浅析巷旁充填技术的研究与应用专题报告

浅析巷旁充填技术的研究与应用摘要：由于沿空留巷支护困难，利用高水灰渣速凝材料具有的较大承载能力和塑性变形大等特点，分析了高水灰渣速凝材料在沿空留巷时充填工作面留设空巷的技术优势以及该技术带来的社会经济效益。介绍大采高工作面沿空留巷巷旁充填支护的新材料、新工艺及主要技术经济效果。综放开采巷旁充填沿空留巷技术在国内外尚无应用先例，指出了该项技术几个难题，对巷旁充填体的作用机理进行了分析，阐述了巷旁充填体支护阻力的计算方法。关键词：巷旁充填，高水材料，沿空留巷，矿压显现，社会经济效益1巷旁充填无煤柱沿空留巷技术应用1.1沿空留巷1.1.1沿空留巷定义沿空留巷就是在上区段工作面采过后，通过加强支护或采用其它有效的方法，将运输平巷保留下来，供下区段工作面开采时作为平巷之用，其目的是使一条巷道可以得到两次利用。1.1.2留巷的意义华恒公司生产水平为-650m水平，主要开采11层、13层、15层煤。近几年矿井年产煤炭百万吨，但掘进率均只在172m/月左右，采掘接续紧张。由于掘进材料价格上涨，影响了矿井经济效益的提高。在回采工作面实现沿空留巷，是缓解回采工作面接续紧张的局面，减少巷道掘进工程量，杜绝掘进巷道时的不安全隐患，实现矿井无煤柱开采，节约煤炭能源的有效方法。为此，将11508工作面运输巷作为下个工作面的留巷。1.2沿空留巷试验方案1.2.1地质条件巷道距地表平均垂深548.8m。巷道工程量共计930m，服务年限为2年。15层煤第一层顶板为泥灰岩，均厚0.56m，灰色，致密坚硬含蜓科化石，平均单向抗压强度为86.87MPa；第二层顶板为泥岩，均厚385m，深灰色，含植物根部化石，平均单向抗压强度为56MPa；直接底为泥岩，均厚255m，深灰色，含植物根部化石，平均单向抗压强度为25.6MPa。本采区整体构造形态为倾向北东的单斜构造，煤层走向115128，倾向2538，倾角1519，平均1630。采区内无次一级褶曲、无岩浆岩侵入及岩溶陷落柱现象。11508运输巷断面形状为梯形，净宽3.4m、中高2.5m， S荒为8.5m2、S净为9.36m2。巷道采用锚、网、带支护。锚杆为直径20mm、长2000mm的全螺纹钢等强锚杆，用1卷直径28mm、长625mm的树脂锚固剂锚固，锚杆沿巷道轮廓线布置，顶板锚杆间排距为700800(mm)，两帮锚杆间排距1000800 (mm)。顶帮采用钢塑网，规格为45001000(mm)，用打包带连网，每孔必连，每200mm打一死结。1.2.2技术方案及支护工艺（1）技术方案根据现场实际情况，在11508东工作面运输巷保留工作面前方的加强支护，留至工作面后方，预留距离在30m以上(超过老顶在采空区触矸点位置)，开始充填。在工作面下巷上帮与采空区之间留设宽度4m的采空间，用瑞米材料泵送充填。下部充填强度较高的瑞米号，上部充填强度较低的瑞米号，做巷旁支护，实现无煤柱留巷。确保充填袋铺设到位，保证材料充填时袋子能充满所要充填的空间体而不被材料压住，确保袋子的顶角能被材料充填起来接触顶板。现场布置充填袋时每隔一定距离用细铁丝把袋子系在两旁的支护木柱上，两个充填袋子之间要紧密连在一起，保证两个充填袋子充满材料后之间无空隙、压实紧密，以达到让压、封实不漏风的目的。（2）支护工艺工作面后方在距上帮500mm、1000mm处各安设两颗单体支柱，在里侧单体支柱固定竖排木板，木板规格为202001500(mm)，在上帮挂铁丝网或连接钢带。在巷道原有支护的基础上加强支护，工作面前方在巷道顶板上肩角补设锚索，排距2m；工作面后方在距帮1.7m处补设顶板锚杆；回撤里侧设单体支柱；巷道内采用单体支柱配合交接顶梁进行加固支护，巷道内支设双排支柱，支柱间排距为800mm，紧靠充填体侧采用单体支柱护帮体，防止充填体鼓出。如图1所示。图1原设计施工断面和充填体断面示意图（3）施工自2008年3月9日7月6日，利用瑞米材料对11508下巷实施了充填，共充填留巷258m。第一段使用瑞米材料充填146m，中间矸石留巷4m，共计150m；第二段砌矸石留巷74m；第三段使用瑞米材料充填26m；第四段砌矸石留巷8m。（4）实施效果现场观察，第一段后期充填包中，损坏充填包体较多，多在中间充填矸石留巷4m的前后范围内，但巷道顶板完好，能使用。分析认为有以下原因:充填体底板损坏部位未垫实，导致充填体受力不均匀；充填体下侧单体液压支柱回撤过早，造成充填体在未达到凝固强度时受力大；充填材料质量问题和充填材料配比问题；未使用瑞米充填上部接顶。1.3留巷矿压观测及分析1.3.1监测项目(1)表面位移监测监测目的是了解巷道受工作面采动影响、沿空留巷滞后段围岩变形量及整个巷道断面缩小情况。自工作面留巷始每隔100m设一观测站。巷道内共设二组观测站，每组共设3个观测断面，其间距为2m，采用单十字线观测法，巷道两帮观测基点分别设在地面以上1000mm处，顶、底基点分别设在巷道中间。(2)巷道深部位移测定监测目的是了解巷道受工作面滞后影响围岩在不同深度松动范围间离层位移情况，及时进行支护加固。测点设在表面位移23线之间，每观测站安设2组深部位移观测点。在顶板中间钻6组1.56.0m孔，分别装入顶板离层指示仪，测出各孔内测点在不同深度围岩离层量。1.3.2 监测数据(1)表面位移观测分析第一组观测站测点巷道净高1.87m，净宽4.06m，距工作面-13-142m，受工作面滞后影响，巷道整体变形。现观测点净高1.55m，净宽3.87m，净高变形量达到17%，净宽变形量达到4.6%。顶、底板移近量总下沉量为320.6mm，移近速度为5.0mm/d；巷道水平移近量总移近量为299.1mm，移近速度为4.67mm/d。其中，顶板下沉量为135.3mm，下沉速度为2.1mm/d；底臌量为185.3mm，底臌速度为2.9mm/d，巷道上帮水平移近量为212.3mm，移近速度为3.31mm/d，下帮水平移近量为86.8mm，移近速度为1.36mm/天。第二组观测站测点巷道净高1.87m，净宽4.06m，距工作面-10.4-73.6m，受工作面滞后影响，巷道整体变形。现观测点净高1.59m，净宽3.76m，净高变形量达到15.2%，净宽变形量达到7.3%。顶、底板移近量总下沉量为285mm，移近速度为6.79mm/d；巷道水平移近量总移近量为297.7mm，移近速度为7.09mm/d。其中，顶板下沉量为127.1mm，下沉速度为3.03mm/d；底臌量为157.9mm，底臌速度为3.76mm/d；巷道上帮水平移近量为197mm，移近速度为4.69mm/d；下帮水平移近量为100.7mm，移近速度为2.40mm/d。(2)巷道顶板深部位移沿空留巷内设深部位移，共分浅部1.5m、2.0m、3.0m、深部3.5m、4.5m、6.0m， 6个不同深度的监测点。深部离层在不同深度范围离层为， 1.5m离层量为12mm， 2.0m离层量为22mm， 3.0m离层量为24mm， 3.5m离层量为12mm， 4.5m的离层量为22mm， 6.0m的离层量为24mm。1.3.3监测分析顶板在沿空留巷初期(65m内)为下沉活跃段，从65m后到140m处于稳定段。底板在沿空留巷初期(55m内)比较稳定，从60m后到90m为底臌活跃段，压力传递由底板释放出，从90m到110m为底臌稳定段。两帮在沿空留巷初期(40m内)比较稳定，从40m后到90m为两帮移近活跃段， 90m到110m为两帮移近稳定段。矿压观测表明，沿空留巷深部位移距工作面50m范围，深部离层发生在3m以下，为巷道顶板整体下沉；距工作面5070m深部离层发生在2m以下，巷道支护材料逐渐适应顶板分布应力；距工作面70m后顶板离层发生在1.5m以下，离层量不大，巷道支护材料充分发挥了作用。1.4效益分析1.4.1经济效益采用无煤柱留巷技术少掘巷道258m，按掘进巷道3453元/m计算，去除留巷施工人工、材料等费用1894元/m，采用留巷技术节约40.2万元。采用无煤柱留巷技术多回收煤炭2452吨，煤炭价格按200元/吨计算，可多产生经济效益共计89.24万元。1.4.2社会效益采用充填新型瑞米材料实现无煤柱留巷的方法，利用充填体承载，减少了煤炭的损失，提高了煤炭回收率。节约重新掘进一条巷道成本，降低万吨掘进率。避免了掘下区段巷道的安全隐患，有着显著的安全效益。2 高水材料巷旁充填矿压观测与研究我国从50年代初到70年代末，沿空留巷主要采用石垛、木密集支柱、混凝土砌块、和金属支柱等方法。到80年代初，开始引进并消化国外高水材料巷旁充填支护技术。到80年代末，国内也研制出高水充填材料，但其性能不如国外的产品。进行沿空留巷巷旁充填试验时，所用的水灰比皆未超过21，且现场试验效果也不尽人意。到90年代中期，中国矿业大学成功地研制出以硫铝酸盐水泥熟料为基料的高水速凝充填材料(水灰比在2.51时，其性能已超过国外的高水材料产品)。中国矿业大学与翟镇矿合作在该矿1201西面回风巷进行了沿空留巷试验研究(W/C=2.51)，并取得了成功，试验巷长300m (净浆、灰渣充填各150m)。本文对该次沿空留巷巷旁充填的净浆段矿压观测进行了分析与研究。2.1概述2.1.11201西面生产技术条件1201西面倾斜长平均155m，走向长1045.6m，煤厚平均2.2m，含一层夹矸；倾角平均8。高档普采，日进3.2m。2.1.21201西面顶底板条件1201西面顶板为复合顶板。伪顶为泥岩，厚00.2m，一般随采随冒；直接顶为粉砂岩，中间夹有一层煤，煤厚平均0.6m，直接顶岩层总厚平均为4m，老顶为砂岩，厚约210m。老顶初次来压步距为31m，周期来压步距为15m，直接顶初次跨落步距为8m。该面底板为粉砂岩。1.3高水速凝充填材料性能ZKD高水速凝充填材料由甲、乙料两种组分按重量比11配合使用。其中甲料是以硫铝酸盐水泥熟料为基材，与悬浮剂及缓凝剂混磨而成；乙料由石灰、石膏、悬浮剂和复合速凝早强剂等混磨而成。2.2矿压观测本次矿压观测内容主要有留巷巷道围岩变形、充填体变形及受力、巷道维护状况等。采取的观测方法为: (1)充填体变形:在充填体纵向顶底处各设一基点用卷尺测量纵向变形；在充填体内预埋横向水平套管，其内布置钢丝用直尺测量外露钢丝长度以确定横向变形。 (2)充填体受力:采取在充填体内埋设液压枕来测其受力。 (3)巷道围岩变形及维护状况采用在巷道顶底板设置基点，用位移计来测量。2.3观测结果与分析2.3.1巷道围岩矿压观测结果与分析 (1)受采动影响，工作面前方巷道围岩收敛情况见图2、图3。图2巷道围岩变形与工作面距离关系图3围岩变形速度与工作面距离关系曲线在工作面前20m范围内，上帮顶底相对移近58mm，下帮顶底相对移近70mm，两帮相对移近56mm。在工作面前3050m范围内，两帮及顶底平均移近速度为2mm/d；在020m的范围内，平均达7mm/d。 (2)工作面后方留巷围岩收敛情况见图2、3。构筑巷旁充填体后巷道围岩变形大致分四个阶段:在0-10米的范围内，采空侧由单体液压支柱支护，由于离工作面较近，顶底板相对移近较平缓，移近量较少；在-10-45m范围内，由于受工作面周期来压的影响，留巷上覆岩层活动剧烈，上位岩层以上帮煤体内上方的某一轴线旋转下沉，巷道围岩变形剧烈，不论上帮还是下帮，相对移近速度达10mm/d，围岩变形速度在该范围内达到最大，顶底相对移近量为:上帮侧为100mm，下帮为140mm；两帮相对移近量为80mm。尽管如此，与传统支护方式如矸石带、木垛等相比较，围岩相对移近缓和得多，这说明高水速凝充填材料所构筑的护巷带能发挥强力支护作用；在-45-80m的范围内，巷道围岩活动程度减弱，顶底相对移近量:上帮为42mm，下帮为76mm，两帮为32mm；移近速度:平均为5mm/d；在-80m至-100m巷道围岩变形趋于稳定。顶底移近量:上帮为18mm，下帮为24mm。在工作面后100m以后巷道围岩相对移近速度为:上帮侧顶底为0.3mm/d，下帮侧顶底为0.5mm/d，两帮为0.4mm/d，已基本稳定。2.3.2巷旁充填体变形与受力分析(1)巷旁充填体变形分析。巷旁充填体变形包括纵向变形和横向变形两部分，见图4、5。巷旁充填体变形是巷旁充填体与围岩相互作用在巷旁充填体上的反映，巷旁充填体变形与围岩变形相一致。可将其分为六个阶段: 0-5m，充填体尚未构筑。-5-10m，该段因顶板下沉小，充填体尚未承受较大荷载，且充填体早期支护强度高，所以充填体横向、纵向变形为零。图4巷旁充填体变形曲线图5充填体变形速度、载荷与工作面距离关系曲线-10-20m，在这一阶段，顶板活动开始加剧，充填体开始受力。但由于充填体支护阻力较高，顶板下沉量在这段仍然不大，充填体纵向压缩量仅有10mm左右；另方面，由于巷旁充填所采用水灰比高达2.5:1，水体积约90%，故固化体中空隙较多，所以在充填体纵向变形的过程中，充填体得到压实，但横向变形几乎为零。-20-40m，在这一阶段，巷道顶板及上覆岩层活动加剧，顶底板相对移近量增大，移近速度达到峰值，充填体的纵向与横向变形速度也达到峰值。此范围内，充填体既要适应上位老顶岩层下沉变形要求，又要控制住上位岩层间不发生较大离层，矿压观测可知，巷旁充填体具有良好的可缩性及足够的支护阻力。-40-70m，围岩活动渐缓，巷旁充填体纵向与横向变形量均趋最大值。-70m以后，巷旁充填体变形随围岩活动稳定而趋于稳定，纵向和横向变形速度降至1mm/d以下，特别是-90m以后，变形速度降至0.31mm/d以下。(2)巷旁充填体受力分析。由图5可知，巷旁充填体内载荷的变化在工作面后方10m开始增加， 20m以后急剧增大，工作面后方40m左右，载荷达到峰值。在工作面后方4080m的范围内，载荷逐渐降低，但递减的幅度不大，之后充填体载荷基本保持稳定。3高水速凝材料巷旁充填试验研究翟镇煤矿设计能力为120万t/a的大型矿井，1994年4月，与中国矿业大学共同承担了应用高水速凝材料进行巷旁充填沿空留巷的技术应用试验、成功留巷800m。3.1试验工作面的地质技术条件试验地点位于1201西工作面回风巷，该工作面为一采区西翼二层煤的一个工作面，回风巷留巷主要是作为今后3201西工作面的回风巷（图1）。1201西工作面走向1080m，倾斜宽150m，煤层平均厚度2.2m，埋深394m，倾角8，内含一层夹矸，顶板为典型的复合顶，分层较明显，冒落分层厚度0.5m左右，直接顶为粉砂岩。3.2高水速凝材料的主要技术特征试验采用石家庄市特种水泥厂生产的zKD型高水速凝材料，它由主料(甲料)配料(乙料)混合而成作为胶结料，胶结料中的主料由硫铝酸盐水泥熟料，超缓凝剂和适量悬浮剂混合组成，其中超缓凝剂的作用是保证较长时间的可泵性(24小时内不凝固)，而悬浮剂的作用是提高主料固体颗粒悬浮性，以避免沉降泌水现象，其配料是由石膏、石灰、悬浮剂、速凝早强剂等多种材料配制而成。高水速凝材料具有高水、早强、再胶结和微膨胀性能，水灰重量比是:一级料2.5:l，二级料2.0:1。高水充填材料分为两种类型:一种叫高水净浆充填材料，特点是只用特种水泥厂生产ZKD高水速凝材料，不用集料，本次试验采用这种类型充填65Om；另一种叫高水灰渣充填材料，其特点是要掺力口“集料来的选择要考虑充填机具白勺性能求，一般采用电厂粉煤灰、沸腾炉渣.，破碎研石粉等，灰渣加入的一个重要作用是能在成本相差不多的条件下.大幅度调整充填材料的强度性能，扩大充填材料的适用范围，便于使用活动钢模板构筑充填带，节省充填费用，本次试验采用这种类型充填150m。3.3充填体参数及巷内支护根据巷旁充填体上所承受的载荷和充填材料性能，巷旁充填体合适的宽度为1.21.5m，但由于现场采高较大，局部可达2.6m，选用1.2m宽的充填体稳定性较差，因此，1201西工作面沿空留巷巷旁充填体的最佳宽度确定为1.5m。巷道内充填点前方30m.后方60m采用双排单体液压支柱配铰接顶梁加强巷内支护，排距1.Om，柱距0.8m，随工作面推进，后方60m外巷道梯形金属棚梁下支一梁三柱走向抬棚(棚头为11“工字钢，棚腿为摩擦支柱)，而后回撤单体液压支柱。3.4净浆材料充填系统及充填工艺充填系统由液压充填泵、输送管路、充填袋、充填框架等部分组成。液压充填泵选用宜兴煤矿专用设备厂生产的KBY一120/10型充填泵，输送管路为双管路.管材为1.5口寸无缝钢管，充填袋、充填框妙勺由我矿加工制作。充填前，先拆除上一班的充填框架及充填体周围的临时支护，清理本班充填地点的浮煤，直至硬底、支设临时支护、安装充填框架，挂好充填袋，在悬挂时将上面四个角和下面四个角挂紧挂牢，同时防止撕破充填袋。检查混合器是否完好，完成准备工作后，通知泵站准备泵送，在泵送开始时，先将两管路中的清水放净，待尾端出现浆液时，将管子插入充填袋的混合器进行充填。充填时，两对搅拌桶分组进行.甲、乙两种料分别在不同的搅拌桶中搅拌，其中一组泵送一组准备，将甲、乙两种浆液通过两套管路输送到充填地点附近，通过专用混合器，混合后充入充填袋内。每充填200一500mm高度时，整理一次充填袋.防止下坠和歪料，以保证充填体的密实和均匀接顶.充填袋充满后，方可停山泵送，抽出充填管.然后清洗泵站、管路。充填工作由修备工区负责每日两个班.每班配17人，可多工种混合作业。3.5沿空留巷的技术经济效果3.5.1技术效果(1)矿压观测的内容及测站布置。矿压观测内容为巷道围岩变形，充填体变形及载荷，巷内支架压力显现情况，巷道断面的收缩率和支架的损坏等项内容。矿压观测方法以常规方法为主.所用仪器有:钢卷尺、压力盒及液压枕等。测站布置。从工作面开切眼开始，沿走向在巷道内共布置了招个测站，在充填体内布置了3个测站，以收集各种参数。(2)沿空留巷的围岩变形。为掌握在巷旁充填条件下沿空留巷围岩活动的特点和规律，对巷道顶底板及两帮移近状况进行了大量观测，得知工作面前方10一40m范围内顶底板移近速度从零逐渐增大到3mm/d，在此阶段内，顶底板移近速度迅速增长.最大达19mm/d，上帮顶底板移近量增大了51mm，约占超前采动影响范围顶底板移近量的68%。由此可见，1201西工作面上顺槽超前采动影响范围为40m，强烈影响范围为工作面前方10m以内。在工作面推进O一51二期间.即煤壁推过后到充填体形成前顶底板移近量为135mm。在滞后工作面Zm左右处，顶底板移近速度达到峰值86mm/d，并在工作面推过5一3Om区间波动；但在工作面后方3Om以外，顶底板移近速度明显减弱，降至4mm/d以下，从工作面后方80m开始顶板下沉趋于稳定，移近速度在0一3mm/d之问。由此可见.采动滞后影响范围为80t二.强烈影啊范围为30m。本次沿空留巷的围岩变形主要来自以下几个阶段:工作面前方IOm以内；工作面推过后至充填前；充填后至工作面后方80m。试验中，巷旁充填至工作面后方SOm范围内上、下帮围岩变形基本一致(上帮169mm.下帮162mm)。可见减少沿空留巷的围岩变形，必须采取超前加强支护、端头支护和充分发挥巷旁支护的作用。(3)沿空留巷的巷内支架载荷。为了掌握巷道支架与围岩及巷旁充填体之间的相互关系，采用在巷道内布置一系列的支架载荷与可缩量观测站。据观测在超前工作面20m以外，支架纵向载荷基本保持恒载，大约为ZkN/架，在超前工作面20m以内，由于受采动影响，支架载荷迅速上升，至工作面煤壁，纵向载荷达64kN/架，在工作面后方SOm左右达到最大(129kN/架)。这时支架收缩卸载，降至80kN/架左右。故支架收缩卸载后其载荷基本稳定在80kN左右，这充分说明充填体起到保护巷内支架的重要作用。(4)巷旁充填体的矿压显现规律。为了掌握巷旁充填体的性能与巷内矿压显现的关系，在充填体内布置了一系列载荷与变形观测站。液压枕观测站，测得工作面后方30m以内，充填体最大压强为1.9MPa。充填体的可缩性，是根据实测数据绘制的纵向可缩性能曲线(图3)。而充填体的垂直压缩变形，随工作面的推进则分为二个阶段:第一阶段为滞后工作面10m范围内。充填体尚未达到它的最终强度(5.44MPa)，其变形速度较大.最大达5mm/d，该区段累计变形量为21mm。第二阶段在工作面后方1060m范围内，充填体变形速度小于前一阶段.累计变形量为75mm。第三阶段在工作面后方60一65m，变形已趋于稳定，变形速度为O一lmm/d，65m以后，充填体基本不再压缩，这时总压缩变形量为95mm，可缩率为4.9%。3.5.2社会经济效益社会效益。高水充填材料巷旁充填具有少掘巷道，降低掘进率，缓解煤炭生产中采掘接续紧张的矛盾；减少煤柱损失，提高了煤炭资源回收率，延长了矿井服务年限；改善工作面的安全状况，防止漏风，避免瓦斯积聚及火灾的发生等。经济效益。经测算，高水速凝材料巷旁充填沿空留巷单位造价与掘进巷道单位造价基本持平，但沿空留巷可节省区段之间留设的15m煤柱，增加了3201西工作面的倾斜长度，留巷800m可多采出煤炭3.6万t。增加效益180万元，每米留巷增加效益2250元。4 沿空留巷高水灰渣速凝材料充填技术分析4.1沿空留巷沿空留巷是在上区段工作面采过后，通过加强支护或采用其他有效方法，将上区段工作面的一条顺槽保留下来，供下区段工作面回采时作为一条顺槽使用。这是开采工艺的重大改革，沿空留巷在国外的使用率较高，但在国内技术推广速度不高。沿空留巷具有提高煤炭资源回采率、降低掘进率、缓解开掘回采之间交替紧张、减少工作面搬迁费用、改善安全生产条件等显著优点，但制约该技术在我国推广使用的主要原因是未能找到合适的留巷支护材料。在煤层特别是中厚煤层中沿空留巷，由于采高较大、顶板活动剧烈、顶板下沉量大等因素，沿空留巷巷旁支护要求有足够的承载能力和一定的可缩量，同时必须解决沿空留巷防止采空区有害气体、积水和矸石进入巷道。为满足上述要求，利用高水灰渣速凝材料制成充填体进行巷旁充填，不仅可以提供足够的工作阻力，减轻巷道支护设备的工作压力，使采空区顶板沿巷旁外墙面切断冒落，而且能很好地隔绝采空区，防止采空区有害气体、积水和矸石进入巷道。高水灰渣速凝材料沿空留巷技术工艺简单，成本低廉，不影响生产，为我国沿空留巷的推广提供了前提基础。采空区沿空留巷示意图见图1。图1采空区沿空留巷示意图4.2高水灰渣速凝材料1)材料组成。高水灰渣速凝材料的胶结构采用中国矿业大学研制的ZKD高水速凝材料，它由主料(甲料)和配料(乙料)混合而成，胶结构中的硫铝酸盐水泥熟料作为主料，再与超缓凝剂和适量悬浮剂混合组成，其中超缓凝剂的作用是保证较长时间的可泵性，悬浮剂可以提高主料固体颗粒悬浮性，从而避免沉降泌水现象。其配料是由石膏、石灰、速凝早强剂等多种材料配制而成。高水灰渣速凝材料的高水灰比为2. 012. 51，掺入一定量的工业废渣(如粉煤灰、炉渣、烟道灰、矸石粉等)组成，制成的浆渍水体积占到70%以上。2)材料的物理力学性质。中国矿业大学研制的ZDK材料单轴抗压强度试验结果数据见表1。从表1数据分析表明: a)充填材料强度增长速度随时间的增长逐渐减小，早期强度增长较快， 4 h强度为0. 561. 59 MPa， 3 d强度为5. 315. 90MPa，占28 d的70% 80%。b)高水灰渣材料的强度随水灰比增大、灰渣用量减少而减少，反之则增大。根据沿空留巷充填实际要求，可以通过调整水灰比、胶结料用量、灰渣用量来适应要求。3)高水灰渣速凝材料的主要技术优势如下。a)材料可泵性好(24 h内不凝固)。b)材料速凝性好。甲乙料不混合凝固缓慢，混合后30 min内即可凝结成固体。c)该材料在形成的充填体早期破坏后还具有再胶结恢复强度的特征。d)充填材料承载能力大，有一定量的可缩性。4.3充填工艺1) 高水灰渣材料充填可采用水力泵送充填和风力充填两种方式，因为目前国内风力充填没有专用设备，下面介绍水力泵送充填工艺，水力泵送充填工艺系统流程示意图见图4。图4水力泵送充填工艺系统流程示意图水力泵送充填从料场不同管路输出甲料、乙料分别进入甲桶和乙桶，再与水、灰渣混合搅拌，之后输入到双液充填泵的甲、乙泵，最后同时泵入充填区制成充填体。2)泵送过程以及注意事项。a)用清水清洗泵和管路，确定泵运转正常和管路接通良好后，开始泵送充填。b)每次开泵两泵同时开启，需要检修时，须先用清水洗泵与管路后在再停泵，防止浆液残留于管泵中凝固阻塞管泵。c)合理控制浆液泵送速度。 d)保持甲乙两料桶出料量一致，如不一致，则需要停泵检查原因，排除故障后方可继续。4.4社会经济效益 1)社会效益。沿空留巷巷旁充填技术带来的社会效益是显著的，具体有以下方面: a)降低巷道掘进率，从根本上缓解了采掘关系紧张。 b)减轻了工人劳动强度，改善了工作环境。 c)实现了无煤柱开采，提高回采率，可以使煤炭资源的回采率提高3% 6%。 d)合理利用了一定量的工业废渣(如粉煤灰、炉渣、烟道灰、矸石粉等)，减少污染，保护环境。2)经济效益。沿空留巷与掘进成巷直接成本比较见表2，表3。从表2， 3的数据对比中可以发现，沿空留巷成巷每米比炮采低2元，比机掘低3元。结合成巷过程中其他工序辅助费用，沿空留巷可以减少运输、提升两项辅助费用，而且目前充填使用活动钢模板成型替代充填袋，成本费用将进一步减低。5 大采高工作面沿空留巷巷旁充填支护实践5.1地质及采矿条件采用沿空留巷巷旁充填支护技术的9604工作面运输平巷，位于张集煤矿山西组东六采区回风下山以东第二区段，回风平巷标高为-502 m，运输平巷标高为-655.04 m，地面标高为+36 m。工作面走向长平均855 m，倾斜长平均133 m，煤层倾角平均20。煤层平均厚度3.2 m，工作面可采储量4583万t。煤层直接顶为0.452.66 m、平均1.26 m的粉砂岩，煤层直接顶另一部分为6.3712.70 m、平均10.50 m的中细砂岩，煤层直接底为2.205.01 m、平均3.90 m的粉砂岩，初步分析沿空留巷的巷道围岩属3类即中等稳定岩层，煤层的普氏硬度系数f=1.22.5。工作面正常涌水量为10 m3/h，水源是煤层顶板的砂岩裂隙水。煤尘有爆炸危险性，煤层有自然发火倾向性，发火期36个月。9604工作面运输平巷为矿用11号工字钢定型刚性支架，支架上帮腿长2.8 m，垂直于顶板架设，顶梁长2.8 m，沿煤层顶板架设，下帮腿长1.8 m，垂直于水平面架设，采用板皮护帮护顶，支架棚距0.8 m，巷道原净面积6.5 m2。9604工作面采用QDZ-3150B型铝合金单体液压支柱配HDJA-1000型铰接顶梁支护，一次采全高，三、五排控顶，支柱走向排距1.0 m，倾斜柱距0.7 m，齐梁齐柱布置，支护密度1.43根/m2，支护强度278 kN/m2，工作面平均采高为2.83.0 m，最大3.1 m。5.2巷旁充填支护材料参数的选择及工程流程侧重从井下寻找新的充填材料，以减少充填材料的制作、运输环节，降低成本。试用煤炭和水泥进行混合配比，来满足巷旁充填的需要。5.2.1充填支护材料的制做采用水泥、煤炭、水混合做三组试块，每组9块。一组:水泥煤炭水=12.8760.516 (重量比)；二组:水泥煤炭水=12.50.516 (重量比)；三组:水泥煤炭水=130.6 (重量比)。煤炭最大颗粒小于40 mm。配料均匀搅拌后，倒入预先制成的模具中捣实、成型、脱模、养护。分别于7天、14天、28天进行强度试验。通过强度试验，第一组试块7天时强度为8.03 MPa， 14天时强度为9.21 MPa，28天时强度为10.4 MPa，第一组有关指标均优于第二组、第三组。其强度与净水泥试块的强度对比见图1。通过充填支护阻力计算，巷旁充填体的支护强度不得小于4.8 MN/m，当充填宽度为1 m时，即为4.8 MPa。第一组试块的强度完全能够满足要求，所以选择水泥、煤混合材料作为巷旁支护的充填材料，其配比为:水泥煤炭水=12.8760.516。5.2.2充填支护参数充填体断面形状。由于原巷巷道的断面形状为梯形(不等腰)，为了使充填体形状和巷内支架相匹配，使之形成一个完整的承载体共同承受外部载荷，因此，充填体选择矩形。一次充填长度。根据采煤工作面的日进度，确定一次充填长度为2 m。充填高度。根据采高和留巷高度，确定充填高度为2.5 m。充填框架。为保证充填材料能凝固成型，采取在原定型棚梁下设单体液压支柱，在单体支柱上帮和工作面推进方向一侧用木板围成槽子，木板的厚宽高=20 mm200 mm2 000 mm。巷通形状及参数见图2。5.2.3工艺流程工艺流程见图3。5.3巷旁充填支护矿压显现5.3.1巷旁充填支护巷道变形规律根据实测，在滞后工作面20 m范围内，充填体变形量少，变形速度上帮为2.53.0 mm/d，下帮为2.02.5 mm/d，两帮为3.8 mm/d。在滞后工作面2090 m范围内为强烈变形区间，上帮为4.5 mm/d，下帮为4.1 mm/d，两帮为5.2mm/d。上帮顶底板最终移近量为436 mm，下帮顶底板最终移近量为357 mm，两帮水平移近量为360 mm，顶板倾角减少337。5.3.2充填体的载荷变化规律根据埋设于充填体内的液压枕实测，在滞后工作面20 m范围内，充填体的载荷为00.66 MPa，随着采空区顶板下沉，充填体的载荷有所增加，平均增载速度为0.056 MPa/d，最大达到0.168MPa/d。在滞后工作面50 m时达到最大值，为1.811 MPa，以后就基本稳定了。这说明充填体能及时提供支护阻力，防止巷道的变形，支撑顶板。实测充填体载荷见图4。6 综放开采巷旁充填沿空留巷技术探讨目前我国综放开采技术初步显示了其技术先进、投入少、成本低、效率高、安全性好等优点。我国厚煤层储量丰富，综放开采具有广阔的应用前景；但是，由于综放工艺等条件的限制，目前综放开采采区采出率还比较低。据统计，在综放采区的煤炭损失中，工作面区段煤柱损失约占9.5%，绝大多数综放面顺槽一直沿用宽煤柱护巷，煤炭损失大，严重制约着综放开采煤炭采出率的进一步提高。结合综放开采特点，进行大量的试验和理论研究，实现区段无煤柱开采，对提高采区采出率、减少掘进率和缓解采掘接替矛盾具有重要意义，同时对综放开采可持续发展也有着积极的推动作用。巷旁充填沿空留巷是实现综放开采区段无煤柱开采的技术途径之一，但该项技术目前国内外尚无应用先例，只有文献1和2从理论上研究了综放开采沿空留巷部分技术问题。6.1几个技术问题 (1)综放开采一次采出煤层厚度大，上覆岩层活动程度及波及的范围相应增加。由于回采巷道压力随采高的增加而增加，以及已采区和综放面采动引起的支承压力的叠加作用，巷道围岩应力增加，最高达原岩应力的56倍3。综放开采时，工作面超前支承压力影响距离加大，且回采巷道为全煤巷道，矿压显现剧烈，而沿空巷道的顶板沉降量与开采厚度是成正比的，厚煤层整层开采时，巷道围岩移近量数倍于分层开采，在工作面前方附近，巷道断面收缩率较大，若不采取合理的支护方式和超前加强支护将所留巷道的变形控制在一定范围内，则很难保证所留巷道在下区段回采时的正常使用。 (2)所留巷道顶部是煤层，顶煤强度低，易被压碎而冒入采空区，造成巷道上方空顶，保证巷道顶煤的稳定十分困难而又尤为重要。(3)通过对综放沿空巷道围岩矿压显现规律进行的研究表明:无论是顶煤、直接顶和老顶，都呈现以煤帮为支承点的悬臂梁状态。随着工作面临近，悬臂梁急剧转动，其沉降量与厚煤层一次开采厚度成正比。由于综放沿空巷道煤帮不仅要承受很大的支承压力，同时又为已采区的支承点，所以沿空巷道煤帮会产生严重鼓裂，并向巷道空间方向挤出。这不仅导致煤帮强烈位移，而且使得悬臂梁的回转角增加，引起巷道顶煤急剧沉降。因此，制止煤帮强烈位移是有效控制沿空巷道围岩变形的关键。 (4)综放工作面开采强度大，所需风量大，工作面运输机、端头转载机及皮带运输机空间体积大，为满足正常的设备运输、通风和行人要求，不可避免地要增大综放工作面回采巷道断面，而巷道断面增大后，不利于巷道的维护和保留。 (5)综放开采工作面上下端头为端头支架支护，随着工作面推进和端头支架的前移，顶煤由于强度低而随之冒落，给预留巷旁支护带空间带来了一定困难。 (6)巷旁支护控顶高度与采出煤层的厚度成正比。由于需切落的顶板高度较大，为保证支护带有足够的支护强度切落顶板，巷旁支护带需有较大的宽度，从而给巷旁支护带的构筑带来了困难。 (7)沿空巷道采空侧的漏风易为采空区的遗煤自燃提供连续供氧条件，容易引发采空区煤炭自燃发火事故，故需确保巷旁充填体的质量。6.2巷旁充填沿空留巷技术分析 (1)综放开采沿空留巷围岩控制技术包括留巷前后的巷内围岩控制技术和留巷后巷旁充填技术，留巷前巷道围岩控制状况的好坏直接关系到综放开采沿空留巷能否取得成功。巷旁充填前须有效控制巷道的过度变形，而控制其过度变形不能只依赖支架的被动承载，而是应充分发挥巷道围岩本身的自承能力。采用锚杆(索)网支护，变被动支护为主动支护，可改善围岩的受力状态，充分发挥其自承能力；可对围岩施加足够的侧向力，使破裂煤体产生较大的摩擦力，维持径向连续性，使围岩保持较高的三向应力状态；可防止顶板早期离层，同时也有利于增加回采巷道的净断面。为了保证所留巷道在巷旁支护前后不因工作面超前和滞后支承压力而产生严重变形，在工作面前后方一定范围内必须进行加强支护。 (2)由于煤体强度较低，为保证所留巷道顶部和巷旁支护带上方煤体不冒落并具有完整性，需对工作面上下端头的煤体采取注聚氨脂等加固措施。 (3)为了确保待充填空间顶煤的完整性和改善巷旁支护的受力状况，在留巷侧工作面端头待充填空间处少安装1组支架，在回采过程中预铺金属网，加打长倾斜抬棚和单体液压支柱，在充填体内侧，支架后方始终保持3排单体液压支柱，直至下一步充填工作结束后回撤。工作面端头采用长形钢梁交错前进支护，在形钢梁上铺设菱形金属网。 (4)由于综放开采工作面推进速度快，为保证巷旁支护带能紧随工作面及时构筑，需采用机械化程度高的巷旁充填系统和良好的充填材料，使充填体具有良好的承载特性和变形性能。中厚煤层沿空留巷大量工程实践表明，高水材料及其充填系统可满足上述要求。6.3高水速凝材料巷旁充填体作用机理高水速凝材料巷旁充填体作用机理如下: (1)在工作面后方某一范围内，巷道顶煤与直接顶已经卸载，此时巷旁充填体需有一定的支护阻力。如果不及时支护或者支护阻力低，顶煤与直接顶就会沿巷道煤帮破断，造成巷道破坏严重或前期变形量过大；因此，巷道充填体应具有凝固速度快、早期强度高的特性。另外，必须紧随工作面构筑巷旁充填体，及时支护顶煤及直接顶，确保巷道内顶煤与直接顶不破碎，避免其与上部老顶离层，并切断巷道靠采空区侧的顶煤与直接顶，以减小巷旁充填体所承受的压力。用高水速凝材料作为沿空留巷的巷旁充填体，由于其本身具有的早强性能，能够控制顶部煤岩层的破断位置，达到预期的切顶目的，有效地保护巷道内顶板(煤)的完整性和自撑性能，进而减小顶板的前期下沉量和巷道断面收缩率。 (2)随着回采工作面推进，必然引起老顶依次破断、失稳，此时巷旁充填体的支护阻力应达到切顶阻力。当老顶岩层中的弯矩在巷旁充填体的边缘依次达到极限值时，老顶将被依次切断。巷旁充填体的切顶高度取决于采出煤体的厚度，综放开采采出的煤体厚度较大，需切落的顶板高度较大，故充填体应有较大的切顶阻力。 (3)垮落的矸石由于破碎后体积增大，当充满采空区时，更上位岩层在矸石、煤体、巷内支护与巷旁充填体的共同支撑作用下取得运动的平衡，巷道围岩变形趋于缓和并逐渐稳定，此时巷旁充填体的支护阻力应能维持巷道上方已被切断岩层的平衡，将巷道顶板(煤)下沉量控制在设计要求的范围内。(4)从所留巷道两侧介质的刚度匹配来说，巷道一侧是具有一定可缩量的弹塑性介质的煤体，另一侧是巷旁充填带，若巷旁充填体所具有的可缩量很小或基本上是刚性的，则会造成顶板下沉不均衡，对巷道维护不利。实验室试验与现场实践表明4，高水速凝材料具有良好的可缩性。6.4巷旁支护体支护阻力6.4.1巷旁充填体初期所需支护阻力巷旁充填体构筑初期(1d)，充填体支护作用的对象是顶煤与直接顶，相互作用的力学模型如附图所示。下面对图中所示的ABCD煤岩块进行受力分析。6.4.2巷旁充填体切顶阻力随着回采工作面推进，控顶范围逐渐增大，引起一定厚度的老顶依次破断、失稳。巷旁充填体合理的切顶高度要能满足切断老顶岩层后，垮落的矸石能够充满采空区，使被切断老顶的上位岩层在矸石、煤体、巷内支护与巷旁充填体的共同支撑作用下取得运动的平衡。一定的切顶阻力只能切断一定高度的岩层。为使巷道变形及早趋于稳定，巷旁充填体必须具有一定的切顶阻力。根据非放顶煤巷旁充填沿空留巷实践经验与试验结果，并经统计分析表明，巷旁充填体切顶阻力Pq与初期所需支护阻力Pc的关系可用下式表示:Pq=KPc(4)式中:K为切断老顶系数，一般取K=3。6.4.3巷旁充填体宽度设计沿巷道长度方向每米巷旁充填体所提供的总阻力与巷旁充填体宽度b有关。下面举例阐述巷旁充填体宽度的确定方法。根据综放面井下常见的典型条件，取以下参数值:a=4m，u=3.6m/d，l=5.0m，hm=5.0m，hz=6.0m，m=1.3104N/m3，z=2.5104N/m3，Ph=8104N/m2，Kt=1.3。由式(3)得Pc=1 677+419bkN/m (5)为满足初期支护阻力，巷旁充填体所需强度qc为Pc/b，即qc=1 677/b+419kN/m2(6)为满足切顶阻力，巷旁充填体所需强度q为Kqc，即q=5 031/b+1 257kN/m2(7)由式(7)可知，为满足切顶阻力，当巷旁充填体的宽度为2.3m时，巷旁充填体所需强度约为3 444kN/m2。高水速凝材料的水灰比为(2.