（矿业工程专业论文）“以煤代岩”巷道综合支护技术的应用研究.pdf

摘要 摘要 由于受采动压力、固定支撑压力的影响以及开采深度的增加，加之支护手段单 一，煤巷的弊端日益凸显，巷道支护状况差，失修严重。在推广了一段时期“以煤 ( 巷) 代岩( 巷) ”的经验之后，许多矿又纷纷回到了过去以岩巷为主的老路上去， 打乱了正常的开拓部署，严重影响了矿井正常的采掘衔接安捧。另外，由于矿井开 采深度和巷道围岩复杂程度的增加，巷道支护也面临新的课题。而单一的锚杆支护 和单一的架棚支护，甚至单一的支架壁后充填支护都不能很好地解决这些问题。因 此，研究、应用锚杆、支架、壁后充填巷道综合支护技术，就成了论文研究的课 题。在开滦集团公司东欢坨矿6 9 0 水平中央采区( 下段) 轨道下山试验后，达到投 资少、见效快、支护效果好、施工效率高等目的，使开滦的巷道支护技术达到国内 领先水平，为“以煤代岩”巷道支护摸索出了一条行之有效的新路。 本课题确定的研究目标归纳： 管用：解决服务年限较长煤巷甚至岩巷的支护难题，支护效果好。 能用：具有可操作性。 爱用：投资比较少，见效快，支护成本相对较低；施工速度较快，不能影响正 常的采掘衔接安排。 本课题达到的效果归纳； 支护形式：锚杆支护+ 支架壁后充填； 支护效果：1 + 1 大于2 ； 支护成本：1 + 1 小于2 ； 支护速度：等于锚杆支护速度。 图1 3 表6 参1 6 关键词：锚杆支护；壁后充填；管道输送；巷道支护 分类号：t d 8 8 a b s t r a c t d u et ot h ei n f l u e n c eo fm i n i n gd y n a m i cp r e s s u r ea n df i x e ds u p p o r tp r e s s u r e ，a n dt h e i n c r e a s eo fm i n i n gd e p t h , p l u st h es i n g l es u p p o r t i n gm e a 蛐l e $ ，t h ed i s a d v a n t a g e so f m a d w a yb e c o m em o r ea n dm o l eo u t s t a n d i n g t h es u p p o r to ft h er o a d w a yi s i nb a d c o n d i t i o n sa n ds e r i o u s l yl a c ko f m a i n t e n a n c e a p , e ras h o r tp e r i o do f p o p u l a r i z a t i o no f t h e e x p c l i c n c e so f r e p l a c i n gr o c km a d l yw i t hc o a lr o a d w a y ，m a n ym i n e sr e t r e a tb a c kt o t h eo l dw a yo fr o c kr o a d w a y a sar e s u l t ，n o r m a ll i n k i n ga r r a n g e m e n to fm i n i n ga n d e x c a v a t i o ni sd i s t u r b e da n dn o r m a le x c a v a t i o na n dm i n i n ga r r a n g e m e n t so ft h em i n ea r e a f f e c t e ds e r i o u s l y i na d d i t i o n , d u et ot h ei n c r e a s eo f m i n i n gd e p t h , a n dt h ec o m p l i c a t i o no f t h es u r r o u n d i n gr o c k , t h es u p p o r t i n go fr o a d w a yi sf a c e dw i t hn e wd i f f i c u l t i e s h o w e v e r , s i n g l eb o r e rs u p p o r ta n ds i n g l es u p p o r tc e i l i n gs u p p o r t c a n n o ts o l v et h e s ep r o b l e m sw e l l t h e r e f o r e ，i nt h i sd i s s e r t a t i o n , c o m p r e h e n s i v er o a d w a ys u p p o r tt e c h n o l o g yo f t h er e s e a r c h a n da p p l i c a t i o no fb o l t e r , s u p p o r t , a n dr e a rf i l l i n gb e h i n dt h es u p p o r tw a l li sp u tf o r w a r d t h ee x p e r i m e n ta t - 6 9 0c e n t r a lm i n i n j gb l o c kt r a c k si n c l i n e i nd o n g h u a n t u om i n eo f k a i l u s ng r o u pc o l t d w i n sg o o dr e s u l t s i tl e a d st h es t u d yo f r e p h e i n gr o c kr o a d w a y w i t hc o a lr o a d w a y r o a d w a ys u p p o r t i n gt e c h n o l o g yt oan c we f f e c t i v ew a y t h ea i mo f t h i ss t u d yt o p i c ： e f f e c t i v e n e s s ：s o l v et h es u p p o r t i n gp r o b l e ml y i n gi nc o a lr o a d w a y , e v e nr o c k r o a d w a yw h e n t h es e r v i c et e r mi sr e l a t i v e l yl o n g t h es u p p o r t i n ge f f e c t ss h o u l db eg o o d f e a s i b i l i t y ：i tc a n b eo p e r a t e d ， p r e f e r e u e e ：l e s si n v e s t m e n t , q u i c k l y i n e f f e c t , a n dr e l a t i v e l y l o wc o s t si n s u p p o r t i n g ；r e l a t i v e l y s h o r t e rc o n s t r u c t i o ns c h e d u l e i tc a n n o ti n f l u e n c et h en o r m a l a r r a n g e m e n ta n dt r a n s f e r r i n go f m i n i n ga c t i v i t i e s t h ee f f e c t so f t h i st o p i c ： s u p p o r t i n gf o r m ：b o r e rs u p p o r t + s u p p o r t s 靠ub e h i n dw a l l s ； s u p p o r t i n ge f f e c t s ：1 + 1 2 ( t h ea p p l i c a t i o no f t h e s et w o k i n d so fs u p p o r t sc a nr e a c h g r e a t e re f f e c t s ) ； s u p p o r t i n gc o s t s ：1 + 1 7 0 k n 锚杆安装质量不易受人为因素影响。我国生产的树脂锚固剂质量一般是可靠 的。安装时，只要是采用机械搅拌，搅拌时间符合规定，那么锚杆的安装质量是可 靠的 ( 3 ) 锚杆杆体直径与锚杆孔径的匹配，锚杆孔深与锚杆长度匹配 国内外的研究结果与实践都已证明，锚杆孔壁与杆体之间的间隙有一个合理范 围。决定间隙合理范围的主要因素是使锚固剂的抗剪强度最大，即充填锚固剂的空 1 3 河北理工大学硕士论文 间越小，抗剪切强度越高，如图5 所示。经试验研究，锚杆孔径与杆体直径之差宜 保持在6 n u n 1 0 r m 之内。 图5 树脂锚固剂抗剪强度与其充填面积关系图 f i g 5t h er e l a t i o n s h i pg r a p ho f r e s i nb o l t e rf i xa g e n ts h e a r i n gs t r e n g t ha n d i t si i l l i 岵蝴 从锚杆杆体直径与锚杆孔径的匹配关系中可以认识到，为保证锚固力，不应追 求过细的杆体，否则即便细杆体可以减轻杆体重量带来经济上的一点好处，而失去 的却是锚杆支护的根本保证( 锚固力) 。 另外，我们也应该注意锚杆孔深与锚杆长度匹配这个不容忽视的问题，锚杆孔 深过小，锚杆外露长度大，锚杆孔深过大，锚固剂部分甚至全部进入孔底，锚固效 果大打折扣，甚至失去锚固力。 “) 锚杆支护参数系列 宜采用表1 中的锚杆支护参数系列。这里需要指出的是由于煤本身的强度较 低，从技术和经济方面考虑，煤帮锚杆的直径并不是越大越好，应该选择适宜的锚 杆直径和适当的间、排距，一般认为选用间、排距o 8 m 系列比较合适。 表l 煤巷锚杆支护参数系列表 t a b l eip a r a m e t e r ss e r i e st a b l eo f c o a lr o a d w a yb o l t e rs u p p o r t i n g 1 4 - 2 技术研究 ( 5 ) 组合锚杆支护形式 组合锚杆是指将两根或两根以上的锚杆联结在一起共同起作用的锚杆支护形 式，有各种各样的组合形式，按组合构件的不同大体分为5 类，如图6 所示。 锚杆网中，宜采用焊接的钢筋网，也可采用菱形金属网，但不宜采用塑料 网。钢带与梁的区别主要是前者厚度较小，抗弯刚度小，易贴顶，但承受载荷的能 力较小，而后者抗弯刚度较大，能承受较大的载荷钢带有平钢带与w 钢带。梁的 材料可选用角钢、槽钢与u 型钢等型钢。锚杆桁架的主要持点是在组合构件上可施 加预紧力，有利于顶板岩层的加固。 锚杆钢带网 锚杆梁网 锚杆桁架网 图6 组合锚杆的主要形式 f i g 6m a i nf o r mo f c o m b i n e db o i l e r s ( 6 ) 顶板靠巷道两帮锚杆的角度 在锚杆作用下顶板形成具有承载能力的岩梁，其最薄弱环节是在巷道顶板的两 个帮角处。由于该处的应力集中，常导致项板沿帮角处的剪切破坏。为增加顶板岩 梁的抗剪能力与加强为岩梁提供的两个支点，应使靠巷道两帮的锚杆向煤体倾斜一 定角度。试验表明，锚杆向煤体一般倾斜2 0 。4 0 。( 与铅垂线夹角) 是合适的。其 角度的大小主要由煤、岩层的赋存条件决定一般应使倾斜锚杆端部的水平投影落 在巷帮破坏深度之外的承载结构两端有稳定的支点。若打倾角大的钻孔有困难时， 要通过加大锚杆的长度和强度的办法获得稳定支点。 ( 7 ) 对锚杆支护主要材料与构件的要求 树脂锚固剂 为保证锚固力，树脂锚固剂应具备一定的强度；为满足端部锚固、加长锚固与 全长锚固的要求，应具有不同的胶凝时间；为安装操作的方便，应具有比较好的物 理性能我国生产的树指锚固剂已经基本能满足这些要求。 锚杆杆体材料 选用的金属杆体极限抗拉强度最低值不应小于3 8 0 m p a ；杆体尾部螺纹加工应采 用滚丝工艺，杆体尾部螺纹也可采取热处理措施，使螺纹部分的强度与杆体强度相 - 1 5 河北理工大学硕士论文 当。开滦集团公司已经能生产专门用于锚杆支护的等强、全螺纹锚杆，技术上在国 内外具有领先水平。 钢带 为煤矿锚杆材料增添的钢带是组合锚杆支护的关键构件。它可将单根锚杆联接 起来组成一个整体承载结构，提高锚杆支护的整体效果。钢带由厚2 n l n 3 m m 薄钢板 制成。钢带有描杆安装孔，使打眼、安装都很方便。钢带有平( 板) 钢带与w 钢带。w 钢带与平( 板) 钢带相比的优点主要有： 强度高：由于w 钢带是由钢板经冷弯成形的，其强度可以提高1 0 1 5 。如厚 2 7 5 r a m 、展宽2 5 g r a m 的w 钢带拉断力为3 0 7 k n ，而同等厚度与展宽的平( 板) 钢带的 拉断仅为2 6 7 k n 。 刚度大：同厚度、宽度情况下，w 钢带的刚度是平( 板) 钢带的7 0 倍儿5 倍。 国内外的实践证明，w 钢带是理想的锚杆支护构件。w 钢带参数系列见表2 、图7 。 表2 w 钢带参数系列表 t a b l e2t h ef o r mo f ws t e e l - b e l tp a r a m e t e rs e r i e s 宽度w厚度t高度hl o b 长度l f 型哟f 婴!i 型唑塑堂! ! ! 堂f 磐1 2 2 02 52 51 3 0 2 o 3 5 2 5 02 7 52 51 5 0 2 0 01 5 0 2 6 4 4 2 8 03 2 51 5 03 6 5 0 图7w 钢带示意图 f i g 7 ws t e e l - b e l ts k e t c h 1 6 2 技术研究 在巷道顶板比较完整条件下，也可采用钢筋粱作为组合锚杆的构件。它性能不 如w 钢带，但钢筋梁的成本较低。钢筋梁参数系列见表3 。 表3 钢筋梁参数系列表 t a b l e3t h er e i n f o r c i n gs t e e lb a rb e a mp a r a m e t e rs e r i e sf o r m s 2 巷道支架壁后充填技术 1 ) 巷道支架壁后充填的作用原理 尽管在一些岩巷中推广应用了光而爆破技术，但掘进形成的荒断面仍难以形成 能与支护体在周边紧密接触的光滑外形，不可避免地在支护体背后形成了壁后空 间。生产实践表明，壁后空间的存在对巷道的稳定性有着举足轻重的影响。这种影 响主要体现在以下方面： ( 1 ) 壁后空间的存在使支架受力状况恶化，支架的承载能力降低。壁后空间的存 在使支护体在周边上与巷道围岩呈不规则的点、线接触，当围岩变形时，支架将受 到不均匀的集中载荷，甚至动载荷的作用，使支护结构受力状况恶化，以至易于被 破坏。 当支架顶部有壁后空间存在，在受到围岩的侧向压力时，其顶会向上弯曲，支 架呈现尖桃形破坏。 若支架在肩部存在空洞，则当围岩发生变形时，首先在支架项部作用承载，使 支架肩部弯矩增大，节头可缩性降低，最后导致支架在肩部发生弯曲、折损和扭 曲。 ( 2 ) 壁后空间的存在使巷道围岩松动圈范围扩大，围岩稳定性降低。巷道在掘 进之后围岩将逐渐形成一定范围的松动圈，松动圈的深度与地应力的大小、岩性、 围岩强度、巷道断面形状与尺寸、支架与围岩的相互作用等因素密切相关巷道在 掘进过程中形成的松动圈范围是比较小的，爆破冲击波所形成的破碎带深度一般不 超过1 m 但如果有壁后空间存在，支架不能及时向围岩提供支撑力，围岩在地应力 作用下非弹性变形继续发展，松动圈范围将进一步扩大，围岩变形将长期不能稳 定，离掘进工作面越远，松动圈范围越大。我国一些煤矿中，在松散围岩条件下松 1 7 河北理工大学硕士论文 动圈的深度最终可达5 m 6 m 。松动圈逐渐形成过程中，地应力均值不断向岩体深部 转移。然而，地应力均值的这种转移是以巷道周边岩体的松动破坏为代价的，其结 果是使松动圈内的岩体只保留很小的残余强度及自稳能力，在围岩应力场的作用下 松动圈内的岩体将不断向巷道空间内移动，使巷道收敛量增大。据统计，围岩收敛 量的3 6 7 8 是在松动圈形成期内产生的，其实质是破碎岩石膨胀扩容的结果。若 能在巷道掘进及支护后，及时用某种具有良好的力学特性、强度适宜且具有一定可 缩性的充填材料将壁后空间充满，使围岩一充填体一支护结构三者形成一个共同的 力学承裁体系，充分发挥支架及围岩本身的承裁能力，有效地控制围岩松动圈的扩 大和位移，则能提高巷道稳定性。具体地讲，壁后充填主要有以下作用： 改善支架受力状况。改善支架的受力条件，将来自围岩的外载荷通过充填层 均匀地传递给支架，从而使支架沿全部周边承受均布载荷，有利于支架支撑能力的 充分发挥。假设围岩是均质的，那么，对一般的对称型拱形支架来说，当顶压与侧 压基本相等或顶压略大于侧压时，支架受力良好，型刚强度能充分发挥，支架承裁 能力就比较大；当支架背后空隙充填不致密而存在空洞，支架受力状况就很差，极 易在具有空洞处首先发生扭曲、折损等破坏，并导致整个支架的失稳、破坏和失 效。 整体壁后充填的实施大幅度提高了支护结构的支护强度。整体壁后充填的实 施将无壁后充填情况下的“支架一围岩”作用体系变成了“支架一充填层一围岩” 三位一体的作用体系。支架与充填层组成了复合支护结构，将无壁后充填情况下支 架对围岩的单独作用变成了支架与充填层对围岩的共同作用。使作用于巷道围岩的 支护强度成倍增加。实验研究与现场测试都证明了这一点。 支架及时承载。金属支架壁后充填的实施，实现了支架对围岩的及时承载， 有效地控制了掘巷初期的巷道围岩变形和围岩破坏，使围岩压力及时达到平衡。在 通常情况下，架设支架以后，都采用在支架与围岩之间的空隙中，架后空间并没有 完全被充塌实。因此，在架棚的初期，围岩的变形及变形压力并没有很快传递到支 架上，支护阻力也无法迅速发挥出来。没有足够的支护阻力也就不可能使变形尽快 得到控制，结果是架棚后很长时期内围岩始终保持较高的变形速度。壁后充填的采 用，架后空间充填致密了，因此围岩的早期变形及压力能及时地传递到支架上，使 支架早期增阻很快，而支架的阻力又及时地给围岩提供维持其平衡所需的外力，使 围岩很快自稳，于是变形就随之迅速下降外趋于稳定。所以壁后充填的实施能使支 - 1 8 - 2 技术研究 护及时给围岩提供一个维持围岩结构力学平衡所需的力，从而使围岩变形很快稳定 下来。 对于本课题先用锚杆进行第一次支护的巷道来说，大部分作用被锚杆的作用所 取代，将收到相得益彰的效果。 可缩性壁后充填层可吸收围岩变形能及变形量，可显着降低支架与围岩变形 的剧烈程度。若使充填材料具有一定的弹性及可缩性，则围岩应力重新分布时所释 放的巨大变形能可部分地被充填层所吸收，显着降低支架所承受的强度。 充填层封闭围岩。壁后充填的充填层可封闭围岩，使围岩与矿井空气隔离， 阻止围岩的风化和吸水软化。巷道开掘后岩体会吸收井下空气中的水分，出现崩 解、膨胀、软化、丧失原岩的物理力学位能。砂岩吸水后强度将降低3 2 3 5 ，泥 岩吸水后强度特降低4 0 以上。含有膨胀性矿物成分( 加高蛉土、粘土等) 的岩体遇 水后体积膨胀，膨胀率会超过原体积6 0 9 6 以上，从而对支架产生巨大的形变压力。 因此，及时对壁后空间用非膨胀性人工材料进行充填可封闭围岩，防止围岩的风化 和吸水软化，防止煤壁脱落、自燃，提高围岩稳定性和矿井的安全性。 可起到加固围岩的作用。若对壁后空间用流动性较好的材料进行风力充填， 充填料中的胶结浆液在压力作用下渗透到深部围岩的裂隙中，可使已破坏的岩体重 新胶结成一个整体，起到加固围岩的作用。另外，良好的壁后充填可消除巷造周边 岩石不平整处的局部集中应力，减轻周边岩体破裂的剧烈程度。这样，加固后的围 岩、充填层及支架三者成为整体承载结构，使巷道周边岩体由掘进后的双向应力状 态转变为三向应力状态，提高岩体自身强度及承载能力。众所周知，巷道上覆岩层 重量所形成的裁荷只有一小部分由巷道支架承担，而绝大部分载荷则是由巷道周围 岩体自身来承担的，所以加固围岩、提高围岩自身的承裁能力比越提高支架支撑能 力以提高巷道稳定性来说，要更为有效、经济得多。 2 ) 对壁后充填材料的一般技术要求 根据巷道壁后充填的目的及有关技术要求，壁后充填材料的物理力学性能及工 艺性能应满足以下基本要求： ( 1 ) 应具有一定的强度，保证在传递围岩压力直至支架权限承载能力范围内，壁 后充填层能够始终保持完整而不被破坏，或保持一个渐进的破裂过程，以保证提供 良好的力学传递性能。在我国煤矿目前所采用的金属支架及各种砌碹支护结构的条 件下，充填体终凝后的单向抗压强度只需达到3 m p a 4 m p a 即可满足上述要求。 - 1 9 - 河北理工大学硕士论文 ( 2 ) 应具有一定的可缩性，以实现与围岩变形、支架可缩三者之间的良好匹配。 若巷道采用砌碹一类的刚性支护结构，可利用充填材料的可缩性吸收围岩变形，同 时在充填材料受压缩而变得致密的过程中逐渐对围岩变形增阻，理想的充填材料应 为当其可缩性逐渐消失时，由于对围岩变形的阻力逐渐增加而使围岩变形基本趋于 稳定，最后与刚性支护完全成为一体，提供较高的工作阻力，使巷道保持长期的稳 定性当巷道采用金属可缩性支护时，若壁后充填不具备一定的可缩性，由于围岩 变形及可缩性支架的让压作用，在支护初期就会使刚性的壁后充填层单独受载而被 破坏，整体结构按破坏后的壁后充填材料只能作为一种被动受力介质和载荷作用在 支架上，使支架承受很高的围岩形变压力及围岩和充填材料的松散压力。这样整个 支护结构中的各个环节将在支护过程中被各个击破，难以发挥共同支撑作用。所以 当采用可缩性支架时，壁后充填材料亦应具备一定的可缩性，而且二者的可缩性应 大体匹配，才能较好地发挥壁后充填的作用。 ( 3 ) 应具有良好的隔水性及在细小的岩石裂隙中的渗透性，以满足封闭和加固围 岩的要求。充填材料被密实地充满全部壁后空间并渗透迸围岩的细小裂隙中，可封 闭围岩，防止水对围岩的软化作用及泥岩遇水后膨胀，而且填充在围岩裂隙中的充 填材料能起粘结和“销钉”作用，使破碎的岩块形成织合梁、拱，大幅度提高岩体 的抗变形能力，同时这些“销钉”也能把支架与围岩牢固地结合在一起，形成一个 通过充填层与围岩紧密结合的支架与围岩共同承载的组合支护结构。 ( 4 ) 应具备良好的工艺性能。例如当采用湿式泵送充填时充填材料应具备良好的 可泵性，试验证明，充填材料的塌落度在1 2 c m 1 8 c m 的范围内可以顺利地泵送。同 时材料的固化时间以l h 2 h 为宜，以避免在实际工作中因各种影响暂时停止泵送时 材料凝固在泵及管路中。当采用风力干式充填时，充填材料中骨料的最大粒度应小 于输料管内径的1 3 ，以防止发生堵管事故及减少材料运输的压风消耗量及管路磨 损程度。当采用化学充填材料时，各种不同组分的充填料在被充分混合前应能够保 持长时间不固结，而在混合后迅速初凝固结并达到所需的初凝强度，以防堵管及有 利于每次充填结束后清洗没备。此外，壁后充填材料还应具有速凝、早强等性能。 充填材料的来源要广泛，成本要低且便于运输及储存，不燃烧，无化学毒性，不污 染环境，无刺激性气味。 - 2 0 2 技术研究 2 2 2 壁后充填材料 粉煤灰具有重量轻、让压量大、来源丰富、管道输送方便等特点，满足壁后充 填材料的一般技术要求。因此，本课题将选择以粉煤灰为主的充填材料作为研究对 象。 1 粉煤灰的来源 粉煤灰是从燃烧煤粉的电厂锅炉烟气中收集的粉状灰粒，国外把它叫做。飞 灰”或者“磨细燃料灰”。目前，国内外大量堆积的粉煤灰主要来自火力发电厂的 燃煤。一般情况下，每l o 万蚶机组每年可产灰渣1 0 万t 。据此估算，我国现有的 粉煤灰堆积量超过5 0 0 0 万t 。尽管经过多年的研究与推广，已经在不少地方开展了 生产细铝煤灰水泥、粉煤灰混凝土和用粉煤灰筑路基等多种形式的综合利用，但就 每年电厂排出的总灰且而言，只有2 0 9 6 左右的粉煤灰被加工利用，而8 0 9 6 的粉煤灰却 排弃予山沟、洼地、湖泊，甚至良田等露天灰场，造成了严重的环境污染。如颗粒 飘逸，污染大气；湿式排灰，污染水体；贮灰占地，污染土壤等。目前，全国电厂 灰场共有二百多处，大多数灰场都选用在低洼地、山谷、河摊、海湾等处。通过灰 浆泵泵送、灰渣沉淀、灰水排泄，形成一片灰场。这些灰场每年需占地数万亩，现 已占地累计达1 2 万亩。土地损失十分严置。因此，如果进一步拓宽粉煤灰的使用范 围，逐步减少甚至取消其露天排放量，无论对于电厂生产还是环境保护、土地资源 保护，都具有深远意义和重大的经济效益。 2 粉媒灰的成分 粉煤灰的外观和水泥差不多，然而在光学显微镜下却可以观察到多姿多彩的粉 煤灰颗粒，它与水泥并无相似之处。粉煤灰实质上是这些颗粒的机械混合物，也就 是所谓的“粒群”，而各类颗粒的组分也不相同。 出于母煤种类( 形成粉煤灰的煤炭) 、煤粉粒度、锅炉设计、燃烧条件、运行负 荷、收集、装卸、输送、贮存等条件不同，决定了粉煤灰组成的易变性不仅地区 之间、电厂之间粉煤灰的组成不同，而且在同一家电厂，甚至同一台锅炉中收集的 粉煤灰组成变化的幅度也可能很大，而粉煤灰组成的易变性直接影响着粉煤灰的应 用。为了合理利用粉煤灰资源，寻找适于煤矿井下壁后充填用的粉煤灰类充填材料 的配比，有必要弄清粉煤灰的成分 我国粉煤灰化学成分的一般变化范围见表4 2 l - 河北理工大学硕士论文 表4 粉煤灰化学成分变化范围表 t a b l e4t h ev a r i e t ys c o p eo f c h e m i s t r yc o m p o s i t i o no f c o a la s h 尽管粉煤灰的化学成分是评定粉煤灰品质的重要技术数据，而且各成分的含量 不同对以粉煤灰为骨料配制壁后充填材料所需的胶结剂( 如水泥) 的水量也不一样， 但是，由于壁后充填材料的强度要求不高，用不同成分的粉煤灰配制一定强度的壁 后充填材料所需的胶结剂的用量变化不大，况且国内粉煤灰的s i 0 2 + a 1 。0 。+ f e 。0 。的含 量都大于7 0 n , 6 ，而c a o 、n 2 0 和k 2 0 等的含量对壁后充填材料强度影响不大，因此， 在利用粉煤灰作壁后充填材料的骨料时对其化学成分没有特别的要求。 3 粉煤灰的物理性质及对壁后充填材料特性的影响 1 ) 颜色、比重和容重 粉煤灰的表观密度一般为1 8 9 c m s 2 6 9 c m 3 ，平均为2 1 3 9 c m s 。低钙粉煤灰 松散容重的变化范围为6 0 0 9 c m 3 l o o o k g m s ，压实容重为1 0 0 0 9 c m 3 1 4 0 0 k g m 3 ， 高钙粉煤灰松散容重达8 0 0 9 c m s 1 2 0 0 k g m 3 ，压实容重为1 3 0 0 9 e m 3 1 6 0 0 k g m 3 。 粉煤灰的外观类似水泥，颗粒的颜色呈灰色和灰白色，含水时颜色呈黑色。 2 ) 粒度和比表面积 粉煤灰颗粒粒径极限约为0 5 l l m 3 0 0 p m ，其中玻璃微珠粒径为0 5 p m 1 0 0 m ，大部分在4 5 p m 以下，平均粒径为1 0 l l m 3 0 l i m ，但漂珠往往大于 4 5 l , l m 。海绵状颗粒粒径( 含碳粒) 范围为1 0 i l m 3 0 0 u m ，大部分在4 5 i i m 以上。 电厂粉煤灰的比表面积的变化范围为8 0 0 c m 2 g 5 5 0 0 c m 2 g ，一般为1 6 0 0 c m 2 g 3 5 0 0 c d g 。 研究表明，粉煤灰的粒度是影响壁后充填材料特性的最重要指标，具体体现在 以下几个方面： ( 1 ) 粒度越大，即海绵状颗粒的含量越高，配制一定强度的充填材料所需的胶结 剂( 如水泥) 用量越大；反之，粒度越小，胶结剂用量越少；如图8 所示，在水泥用 量都为2 0 的情况下，粉煤灰比表面积为1 0 0 0 c m 2 g 混合料的2 8 d 强度仅为粉煤灰比 2 2 2 技术研究 表面积为5 0 0 0 c m 2 g 的混合料强度的2 8 。可见，粉煤灰粒度对混合料强度之巨大 影响。 ( 2 ) 粉煤灰粒度越大，以此为骨料配制的充填材料的需水量越大，而且混合料的 析水现象越严重。 ( 3 ) 粒度越大，配制的充填材料早期强度增长越慢。因此，无论从减少胶结剂用 量、降低充填料单位成本的角度，还是为改善充填材料的工艺性能，尽量使其有一 定的早强性能，都希望粉煤灰粒度越细越好 3 ) 粉煤灰的含水量 粉煤灰中水分的存在往往会使活性降低，产生一定的粘附力，易于结团，影响 干状粉煤灰的包装运输、贮存和应用。因此，一船情况下要求粉煤灰的含水率在3 以下。但是，采用不同的壁后充填工艺系统，其对粉煤灰的湿度要求也不一样。3 的含水率是针对于式风动充填要求而言的。至于湿式壁后充填，工艺系统对粉煤灰 的含水没有严格要求，以便于运输为原则。 4 ) 粉煤灰的活性及以粉煤灰类充填材料的特性 粉煤灰黻( 比表面积饵2 g ) 图8 粉煤灰的粒度对粉煤灰混合料( 4 ：1 ) 强度的影响 f 醵8t i l e 砌啪o f f i c es i z eo f c o a la s ht ot h es 心e n g mo f c , o a la s hm i x t u r e ( 4 ：1 ) 利用粉煤灰做主料配制壁后充填材料必须首先掌握粉煤灰本身的特性，以便合 理选择胶结剂和添加剂，准确确定配方。粉煤灰的特性中最重要的一点就是它的活 一2 3 一 毖博埔“心m 8 6 4 2 一蓄一美出嘏醛甫爵 河北理工大学硕士论文 性。包括粉煤灰的火山灰性和自硬性。对于粉煤灰的活性，国内外许多学者通过大 量的试验研究工作后认为，从水泥化学的观点出发，粉煤灰的活性主要是指火山灰 物质参与石灰、水泥矿物以及硅酸盐水泥之间水化反应的能力。包括：火山灰一 c a ( 0 h ) 。；火山灰一水泥矿物；火山灰硝酸盐水泥这三个系统的水化反应。 由于低钙粉煤灰中的活性组分是玻璃体，高钙粉煤灰中则是富钙玻璃体和一些 有胶凝性的矿物，是这些矿物成分支配着粉煤灰的活性。简单地说，低钙粉煤灰中 玻璃体与结晶体之比越高，4 5pm 以下的玻璃微珠越多，海绵状玻璃体颗粒碾碎和 玻璃微珠表面碾破程度越高，粉煤灰内碱性激发物质( c a 0 等) 和硫酸盐激发物质( 石 育等) 成分越多，在这些条件下，粉煤灰的活性也越好。 由此可知，在配制壁后充填材料时，我们可以利用粉煤灰的活性，通过添加石 膏等添加剂，使粉煤灰发生水化反应形成钙矾石，产生强度。从这层起义上讲，粉 煤灰本身起了胶结剂的作用。但是，由于利用粉煤灰的活性尚不能产生满足壁后充 填所要求的强度，所以，通常需添加水泥作胶结剂，通过调整不同的配合比，获得 不同要求的材料强度。 5 ) 以粉煤灰为主料配制的充填料的特性 ( 1 ) 粉煤灰、石灰类混合料的强度特性 如果要求充填料的强度不高，则可以采用粉煤灰和生石灰粉及水泥的混合科作 为充填材料。采用比表面积为3 3 0 0 c m 2 g 的粉煤灰与磨细生石灰粉及水泥的混合料 强度见表5 。 表5 粉煤灰、石灰类混合料强度表 t a b l e5t h ec o a la s h 、l i m em i x t u r e sm a t e r i a ls t r e n g t hf o r m ( 2 ) 粉煤灰、水泥类混合料的强度特性。 为了简化配料工作，又要求充填料具有较高的强度，用以粉煤灰为主料、水泥 为胶结料进行配料。表6 列出了八种配方的充填材料，可供参考。 - 2 4 - 2 技术研究 表6 粉煤灰、水泥类混合料强度表 t a b l e6t h ec o a la s h 、c e m e n tm i x t u r e sm a t e r i a ls 仲e n g t hf o r m 老! ! ! 蝥 配比( 重量比) 兰塑垫垦塑星! 坚! ! ! 季粤篓 粉煤灰：水泥( 4 2 5 号) l d3 d7 d2 s d 3 ：l 1 砷2 9 85 8 61 9 0 0 3 3 5 6 0 0 ( 经磨细而成) 总结上述两表可以看出，第一，以煤粉灰为主料的充填材料( 简称粉煤灰类材料) 的早期强度比矸石粉类材料要低得多，而后期强度则比掺加同等水泥量的矸石粉类 材料高；第二，经磨细后的粉煤灰在掺加相同比例的水泥后形成的混合料的早期强 度及后期强度都比粗粉煤灰和水泥配制的混合料高得多。这一方面是由于经磨细后 粉煤灰的活性大大增加，其次是磨细粉煤灰与水泥的水化反应要来的充分、快速。 2 2 3 管道输送技术 管道输送技术是一项比较成熟的技术，但如何对现有的防火灌浆系统进行必要 的改造，使起既满足防火灌浆的需要，又满足巷道支护壁后充填的需要，是本课题 研究的主要内容之一 1 壁后充填系统 1 ) 壁后充填系统的分类 壁后充填系统包括充填材料的供应、输送和充填设备的配制。因此，充填系统 既与充填材料的供应及输送方式有关，又与充填设备及充填工艺有关。由于国内、 外壁后充填技术水平的差别，充填材料的不同，采用的充填系统也不一样。按照充 填材料的不同，可以分为以下几类：地面集中供料的充填系统，井下集中供料的充 填系统，井下分散供料的充填系统。按照设备的差别可以分为泵送充填、风力充填 及手工袋装充填系统。按照运输方式的不同，可以分为管路输送充填系统和料车输 送充填系统。 2 5 一 鼹m 舒甜bh“9勰m甜培加m黔”竹 4 3 2 “8 6 4档m勰铝毖嚣 互z l i 屯置乞盯埽够惦诣帅 l l m z l l l l i l i l l l”如孔如帖 河北理工大学硕士论文 在实际生产中应用的充填系统往往是以上几种充填系统的组合，如地面集中供 料管路输送的泵送充填系统、井下分散供料车输送的风力充填系统等。 2 ) 充填材料的供应与运输系统 ( 1 ) 地面集中供料系统 所谓地面集中供料系统就是指井下不同施工地点的充填材料由地面中央供料站 统一集中供给。即由工厂配好的充填材料用专门的封闭载重罐车运到矿井地面中央 供料站，用压风将材料卸入立式贮料仓中。根据矿井的条件，充填材料由地面向井 下输送到工作面，采用的方式有三种，即中央供料全管路风力输送；中央供料部分 管路风力输送加封闭式矿车转载；中央供料矿车或单轨吊转载。 中央供料全管路风力输送系统。系统特点是从地面中央料仓到井底及采区， 乃至充填地点全部采用管路风力输送。图9 为系统总图。根据矿井的实际条件及使 用要求，在管路输送中可增设井底集中料仓，又称水平供应站。根据有无井底料仓 两种情况将中央供料全管路风力系统分为中央供料一级全管路风力输送系统和中央 供料二级全管路风力输送系统。 中央供料一级全管路风力输送系统。特点是由地面中央供料系统出来的充填 材料由管路经井底直接输送到采区内各充填站，中间无井底料仓。因此整个系统简 单。如井下有很多个地点实施充填，可以把从地面来的输送管在井底( 或开采水平) 分成几个分支，每个分支通向各个充填站，即图9 中的a b e f g ( h ) ，本 课题选用该输送系统方式。 中央供料二级全管路风力输送。系统特点是由地面中央供料系统出来的充填 材料由管路输送至水平供应站，再由水平供应站用管路输送到使用地点。因此整个 系统较复杂。系统线路如图9 中的a b j k ( l ) 根据需要可以在矿井的每个水平设置水平供应站，在同一个开采水平可以设置 一个井底中央水平供应站，也可以在矿井的两翼分别设置水平供应站，还可以分采 区设置水平供应站。 中央供料管路风力输送加封闭矿车转载系统 采用这种系统时都需设井底料仓。由中央供料站到井底料仓采用管路输送，从 井底至采区料仓采用矿车转载，即按图中线路a d m n 。 材料经管路由地面中央料仓送到井底料仓，再经螺旋输送器一罐式喂料机一充 填管路，由压风送至充填站。如果一个采区内有多个充填地点，则可以在采区内设 置一个采区料仓，再通过管路或封闭矿车将充填物料送至采区内各充填站。 2 6 2 技术研究 1 - - 材料车；2 地面中央供应站；螺区料仓；4 充填站； 5 - - 水平集中供料站；6 采区料仓 图9 地面中央供料输送系统图 f i g 9g r o u n dc e n t r a lf e e d s t o c kb a n s p o r t a t i o ns y s t e mg r a p h 中央供料矿车输送系统 特点是由地面中央供料站将充填料装入矿车后直接运至各采区充填站。系统线 路为图9 中0 一s q t ( 2 ) 井下集中供料系统 井下集中供料系统是指在井下设大型的中央供料仓，来自地面材料加工厂的充 填材料先用封闭矿车转载于其间，然后将充填材料运至采区料仓或直接送至充填地 点，前者称为并下中央一级供料系统，后者称为并下二级供抖系统。并下中央科仓 的设置地点根据实际情况的需要，可以设在井底车场内，也可以设在矿井的一翼 如图l o 所示。 井下中央一级供料系统 中央料仓的充填材料经螺旋输送器一罐式喂料机一一条或几条送料管用压风送 至每一个充填地点即图1 0 中的线路a b c 一一e ( f ) 井下中央二级供料系统 一2 7 河北理工大学硕士论文 与井下中央一级供料系统不同的是。井下中央二级供料系统除没有井下中央料 仓外，还设采区料仓，系统中充填材料的输送环节是：井下中央料仓一采区料仓一 采区内充填站。由中央料仓到采区料仓和由采区料仓至充填站，采用的输送工具都 可以是封闭矿车或压风管路。采区料仓可以是一个，也可以是几个，每个采区料仓 可以给一个或几个充填地点供应充填材料。但由一个采区料仓供料的几个充填站， 最好不要在同一时间内实施充填。系统线路为图1 0 中的a b c g h 和 a b c j i m ( n ) 。 3 ) 两种常用充填系统 ( 1 ) 干式充填系统 如图1 1 所示，设在采区充填站内的充填机将充填材料送入管路，然后用压风送 至巷道路后充填处。充填管路出口处装有环形喷水器，充填材料在此与水均匀混合 后充向壁后空间。这种充填系统的充填站有两种设置方法，第一种充填站设在采区 入口处，充填管路长度可达1 0 0 0 m 2 0 0 0 m 以上，充填管直径l o o m m 1 2 5 m m 。充填 站为固定式，不随工作面购推进而移动。充填站多用z s p 8 型或z s 一1 6 型滚筒式充 填机，小时充填能力分别为8 3 或1 5 w 。第二种充填站设在充填地点附近，充填管 路长度最大为2 0 0 m 3 0 0 m ，充填管内径为5 0 m m 。充填机大多为喷浆机，如h p j 型喷 射机组、z - i i i v i 型喷射机，小时充填能力5 m 3 。充填站随工作面的推进而经常移 动。 一 l 一材料车；2 井底中央供应站；3 采区料仓；4 装车站；5 充填站 围l o 井下集中供辩输送系统图 f i g 1 0u n d m g r o u n dc o l l e c t i v ef e e d s t o c kt r a n s p o r t a f i o ns y s 她mg r a p h - 2 8 2 技术研究 叠一滚筒式充填机充填系统；b 喷浆机充填系统 图l l 干式充填系统示意图 f i g 11d r y - t y p ef i l l i n gs y s t e ms k e t c h ( 2 ) 湿式充填系统 如图1 2 所示，充填材抖在进入充填机前与水混合，然后由充填机、泵和胶管送 入充填空间。因为与水搅拌后呈粘稠状态，在管路中流动阻力很大，因此，输送距 离一般不超过5 0 m l o o m ，输送管内径通常为5 0 m m ，充填机随工作面的推进而经常 移动。常用的湿式充填机有螺旋挤压式和往复压注式两种，小时充填能力为5 酽 】o r e 图1 2 湿式充填系统示意图 f i g 1 2w e t - t y p er u l i n gs y s t e ms k e t c h 4 ) 本课题采用的充填方式 2 9 河北理工大学硕士论文 采用干式充填方式，充填机设在采区充填站内，通过管路用压风送至巷道充填 处，充填管路出口处装有环形喷水器，充填材料在此与水均匀混合后充向壁后空 间。 2 3 技术路线 2 3 1 壁后充填材料技术路线 对粉煤灰颗粒的大小进行选择，并确定充填材料( 如粉煤灰、水泥、白灰、水 等) 配比。 2 3 2 巷道支护技术路线 根据巷道围岩条件、应力状态、所处位置、断面、服务年限，选择合理的巷道 支护形式、参数和工艺。其技术路线为： ( 1 ) 参数选择：选择巷道荒断面一选择锚( 网) 杆支护参数一选择可缩性金属拱 形支架断面及其棚距、钢筋网背板等一选择合理的壁后充填空间一选择合理的二次 支护时问。 ( 2 ) 锚( 网) 杆支护( 第一次支护) ：采用锚( 网) 杆支护掘进出巷道。 ( 3 ) 确定第二次支护时间：根据巷道变形速度确定。 ( 4 ) 支架及壁后充填支护( 第二次支护) ：支架一铺网( 布) 一壁后充填。 2 3 3 管道输送技术路线 对现有开滦东欢坨矿的防火灌浆系统进行勘察、数据核实一对系统进行必要的 改造，使其既满足巷道支护管道输送的要求，又满足防火灌浆的要求一井下施工地 点附近建立配料系统一混合料喷达支架壁后。 3 0 - 3 试验研究 3 试验研究 3 1 试验地点概况 试验地点属于开滦东欢坨