采用规格：202400 mm，配合使用 2 卷 CK2340 树脂锚固剂，要求锚固力不低于 70KN，扭力矩不小于 100Nm，其锚 杆间、排距为：800 mm800 mm，间排距误差100 mm，呈矩形布置，顶板 靠巷道两侧的锚杆向两帮倾斜角度为 80，边锚杆至两帮距离均为 200mm。锚 索采用规格：15.246300mm 的钢绞线锚索，间排距为 1600 mm2400 mm，钢带采用：长 4400 mm，宽 230 mm，厚 5 mm 的 7 眼“W”钢带。托板 中孔 =22 mm，厚 5 mm 的圆托盘配合支护，金属菱形网使用 6000mm1000mm 的 18#镀锌铁丝编制而成。 两帮采用“锚杆钢带金属菱形网铁托盘”联合支护，帮锚杆选用规 格为：161600 mm 铁制锚杆，间、排距均为 800 mm800mm，帮顶锚杆 距顶板 400mm，帮底锚杆距底板 500mm。锚杆必须与巷道两帮成 90夹角。 帮锚杆支护锚固力不得小于 50KN，扭力矩不小于 100N.m。金属菱形网选用 3500mm1000mm 的 18#镀锌铁丝编制而成。网与网之间搭接要相互挂接，且 搭接长度不得小于 200mm，然后用铅丝把网与网搭接处固定。 4 井下观察，5211 进风顺槽巷道开口处向里 200m 左右，高度在 5.0m，里面 局部高度也达到 5.0m 左右，巷道部分地段锚杆间排距为 800mm1200mm。由 于掘巷前未考虑实施沿空留巷，支护强度比较低，不能满足留巷要求，在实施 留巷前需要对实煤体帮、顶板等进行补强加固。 5 3巷旁充填体作用机理与巷旁支护参数分析巷旁充填体作用机理与巷旁支护参数分析 3.1 巷旁充填体作用机理巷旁充填体作用机理 鉴于沿空留巷顶板岩层运动规律，沿空留巷围岩变形、巷旁支护体变形以 及支护体载荷的变化都与回来工作面的周期来压有关系。回采工作面后方 20m 范围内，巷道围岩变形速度较大；当周期来压引起工作面后方基本顶弧形三角 板失稳时、巷道围岩及巷旁支护体产生剧烈变形，支护体承受载荷也剧烈增加， 这个区域一般在工作面后方 2040m 范围内。 巷旁支护体控制巷道顶板、维护巷道，关键是要有足够的支护强度及适量 的可缩量，足够的支护强度能够及时切落采空区侧足够高度的顶板岩层，使更 上位岩层得到采空区冒落矸石及侧向煤体支撑，同时，适量的可缩量满足巷旁 支护体服从岩层的旋转下沉，防止在顶板岩层旋转下沉时破坏巷旁支护体，实 现控顶载荷向侧向煤体及采空区冒落矸石转移。 因此，沿空留巷巷旁支护的作用机理为： (1) 巷旁支护体应具有早期强度高、增阻速度快的力学特性，紧随工作面 构筑，及时支护直接顶，控制巷道围岩变形，与巷内支护共同作用，确保巷道 内直接顶不破碎、避免与上部基本顶离层，并切断采空区侧的直接顶，减小巷 旁支护体所承受的载荷。支护体切落顶板岩层需要的支护阻力决定于巷道围岩 条件、基本顶厚度及抗拉强度、直接顶厚度、沿空留巷参数、工作面采高以及 煤层倾角、开采深度、巷道支护等。 (2) 回采面的推进，必然引起基本顶破断、失稳、剧烈沉降，在基本顶破 断时巷旁支护体的支护阻力应达到切顶阻力，切断采空区侧基本顶，减小巷旁 支护体载荷。垮落的矸石由于破碎后体积增大，当充填满采空区时，更上位岩 层在矸石及煤体的支撑作用下取得平衡，巷道围岩变形趋于缓和并稳定下来， 所以巷旁支护体的切顶高度由采高及矸石的碎涨系数决定，并与煤层倾角有关； 另外，巷旁支护体应具有一定的可缩量，对上位岩层在取得平衡之前的急剧沉 降有较好的适应性，其大小与采高成正比，与采空区侧冒落岩层的碎胀系数， 残余碎胀系数及煤层倾角等有关。 6 (3) 巷道围岩运动稳定后，巷旁支护体具有的支护阻力为后期支护阻力， 其大小应能够维持巷道上方已切断岩层的平衡，同时将巷道顶板下沉量控制在 设计范围内，一般后期支护阻力小于切顶阻力。 3.2 沿空留巷力学模型的建立沿空留巷力学模型的建立 大量的实测表明，沿空留巷和采场具有相似的边界条件、受力特征及其它 一些共同属性。因而两者的矿压机理具有相似性，但也应看出，沿空留巷与工 作面采场具有不同性质的采空区边界，沿空留巷是固定边界，采场是移动边界， 因而，它们的岩层活动和矿压显现方面既有某些相同性又有各自的特殊性。一 般情况下，采场顶板可以视为弹性薄板，支承基本顶的直接顶和煤层可视为弹 性介质，符合 Winkler 弹性基础假设，即 P一 Ky，式中 y 为基本顶岩层的竖 向变形量，K 为垫层系数，取决于煤层、直接顶及底板岩层的厚度和力学特性， P 为作用于直接顶及煤层之上的支承压力值，这样在各种边界条件下，基本顶 与支承它的直接顶、煤层共同组成的力学体系可简化为 Winkler 弹性基础上的 Kirchhoff 板。随着工作面的开采和不断推进，在工作面下端头处，由于该板的 隅角处于直角固支状态而产生的“角”效应，使该处呈现弧形破坏，形成“弧形三 角板”，“弧形三角板”的稳定与否对沿空留巷影响较大，同样，巷旁支护性能和 早期支护参数要借助于“弧形三角板”结构来进行计算。设计沿空留巷支护阻力 等参数时，一般考虑其极限状况，即以顶板达到危险状况的断面为截面，得到 弹性基础梁模型。随着回采面的推进，控顶范围扩大，引起下位基本顶破断、 失稳，巷旁支护体具有的支护阻力应使基本顶沿巷旁支护体侧的弯矩达到极限 弯矩，从而切断基本顶。由于巷内支护阻力远小于巷旁支护阻力，巷内支护阻 力可忽略不计。巷旁支护体与顶板相互作用的力学模型如图 3-1 所示，以板的 中间破断线位置所作的剖面。 7 巷旁支护体巷道煤体 qsin NB Pq y NA cd ATA M B qcosTB e ML TBNC TC C x0 q cos 0 0 图图 3-1 沿空留巷力学模型沿空留巷力学模型 对上述模型作如下简化： 在巷旁支护体切顶顶板岩层前，矸石对块体的支撑力为零，在采空区AC 侧受到的剪力为，沿岩层方向的推力为：112233 C N C T * MERGEFORMAT cos 2() C C L q T hS 4(3-4) 式中：煤层倾角；岩块的长度； 岩块单位长度LACqAC 的自重； 岩块的厚度；岩块被切断时端的下沉量。hAC C SACC (2)因采空区上方直接顶与基本顶之间的离层，以及基本顶之上软弱岩层与 更上位岩层之间的离层，认为其间的剪力为零； (3)基本顶的自重沿平行岩层和垂直岩层方向分解成两组力； (4)基本顶之上的软弱岩层，均匀地加到基本顶上； (5)基本顶以煤体弹塑性交界处为旋转轴向采空区侧旋转倾斜； (6)沿空留巷下侧煤体支承压力和应力极限平衡区宽度计算式为： y 0 x * MERGEFORMAT 5(3- 0 2t 00 00 () g x x M A y CPC e tgAtg 5) 8 * MERGEFORMAT 0 0 0 0 0 0 cos ln 2 x C kH tgM A x CP tg tgA 6(3-6) 式中：、煤层与顶底板岩层交界面的粘聚力和内摩擦角； 0 C 0 煤层倾角；支架对煤帮的支护阻力；侧压系数；采高； x PAM 开采深度； 上覆岩层平均容重； 应力集中系数。Hk 3.3 巷旁支护阻力巷旁支护阻力计算计算 根据图 3-1，用平衡法对、两岩块分别建立力学方程。ABBC 岩块，垂直于倾角方向，得：BC0 n F * MERGEFORMAT 7(3-7)cos0 BC NqeN 平行于方向，得：0 s F * MERGEFORMAT 8(3-8)sin BC TTqe ，得：0 B M 2 1 cos()sin()0 22 LCCCC h MqeNeThSqeS * 2 1 ()sin()cos 22 LCCC C h MThSqeSqe N e MERGEFORMAT 9(3-9) 岩块，得AB0 A M 0 00000 2 000 ()()()sin() 2 1 ()()cos()()0 22 x qyBB BBL d P xcxx dxMThSqxcd h SqqxcdNxcdM 0 2 00000 1 (cos)()()cos()() 2 x qLCy PMNqe xcdqqxcdxx dx * 000 (sin)()sin() ()/() 22 CBB hd Tqe hSMqxcdSxc MERGEFORMAT 10(3-10) 9 式中：煤层倾角； 巷道宽度；巷旁支护体宽度； cdh 基本顶岩层厚度；巷旁支护体的切顶阻力；基本顶岩层的极限 q P L M 弯矩；端基本顶的残余弯矩； 基本顶及其上部软弱岩层单位长 0 MAq 度的自重；直接顶单位长度自重；基本顶跨落前端的下沉量， 0 q B SB 其计算式为： 0 0 CB xcde SS xcd 岩块的长度，其计算式为：eBC 2 0 2 100 102() 17 m m Lbb excd Lb 基本顶来压步距；工作面长度。b m L 根据该顺槽顶板岩层情况、公式计算和以往的实践，充填体抗压强度 7.0MPa 以上时、当采高不超过 4.0m 时，初步设计巷旁支护体宽度 3.0m 能满足 沿空留巷的要求。 10 4高水充填材料及其沿空留巷技术简介高水充填材料及其沿空留巷技术简介 4.1 高水充填材料简介高水充填材料简介 高水充填材料巷旁充填沿空留巷技术经七五和八五国家科技攻关，材料本 身和相关技术已经完善，并在徐州、新汶、沁新、焦作、平顶山、邢台等多个 矿务局现场实施，留巷效果良好。 高水充填材料是一种能在高水灰比条件(W/C=1.3:13:1)下快速凝结的特种 水泥，是国家“七五”、“八五”重点科技攻关项目的研究成果。该材料以硫铝酸 盐水泥熟料为基料，加入石膏、石灰、复合缓凝剂、悬浮剂、复合速凝剂等配 制而成，为了使用方便，高水充填材料分甲料、乙料两部分，按 1:1 的比例配 合使用。甲料、乙料单独与水混合 12h 不凝结，为避免管路堵塞和一定条件下 不冲洗管路创造了条件，而甲料浆和乙料浆一旦相互混合则快速凝结硬化。 高水充填材料之所以能够在高水灰比条件下快速、全部凝结硬化，是因为 其水化反应生成了大量的钙矾石，其分子式为 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O。钙 矾石是含结晶水最高的水化物中最为常见的一种，在钙矾石中，结晶水分子容 积高达 81.16%。这是高水充填材料不同于一般水泥材料的最显著的特点之一。 与一般的水泥类材料相比，高水充填材料具有以下特点； (1) 高水灰比（2.5:1）条件下结石率 100%； (2) 凝结时间短，早期强度高并可调； (3) 塑性好，凝结体单轴加压应变达 15%时，其残余强度还能维持在峰值 强度的 50%以上。 (4) 凝结体具有微膨胀性； (5) 改变水灰比和添加剂成分就能获得不同强度的凝结体，可以满足不同 工程的需要。 (6) 单位体积充填材料用量少，在水灰比 1.61.8:1 的条件下，1m3充填体 只需高水充填材料 500kg； 高水充填材料的这种水化硬化反应过程可描述如下： 强度硬化体胶凝固化 水化溶解乙料 水化溶解甲料 高水速凝材料 11 1） 抗压强度与水灰比的关系抗压强度与水灰比的关系 高水充填材料抗压强度与水灰比的大小成反比关系(见图 4-1 所示)，水灰比 越小，强度就越高，每立方米充填需要使用的高水充填材料越多，水用量越少， 充填凝固体的强度就越高，反之，水灰比越大，每立方米充填需要使用的高水 充填材料越少，水用量越多，充填凝固体的强度就越低，在水灰比 W/C=0.5:10.75:1 左右，这是普通水泥混凝土经常使用的水灰比范围，高水充 填材料抗压强度可达到 3050MPa 以上。根据高水充填材料与水灰比的关系， 调节水灰比改变充填体抗压强度可以满足多种强度要求的工程需要。 图图 4-1 高水充填材料单轴抗压强度与水灰比关系高水充填材料单轴抗压强度与水灰比关系 2） 高水充填材料的变形性能高水充填材料的变形性能 利用中国矿业大学 MTS815 型刚性伺服机测得高水充填材料在水灰比 1.5：1 条件下凝结 7 天以后的全应力应变曲线和变形特点如图 4-2 所示。 0 2 4 6 8 10 12 05%10%15%20%25% 单轴抗压强度/MPa 应变 图图 4-2 高水充填材料全应力应变曲线高水充填材料全应力应变曲线 12 从图 4-2 看出，高水充填材料具有突出的塑性特征，在载荷达到峰值强度 后，高水充填材料并不立即完全破坏丧失承载能力，而是随着应变的进一步加 大，承载能力呈缓慢下降变化，承载能力随应变增加缓慢下降的速度远小于一 般的混凝土和岩石材料，此水灰比条件下高水充填材料峰值抗压强度为 10.4MPa，当应变达到 10%时，其抗压强度还维持在峰值强度的 65%以上，应 变继续增加达到 18%，残余抗压强度为峰值的 59%左右。 高水充填材料充填体呈现明显的塑性材料特征，在压力作用下可以允许较 大的塑性变形，强度衰减比较缓慢，可以维持较高的残余强度。 4.2 高水充填材料巷旁充填沿空留巷技术高水充填材料巷旁充填沿空留巷技术 1）高水充填材料巷旁充填体的力学特性与沿空留巷围岩运动规律相适应）高水充填材料巷旁充填体的力学特性与沿空留巷围岩运动规律相适应 为了保证沿空留巷效果，巷旁支护体应具有足够的支护强度及适量的可缩 量。足够的支护强度指巷旁支护体能够切落足够高度的顶板岩层，使更上位岩 层得到采空区冒落矸石的支撑；适量的可缩量指巷旁支护体满足控顶高度以上 岩层的旋转下沉，防止在上位顶板岩层旋转下沉时巷旁支护体被破坏。高水充 填材料塑性较好，具有较大的可缩量，满足上位顶板岩层旋转下沉。 高水充填材料巷旁充填沿空留巷又分为高水充填材料净浆充填和高水充填 材料灰渣充填。高水充填材料净浆充填是仅在高水充填材料中按配比加水搅拌； 高水充填材料灰渣充填不仅在高水充填材料中按配比加水、还要按配比加入粉 煤灰搅拌。ZKD 高水充填材料加灰渣的单轴抗压强度见表 4-1、高水充填材料 净浆单轴抗压强度见表 4-2。 由表 4-1 和表 4-2 可见，高水充填材料灰渣充填可以减少胶结料的用量、 降低沿空留巷成本，同时可以有效防止充填体风化，但添加灰渣增加了施工难 度和井下辅助运输工作量。 表表 4-1 ZKD 高水充填材料加灰渣的单轴抗压强度高水充填材料加灰渣的单轴抗压强度 用量/kgm-1单轴抗压强度 /MPa编号灰渣种类 胶结料水灰渣1d3d7d28d 1烟道灰482.983.154.27 2烟道灰 23507004402.512.923.354.22 13 3烟道灰 33507004001.772.572.843.57 4烟道灰 43507004202.473.053.353.65 5沸渣853.864.334.62 6沸渣 23507004852.803.563.894.73 7沸渣 33507004752.913.493.734.75 8沸渣 43507004853.083.473.935.04 9沸渣 53507004803.063.674.024.76 表表 4-2 ZKD 高水充填材料净浆单轴抗压强度高水充填材料净浆单轴抗压强度 单轴抗压强度 /MPa编号 水灰比胶结料用量 /kgm-1 水用量 /kgm-1 胶凝时间 /min2h24h7d28d 10.8873698714.419.0 21.32 22.55 21.0744744810.215.8 17.90 19.10 31.264777688.414.0 15.52 16.97 41.5542813104.489.14 10.36 11.51 52.0426850123.336.267.928.7 62.25385866142.424.746.197.08 72.5352880162.053.975.085.44 高水充填材料净浆充填沿空留巷与添加灰渣充填相比具有施工工艺简单、 辅助运输工作量小、单一等优点，存在费用略高、充填体因失水表面风化的缺 点，但风化速度较慢，3040mm/年。 根据现场生产地质条件和工作面推进速度的关系，确定 5211 进风顺槽沿空 留巷采用高水充填材料净浆充填，初步参数设计为：充填宽度为 3.0m，高度为 采高，一班充填 3.2m，水灰比为 1.51.8，即 1kg 的高水充填材料加 1.5kg1.8kg 的水。 2）充填系统和充填工艺简单、可靠，容易达到充填要求）充填系统和充填工艺简单、可靠，容易达到充填要求 高水充填材料出厂后分为甲料和乙料两部分，要求甲料和乙料两部分必须 等量进浆、混合均匀，其强度才能达到最大，由于以往的充填泵大多采用往复 式，不是专门针对高水充填材料而研究开发的，一般两侧进浆的充填泵不是等 量的，而且不是同时进浆、同时出浆，难以保证甲乙料等量进浆、均匀混合。 14 通过我们与有关设备厂家共同努力，研究开发了简单的充填泵，该泵能够 保证同时进浆、同时出浆，甲乙料等量，从根本上保证了巷旁充填体的质量。 我们研究确定的充填系统和充填工艺简单，能够保证高水充填材料等量进 浆、混合均匀，达到设计要求。 3）巷道支护适应沿空留巷围岩大变形并有效控制留巷后围岩大变形）巷道支护适应沿空留巷围岩大变形并有效控制留巷后围岩大变形 沿空留巷经历两次采动影响，巷道围岩发生大变形不可避免，采用工字钢 或 U 型钢金属支架支护，难以适应沿空留巷的大变形，支架破坏严重、巷道维 护效果较差，给沿空留巷巷旁支护带来了困难，也严重影响了沿空留巷维护效 果。 锚杆支护强化围岩强度、提高围岩承载能力，同时，锚杆具有较大的延伸 量，能够适应围岩较大的变形，控制沿空留巷围岩变形，是沿空留巷较为理想 的支护方式。 15 5巷旁充填工艺与系统巷旁充填工艺与系统 高水充填材料分甲、乙料两部分，需要分别加水搅拌输送，在充填点混合， 甲、乙料单独搅拌、输送均不凝固，混合后能快速凝固。充填系统：搅拌桶分 别搅拌甲料、乙料浆液及混入相等量的粉煤灰，双液充填泵分别对两种浆液加 压，双趟高压管路输送浆液，在回采工作面后方留巷位置充填到充填袋内混合、 凝固。 5.1 充填工艺充填工艺 1) 高水充填材料巷旁充填工艺高水充填材料巷旁充填工艺 高水充填材料巷旁充填布置包括充填泵站与充填点两部分。其基本工艺流 程如图 5-1 所示。 监控充填情况 搅拌桶加水 搅拌桶加料 3 1 联结钢筋网 吊挂充填袋 清理浮煤 加水、拌料 搅拌桶加料 开动搅拌机 搅拌桶加水 充填点准备 准备 卸料 检修 2 进行充填 开泵供料 监控出浆 4 6 清洗整理 清理充填点 5 开泵供清水 清洗设备 结束 检查充填袋整体架设情况 穿上对拉锚栓 充填点支护、拆卸横头钢筋网 图图 5-1 工作面巷旁充填工艺流程图工作面巷旁充填工艺流程图 2) 泵站准备泵站准备 卸料与检修。卸料工将当天所需甲料、乙料材料从矿车中搬运到各自的 存放处，避免混放。检修工检修充填泵、开关、搅拌桶以及通讯线路等内容。 充填泵站拌料。甲、乙料分别在 1#、2#搅拌桶和 3#、4#搅拌桶中搅拌， 5#搅拌桶为备用。当 1#、3#搅拌桶给充填泵供料浆时，2#、4#搅拌桶加水、 上料准备搅拌。 充填点准备与充填 充填班为工作面检修班，根据巷道已经构筑好的充填体快速定位好充填空 间位置，并对充填空间区域顶板进行支护（根据顶板完整情况确定是否架设临 时支护），满足安全要求。随后进行清理浮煤与吊挂充填袋等工作。同时拆下 16 已凝固好的充填体横头钢筋网，将适宜的充填袋放入钢筋网内，联接好钢筋网， 穿上对拉钢筋(见图 5-2 所示)，打牢单体液压支柱，背实钢筋网。 4 40 00 0 8 80 00 08 80 00 04 40 00 0 4 40 00 00 0 3 30 00 00 0 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一一 一 一 一 一 一 8 80 00 0 8 80 00 08 80 00 0 图图 5-2 充填体加固示意图充填体加固示意图 当这些工作完成后，有专人进行全面检查，合格后发信号与充填泵站工作 人员联系，开始启泵。充填点人员观察出料口流出均匀甲、乙混合料浆后，将 混合管插入充填袋内进行正式充填。 在充填过程中，应巡回检查充填袋周边情况，发现问题及时处理。需要指 出，当充填体快要接顶时，应密切观察情况，尽可能地使充填袋接顶密实，不 留缝隙。一旦接顶成功，应立即将注浆管从充填袋内拿出（并立即给信号停止 注浆），并用绳将充填口捆扎结实，防止浆液外溢。同时，充填站工作人员应 迅速将安放于甲乙料混浆管尾段的清水阀打开，冲洗混浆管，以免其被堵塞。 如果此时充填工作已经结束，则应通知泵站，开打清水，清洗管路。 3） 需准备工具需准备工具 防尘口罩 10 个、胶皮手套 10 个、小刀（划水泥袋）5 把、卷尺 2 个、通 讯器材（拌料点、充填点各一部）、管钳 2 把、大扳手 2 把等工具。 5.2 充填设备清单充填设备清单 充填设备清单具体见下表 5-1 所示。 17 表表 5-1 充填设备清单明细表充填设备清单明细表 序号物资名称规格型号单位数量备注 1 高水充填材料BX-1吨1000陈博士） 2 双液注浆泵2ZBSB20050/515-37台2 3 搅拌桶JB-1000(1000)台5哈总） 32mm20m根30 4 高压胶管 32mm5m根6 5 单体支柱DZ45根600 防倒链，穿鞋 6 型梁2.6m根200 与单体支柱配套使用 7 钢筋网6mm，1200mm4000mm片500 焊接 8 充填袋3600mm3500mm4500mm个60陈博士） 9圆钢筋 14mm，3800mm60mm米2000 横截间距 400mm 左右 10成套对拉锚杆223200mm根1200 螺纹钢材质，1 根对拉锚杆配套 2 个螺母和 2 个托盘（厚 10mm） 11锚索18.948000mm根600 18 5.3 人员配备及劳动组织人员配备及劳动组织 1） 人员配备人员配备 必须设置沿空留巷的班组成员共计9人(包括机电工1名负责泵、搅拌桶的操 作及维护、保养，另外8人负责泵站及充填点的工作)。 机电工：负责搅拌桶、注浆泵的开启及设备维护、操作，管路检修等工作、 吸浆管在两个搅拌桶之间的切换，充填期间浆液生产站与充填点的通讯联络。 钢筋网架设工：负责充填钢筋网的架设、充填袋的安放、钢筋网内对拉钢 筋固定。 运料工：负责将高水充填材料从堆放点搬运倒入搅拌桶，同时负责往搅拌 桶加入定量的水等工作。 充填工：充填期间负责从混液器到充填袋管路控制及与注浆泵操作员的通 讯联系、充填袋堵漏等工作。 支护工：负责充填体周边顶板维护、工作面后方、充填钢筋网两侧单体支 柱的架设，充填钢筋网内侧木点柱的安设等工作。 清洗工：负责充填前、充填后搅拌桶、注浆泵的清洗工作。 说明：充填开始前除两名机电工检修充填设备、充填管路外，其余人员全 部到工作面后方充填点进行钢筋网架设、充填袋安放、钢筋网联结、支护等工 作，开始充填后，充填点需要留2个人观测、处理充填点的事情，其他人到泵站 上料、卸料等。 2） 材料消耗材料消耗 预计每个充填袋（长宽高=3.233.8m）需消耗材料如下： 甲料：200袋，乙袋：200袋，加甲料：60袋，加乙料：60袋； 对拉锚杆：20根（203200mm），锚索：16根（18.948000mm）； 梯子梁：8根，钢筋网：9个，金属菱形网：8卷（长宽=101.3m）。 3） 劳动组织劳动组织 预计沿空留巷后工作面推进长度不会超过 7m/d，一天充填两班，每次充填 长度 3.2m，具体充填长度由工作面推进长度决定。 充填工作主要有泵站附近的工作和充填点的工作。 泵站附近工作主要有： 1)准备高水充填材料。 19 2)充填泵及 5 个搅拌桶的维护、保养。 3)检查清水供给情况。 4)试运转充填泵、搅拌桶，用清水试验整套充填系统。 5)钢筋网架设完毕后，分别搅拌甲料、乙料，泵送。 6)清洗工作，泵送结束或暂停较长时间，清洗系统。 充填点的工作主要有： 7)充填点附近的清理。 8)架设钢筋网；充填点附近的顶板支护。 9)充填过程中的堵塞防漏。 10)接顶工作。 11)充满、接顶后，关闭阀门、将剩余浆液充填到采空区。 12)清洗阀门及三通等。 充填作业安排见图 5-3。 时间/分钟时间安排主要工作内容 序号工作 2h4h6h8h 准备20交接班 设备维护、 试运行 20 充填泵、搅拌桶的运行、 保养，水管、充填管的 畅通等1 充填点支护、 吊挂充填袋 140 清理充填点浮煤、架设 钢筋网、支护充填点顶 板 2充填280 上料、搅拌、泵送，巡 视、堵漏，充满、接顶 后关闭阀门、将剩余浆 液冲入采空区 3清洗20 清洗充填泵、搅拌桶、 管路、阀门及三通等 图图 5-3 充填作业图充填作业图 人员安排见人员安排见 表 5-2。 20 表表 5-2 充填人员安排表充填人员安排表 序号工种人员数量主要工作内容 1班长1组织、协调全部充填工作 2机电工1 充填泵、搅拌桶的运行、保养，水管、充填管的畅 通、清洗等 3 吊挂充填 袋、上料 6 先在充填点进行清理、架设钢筋网、支护充填点顶 板，完成后到泵站上料 4 巡视、堵 漏 1 先在充填点进行清理、架设钢筋网、支护顶板，充 填时巡视、堵漏，充满、接顶后关闭阀门、将剩余 浆液冲入采空区，清洗管路、阀门及三通等 合计9 21 6加强支护加强支护技术与方案技术与方案 6.1 原巷道加强支护原巷道加强支护技术与方案技术与方案 方案一：由于该工作面地质条件较好，巷内支护（实煤体帮和顶板）暂不 进行补强支护，根据矿压监测结果决定是否补强。 方案二：初步补强方案为：顶板在未加强锚索支护的两排锚杆中间，补强 一排 3 根 18.948000mm 的锚索，中间 1 根，其余 2 根距两帮 1.2m。 6.2 留巷段加强支护留巷段加强支护技术与方案技术与方案 工作面回采后，该顺槽保留作为下一个工作面顺槽使用，在工作面回采及 留巷期间，顶板活动强烈为了保证在沿空留巷工程的安全顺利进行，必须对充 填带及留巷段顶板进行支护。支护方案为： 1、大量观测结果表明，顶板活动强烈的范围在工作面后方 100m 范围内， 由于我矿采高较大，巷道局部高度达 5.0m，因此，工作面后方 100m 范围内需 要采用单体液压支柱加强支护。在 5211 进风顺槽内支设 4 排单体液压支柱加 型钢梁加强支护，单体液压支柱必须穿铁鞋、戴木帽、拴防滑链。支护参数为： 一梁三柱，柱间距为 1200mm，排距为 1000mm，边柱距两帮为 450mm，每排 打 4 根单体液压支柱，单体液压支柱初撑力90KN。 2、根据工作面生产地质条件，初步确定工作面后方待充填区域上方顶板支 护参数为：A.在充填带后方每隔 9m 打一个木垛，木垛采用 1m 的油枕木。B.在 倒数两个充填袋的范围内及其距综采工作面液压支架后方的范围内共支设三排 单体液压支柱配和木背板加强支护，一排为加强充填带顶板单体柱，两排为控 制采空区的密集柱，所有单体液压支柱必须穿铁鞋、戴木帽、拴防滑链, 单体 液压支柱初撑力90KN。靠近充填带的一排单体支柱距充填带为 200mm， 柱排距为 800mm。剩余两排密集柱成迈步式布置，间排距为 400400mm， 距靠充填带的一排单体柱为 500mm。一柱一帽，柱帽垂直于工作面布置，密集 柱前必须增设戗柱，密集支柱后方必须铺设双层金属菱形网并接顶接地，防止 回撤密集支柱时大块落石窜出柱外伤人。 22 要求充填体靠采空区预留 1.5 2.5m 操作空间。 3、为了保持充填区域范围内的顶板完整性，根据我矿顶板条件，需要进行 加强支护，为不影响工作面的正常推进，采用锚索进行充填区域的顶板加固。 锚索采用直径18.948000mm 的锚索，铺设钢筋网护顶（在顶板破碎厉害时配 合钢带加强支护，并适当减小锚索间距，变为 1.6m），其它支护参数与原巷道 锚索支护一致，工作面每割一刀 0.8m 支护 1 排，每排 5 根。具体施工方案为： 靠巷道侧 1 根可以提前进行补打，其它 4 根在刮板输送机上补打。 附图：沿空留巷支护示意图 图 6-1 沿空留巷支护示意图 6.3 充填体加强支护充填体加强支护技术与方案技术与方案 设计要求充填体宽度为 3000mm，长度为 3200mm，高度以实际采高为主， 要求完全接顶。为了增加充填体的承载能力和抗横向变形能力，在充填体内布 置对拉钢筋，加固充填体，对拉钢筋间排距为 800 mm 800mm，最下面 1 根距 底板 400mm，最上面 1 根距顶板 400mm，对拉钢筋采用22mm 的螺纹钢材料 制作，采用14 圆钢焊制的钢筋梯子梁，托盘规格为：20020010mm。钢筋 23 网联网丝要求使用 12#铁丝双股联网，钢筋网搭接部分不小于 100mm。其加固 示意图见图 6-1 所示。 4 40 00 0 8 80 00 08 80 00 04 40 00 0 4 40 00 00 0 3 30 00 00 0 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一一 一 一 一 一 一 8 80 00 0 8 80 00 08 80 00 0 图图 6-1 充填体加固示意图充填体加固示意图 24 7矿压观测方案矿压观测方案 7.1 观察内容观察内容 为了观测 5211 进风顺槽在本工作面留巷期间和二次采动影响期间的围岩活 动规律，考察巷道围岩变形和充填体的变形，研究支护参数的合理性，在沿空 留巷过程中设置相应的测站，对围岩表面位移、围岩深部位移、顶板离层状况、 锚杆载荷、充填体载荷及纵横向变形进行观测。主要巷道矿压监测内容、仪器、 目的及数量见表 7-1 所示。 表表 7-1 监测内容、目的、仪器及数量监测内容、目的、仪器及数量 序号观测内容观测目的仪器数量 1巷道表面位移 监测巷道相对变形量，判定 巷道围岩稳定性 测杆或钢卷尺3 个 2 深部围岩位移、 充填体横向变形 观测发生位移的围岩范围， 调整充填体宽度和水灰比 深基点位移计15 套 3顶板离层监测顶板稳定状况离层指示仪1 套/40m 4 锚杆载荷、对 拉锚栓载荷 监测帮锚杆受力状况液压枕20 个 5充填体载荷监测充填体的受力状况充填体液压枕10 个 6锚固力检查锚杆锚固情况拉拔计1 台 7.2 测站设置测站设置 1）巷道表面位移测站：沿空留巷开始前 30m 设置第一测站，以后每隔 30 m 设 1 个测站，在每个断面的下帮和充填体顶、底板和两帮的中部各布置 1 个 测点，观测顶底板和两帮相对移近量和移近速度。观测方法：用测枪、测杆或 钢卷尺进行量测。 25 表面位移测点设置表面位移测点设置 2）深部围岩位移测站：沿空留巷开始 20m 设置第一个测站，以后隔 30m 再设 1 个测站，共设置 23 个测站，每个测站 1 个测面，在每个测站顶板中部 和实煤体帮中部钻直径 28mm 的孔，每孔各安设一个深基点位移计，钻孔深度 6.0m。 3）顶板离层监测：每隔 4050m 在顶板中部安设一个离层指示仪，监测顶 板锚固区内和锚固区外的离层量。观测方法：直接读取离层指示仪数据。 4）锚杆、对拉锚栓载荷：沿空留巷开始 20m 设置第一个测站，以后隔 30m 左右再设 1 个测站，共设置 34 个测站，每个测站 1 个测面，实煤体帮和 充填体帮采用锚杆液压枕观测。 1 锚杆载荷测站布置图锚杆载荷测站布置图 5）充填体横向变形：沿空留巷开始 20m 设置第一个测站，以后隔 30m 左 右再设 1 个测站，共设置 56 个测站，每个测站设 1 个测孔，安设一个深基点 位移计。 6）充填体载荷：沿空留巷开始 30m 设置第一个测站，以后隔 30m 左右再 设 1 个测站，共设置 45 个测站。 7）锚杆锚固力：每 300 根锚杆为 1 组，每组测 6 根，顶板 3 根、两帮共 3 根，用拉拔计拉拔锚杆。 26 7.3 观测要求观测要求 在测站设置 2 个星期内每天观测一次，24 个星期每周观测 23 次，变 形稳定后，一个月观测一次。在测站受到工作面采动影响期间，每星期观测 23 次。 每次观测除了记录上述内容外，还要记录观测时间、最新测站与工作面的 距离，采动影响期间还要记录观测时间、回采面与测站的距离。 27 8效益概算效益概算 8.1 留巷成本概算留巷成本概算 当采高为 4.0m 时，充填宽度为 3.0m，每班充填长度 3.2m，预计需要 9 人， 沿空留巷成本估算见 Error! Reference source not found.所示，不包括支架上方 补打锚索费用。 表表 8-1 沿空留巷每米成本估算沿空留巷每米成本估算 序号类别数量单价成本费用（元/m） 1人工费3 工/m200 元/工600 2 高水充填材 料费(含运费) 6.0t/m1450 元/t8700 3钢筋网8m2/m35 元/m2280 4充填袋26.62 m2/m28 元/ m2746 5梯子梁2 根/m50 元/根100 6对拉钢筋5 根/m50 元/根250 7螺帽10 个/m2.5 元/个25 总计总计10701 元元/m 8.2 经济效益概算经济效益概算 按吨煤利润 300 元计算，则 20m 煤柱每米经济效益为： 300 元/吨20m4.0m（采高）1.4 吨/m3(煤体密度)=33600 元/m 若考虑新掘 1 条巷道成本为 5000 元/m，则留巷每米效益为： 3360050001070127899 元/m 按留巷 1200m 考虑，则效益为： 27899 元/m1200m3347.88 万元 由此可见，沿空留巷在经济上是非常合理的。 8.3 其它效益其它效益 1）实现 5211 综采工作面 Y 型通风，减少该工作面回采时的隅角瓦斯超限， 可大幅度提高工作面推进速度，综合效益高； 28 2）留巷后作为下一个工作面 1 条巷道使用，工作面抗灾能力得到增强； 3）少掘一条巷道，减少掘进费用，节省工作面准备时间； 4）将区段煤柱全部回收，延长矿井服务年限； 5）可抽采沿空留巷后方采空区高浓度瓦斯，实现煤与瓦斯共采； 6）为进一步改革柳家庄煤矿甚至凌志能源投资集团巷道布置提供现场实例。 29 9 安全技术措施安全技术措施 9.1 一般规定一般规定 一、工作面安全制度 所有上岗人员必须严格执行煤矿安全规程、煤矿安全技术操作规程 和5211 综采工作面作业规程。严禁违章指挥、违章作业、违反劳动律。 二、安全技术措施 1、所有上岗人员都必须持证上岗，严格执行岗位责任制、现场交接班制、 设备维修制、质量验收制、事故分析制。各岗点要认真填写运转日志。 2、工作面工程质量和顶板控制，要按照煤矿安全质量标准化标准及考核评 级办法为内容的各项要求严格执行，做到动态达标、安全生产、文明生产。 3、加强工作面设备的管理，要按照设备完好标准进行检修和保养，保证设 备完好状态。 4、工作面的各监测系统、通风系统、防尘系统、通信系统，应时时保证其 完好，并坚持正常使用。 5、严禁在工作面输送机运行时进入工作面前和输送机上方工作。如确需进 入，则工作面输送机必须停电闭锁。严格敲帮问顶制度，找掉危岩悬矸。 8、所有人员在整理各种管子前必须关闭截止阀，严禁带压作业。 9、管理人员要认真填写安全信息卡，值班人员安排每项工作时必须做到工 作项目、工作标准、安全措施、安全负责人、质量验收人五落实，并对管理人 员填写的安全信息内容及时组织人员落实整改。 三、交接班安全检查内容和有关规定： 1、交接班时，上班班长必须向下班班长交清工作面存在的安全隐患及本班 的处理方法、进展程度，两班的质量验收员要根据“工作面质量标准”对工作 面的工作质量进行验收，特别是支架的歪斜度、刮板输送机的直线度、两端头 的维护质量、工作面的卫生清理等。各岗点工交接时要对设备的运转情况、存 在隐患、处理方法、工具的数量等进行交接。下一班接班后对上一班存在的安 全隐患要立即处理，否则不