采煤工作面通过老巷使用充填粉煤灰改造技术.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除采煤工作面通过老巷使用充填粉煤灰改造技术一、提出问题的背景 采煤工作面过老巷是煤矿开采过程中经常遇到的问题。当工作面接近老巷，则工作面煤柱已处于破碎或塑性状态，基本无承载能力，主要顶板在老巷上方发生断裂，使工作面下沉量大幅度增加，支架工作阻力急剧上升、煤壁片帮，出现压死或压坏支架等事故，造成重大经济损失，威胁安全生产。传统老巷的治理方法主要有以下几种：用密集支柱、木垛或沙袋垛加强对老巷顶板的支护；用锚杆、锚索加固老巷顶板和两帮；以老巷为切眼重新布置工作面等。第三种方法主要用于炮采或普采等较易搬家的工作面，综采或综放工作面一般采用前两种方法。由于密集支柱或木垛承载能力低，难以抵抗工作面超前支撑压力的作用，老巷在超前支撑压力的作用下产生冒顶和两帮大范围的片帮，最终巷道被垮落的顶板岩石填满，给工作面过老巷造成很大的困难。若采用锚杆或锚索加固老巷，对维护老巷顶板和两帮的完整性有一定的作用，老巷顶板一般不会大面积垮落。但老巷围岩已处于塑性或破碎状态，加固后的围岩仍难以承受超前压力的作用，不能有效控制主要顶板的提前下沉或断裂。为此，我们利用粉煤灰浆脱水后具有较高的承载强度的特点，逐步采用粉煤灰作为介质对老巷进行充填的方法来代替原有的落后的巷道改造方法。实践证明，采用粉煤灰充填老巷进行支护的方法是采煤工作面过老巷的一种安全、高效、经济的方法，具有广阔的应用前景。二、粉煤灰充填技术介绍兴隆庄煤矿粉煤灰是本矿煤泥电厂的煤泥煤粉燃烧后随烟气排放的细灰状残留物，为煤炭燃烧后的副产品。其主要成分有氧化钙、硅铝玻璃、微晶矿物颗粒和未燃尽的残炭微粒所组成的含硫灰，化学成分以氧化硅和氧化铝为主。兴隆庄煤矿煤泥热电厂总装机容量为3.3千瓦，年排灰量约9万多吨，原来一直靠汽车运送到塌陷区进行回填处理，不仅消耗大量的运输费用，还需支付大量的排放费，既占用土地，污染周边环境，又极大地浪费资源。近几年来，为实现矿区电厂粉煤灰的综合利用，通过对粉煤灰的物理特性和化学特性的研究，经过不断实践、鉴定，证明粉煤灰作为替代黄土做为防灭火注浆材料使用，效果突出。另外，经过对粉煤灰作为充填体作用机理中的形态效应、活性效应和微集料效应的分析，说明粉煤灰作为充填材料具有一定的强度。为此，结合矿井的生产实际，在我矿10302综放工作面开采过程中过贯穿全面的老巷，我们采取了全断面充填粉煤灰的加固巷道施工措施来代替原有的打单体柱或沙袋垛进行支护的方式，实践证明，粉煤灰作为充填材料对对废弃巷道、老巷进行充填改造，方案可行，效果突出,促进了矿井的安全生产，开辟了新的巷道支护方式，具有显著的经济和社会效益。1、老巷上覆岩层活动规律分析（1）上覆岩层活动规律分析根据已有研究成果，工作面正常推进时，主要顶板断裂前后可视为梁或板的结构。经初次和多次断裂后，岩块相互铰合可形成堆砌梁结构。如工作面前方存在老巷，当工作面推进到老巷附近，主要顶板的悬露长度达到周期来压步距时，由于老巷与工作面煤壁之间的煤柱已在超前支撑压力的作用下而进入破碎状态，煤柱难以起到切顶的作用，因此，主要顶板并不按周期来压的步距断裂，而是在老巷的里帮断裂。此时，主要顶板的垮落长度将大于周期来压步距，来压强度急剧增加，主要顶板给定变形增加，支架下沉量加大，并且煤壁片帮，老巷顶板垮落。这是工作面过老巷困难的主要原因。（2）粉煤灰材料力学特性分析粉煤灰中含有大量空心或实心的玻璃珠，具有粒形圆整、表面光滑、粒度较细、质地致密的形态特点。粉煤灰中厚壁的空心微珠有很高的抗压强度，采用其作为充填体材料，经过脱水后的粉煤灰固体充填体具有较高的抗压强度并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，这种特性作为充填老巷的材料是非常有利的。充填后，可以避免在支撑压力作用下突然破坏而片帮，相同强度要求条件下，较之脆性材料，利用粉煤灰固体材料可以取更小的安全系数，即可以降低强度要求，有条件使用高水灰比，有利于减少材料用量，降低充填成本。（3）工程实例概况10302工作面范围内煤层结构复杂，距顶板2.8左右发育一厚0.03之炭质粉砂岩夹矸；工作面下部距底板3.2m左右，发育一层厚01.55m的炭质泥岩夹矸。自开采以来，受工作面煤体内夹矸层的影响，曾连续出现过不同程度的冒顶事故，严重影响了工作面的正常推进。10302工作面推进距离切眼590m时，从轨顺开始揭露贯穿全面的中间联巷（老巷，其位置见附图一），当工作面推至距切眼760m时，中间联巷推至结束，影响工作面推进距离170m。如不提前对中间联巷采取及时有效的支护措施，加之工作面夹矸层、断面的影响，将会给工作面的正常推进带来严重影响。为此，经过分析和研究，决定采取充填粉煤灰材料进行支护。中间联巷（老巷）沿煤3底板掘进，巷道长度229.4m，与工作面夹角为48。中间联络巷断面参数及其支护方式断面形状净宽净高净断面支护方式梯形上净宽：3.6m；下净宽：4.2m3m11.7m2锚网支护巷道改造、中间联巷（老巷）两端密闭墙施工：在中间联巷靠近10302工作面轨道顺槽门口(距门口约5m，即预留的滤水沙袋垛距离)和运输顺槽门口处分别施工两道密闭墙，施工位置见附图一中A、B点。闭墙参数见下表： 代号厚 度断 面封闭长度封闭体积A1.00m20m2230m2700m3B0.50m18m2、密闭墙施工顺序：1、先建A闭墙,建闭时在闭墙中间留1.0m1.0m的行人通风口，并留足堵口材料；把闭墙里、外墙面都抹好；2、建完A闭墙后，再建B闭墙；3、建B闭墙时, 在闭墙中间留1.0m1.0m的行人通风口，并留足堵口材料；把闭墙里、外墙面都抹好；在闭墙顶端留0.5m0.5m的观测口，并留足堵口材料，当灰浆要溢出时把口堵上。4、B闭墙建完后，先堵上A闭墙的行人通风口，把闭墙里、外墙面都抹好；再堵上B闭墙的行人通风口，把闭墙外墙面抹好。、轨道顺槽侧密闭墙（A闭）施工要求：由于轨道顺槽处低于运输顺槽标高，考虑到粉煤灰充填过程中的滤水要求和轨道顺槽处的密闭墙的承压能力，需对轨道顺槽的密闭墙做如下改进工程。1、施工A闭前，必须在A闭施工位置进行掏槽，掏槽深度不得低于1m。2、A闭外侧砌筑1道垛子，厚度为0.5m，高度为1.5m。3、扩修队在A闭完成后，在闭外另外施工滤水垛。具体施工为：紧贴闭墙施工35米沙袋垛，沙袋垛外纵向复大板，然后再横向采用6分钢丝绳对木板进行固定，钢丝绳两端采用帮锚杆固定、倒正丝拉紧。、运输顺槽侧密闭墙（B闭）施工要求：自底板起向上，每隔0.5m留1条3寸管，使好截门，以便泻水；在闭墙顶端留0.5m0.5m的观测口，并留足堵口材料，当灰浆要溢出时把口堵上。在闭外低洼处挖好1m（长）1m（宽）1m（深）的泄水池，并安装排水泵。、粉煤灰充填：注灰管路自10302面运输顺槽闭墙（B闭）顶部接入，开始连续压注。随着压注进度及闭内灰浆液体的高度增加，经过沉淀灰水分离后，通过预留在B闭上不同高度的泄水管路将闭内的清水放出，保留浆液，令其沉积密实，循环压注，直至将闭内空间充填严密。通过（B闭）上的观测口，观察闭内灰浆压注、沉积状况，当灰浆上升至观测口时，及时将观测口堵严。采取粉煤灰充填后效果检验：在巷道两端的密闭墙按照要求施工完成后，根据我矿电厂粉煤灰的日出灰量和粉煤灰厂作业人员的劳动组织进行组织，通过粉煤灰浆液的水灰比及现场的滤水状况，我们采取连续压注的方式进行，充填粉煤灰浆液约7000立方米后，直至密闭内充满后沉积完成。5月13日，10302工作面开始揭露中间巷，在此过程中，沉积后的粉煤灰充填体表现出以下特点：（1）所有高顶区全部充满，在高顶段工作面从充填体中穿过。充填体与顶煤粘结良好。（2）充填体揭露前后，未见明显的矿山压力显现，工作面均为发生冒顶、片帮压死支架等事故，充填体被切割后，切割面平整，表面充填体有较高的承载能力。（3）从工作面看到，充填体被压缩一定程度后而未产生裂隙，表明了充填体塑性变形的特点和良好的让压性能。从整个工作面过中间巷的过程来看，充填体较好的控制了顶板，为工作面过老巷的安全提供了有效的保障，达到了施工的目的。三、技术经济效果1、材料成本低廉，降低巷道改造材料投入费用，又节约了大量黄土，保护了耕地。2、材料应用方便、环保。可与原有注浆管路系统并网，解决了电厂废灰污染问题，保护了环境。3、材料流淌性强，能解决高倍线充填的弊端。对大面积老空区的夹心密闭进行充填，可最大限度的减少漏风通道。4、材料脱水沉积后，具有一定的强度和较大的支撑力，代替传统支护方式用于联络巷改造、制造采煤面假底（顶）等具体工作，可有效防止矿井冲击地压危害。5、施工工艺简便，减少了工序转换,加快了施工速度,确保了安全生产。6、综放工作面过老巷是多年未解决的一项技术难题，通过10302综放工作面过中间巷时使用粉煤灰充填材料对老巷进行充填。实践证明，这种方法是行之有效的，不但能有效的控制顶板，使工作面顺利推过老巷，而且能降低过老巷的成本，提高推进速度。7、大大减轻了施工人员的工作强度。同时，保证了固化粉煤灰的连续压注能力，加快了施工进度和质量。8、通过对井下注浆管路的配套完善，不但可以保证粉煤灰浆快速、连续的压住，而且极大的延伸了需要治理的地点的范围,减少了施工时间，极大的增强了矿井的防、抗灾主动能力和机动性。9、根据粉煤灰充填材料脱水后具有较强承载能力的特点，在我矿1308二联、4318三联、10303二联及10302中间巷等地点采用的巷道改造、造假顶工作过程中，由于充填距离长，充填要求高，采用传统方式进行施工难度大，我们采用大浓度的固化粉煤灰进行充填后脱水形成充填体对巷道进行支护。经过生产验证，效果完全符合安全要求，确保了工作面的安全推进。10、我们根据矿井实际，对采空区、突出和冒落空隙以及工作面顺槽沿空侧应用了粉煤灰充填材料，以其自身的特点为治理矿井煤炭自燃及煤炭自燃隐患提供了比较好的应用前景。通过我矿在边角煤B4318、B4320采空区封闭的应用证明：此种材料操作方便，并且材料具有一定承压能力，同时流淌性好，能充分封堵煤体的裂隙，隔断漏风通道，实际效果较好。四、经济效益和社会效益评价粉煤灰注浆系统形成后，可以代替东西风井的黄土注浆系统，同时也减少了电厂粉煤排放量，即减少了环境污染，具有显著的经济效益和社会效益。1、经济效益分析(1)节约材料费用计算：按年封闭充填长度230m计算，如果打单体柱，需要至少打5排，每排间距0.5m，则需要2300棵单体柱，需要投入材料费约230万元，其中三分之一可能损坏，即至少节约77万元。按年封闭充填长度230m计算，减少3450 m3粉煤灰排放量计算，每排放1t粉煤灰按10元估算(包括运输费用)，年可节约粉煤灰排放费约3.5万元。仅对上述两项计算，开产生直接经济效益可达80.5万元。(2)按照充填巷道支护成本计算比较（按照断面15m2，长度230m计算）充填沙袋垛：15m223028元（每立方米沙价格）9.7万元。重要的是压注粉煤灰仅需要敷设管路，省却了散装沙装袋、运输的人工费用和运输安全隐患。（3）节约人工费用计算按照充填断面15m2，长度230m的巷道计算，充填沙袋垛，每班人员不少于6人，需要工作15天，每天工作2个班，由此计算：152670元（每个人工工资）1.26万元。而充填粉煤灰只需要投入一天两个人工，工作30天，费用为：30127元（每个人工工资）0.42元。可节约人工费用为：（1.26-0.42）0.84元这其中还不包括充填沙袋垛过程中繁杂且具有一定安全隐患的运输环节。2、社会效益分析(1)10302工作面通过老巷期间可以看出脱水后的粉煤灰与老巷顶底板严密结合，工作面顺利、安全、快速通过，避免了以往工作面过老巷推进缓慢、冒顶及安全隐患多的弊端。（2）单纯的粉煤灰脱水性好，易堆积，克服了以往固化粉煤灰施工困难、硬化缓慢并且水分很少的固化粉煤灰几乎没有强度的弊端，因此单纯的粉煤灰充填整体性能优于以往我们开展的老巷充填固化粉煤灰。(2)粉煤灰的使用，减少了环境污染，降低了黄土损失，有利于保护耕地资源。(3)粉煤灰浆除可用于防灭火外，还可用于联络巷改造，制造采煤面假底等，具有工艺简单，成本低廉，坚固可靠的特点。粉煤灰充填技术在采面过老巷过程中的应用总结一、引言工作面过老巷（在工作面前方并与之平行的废弃的巷道）是煤矿开采过程中经常遇到的问题。国内外传统的方法主要有以下几种：用密集支柱或木垛加强对老巷顶板的支护；用锚杆、锚索加固老巷顶板和两帮；以老巷为切眼重新布置工作面。第三种方法主要用于炮采或普采等较易搬家的工作面，综采或综放工作面一般采用前两种方法。由于密集支柱或木垛承载能力低，难以抵抗工作面超前支撑压力的作用，老巷在超前支撑压力的作用下产生冒顶和两帮大范围的片帮，最终巷道被垮落的顶板岩石填满，给工作面过老巷造成很大的困难。而且，当工作面接近老巷时，老巷和工作面之间的煤柱已处于破碎或塑性状态，基本无承载能力，主要顶板在老巷上方发生断裂，使工作面下沉量大幅度增加，支架工作阻力急剧上升、煤壁片帮，出现压死或压坏支架等事故，造成重大经济损失，威胁安全生产。若采用锚杆或锚索加固老巷，对维护老巷顶板和两帮的完整性有一定的作用，老巷顶板一般不会大面积垮落。但老巷围岩已处于塑性或破碎状态，加固后的围岩仍难以承受超前支撑压力的作用，不能有效控制主要顶板的提前下沉或断裂。为此，我们利用粉煤灰浆脱水后具有较高的承载强度的特点，逐步采用粉煤灰作为介质对老巷进行充填的方法来代替原有的落后的巷道改造方法。实践证明，采用粉煤灰充填老巷进行支护的方法是采煤工作面过老巷的一种安全、高效、经济的方法，具有广阔的应用前景。二、粉煤灰充填技术研究及应用粉煤灰是电厂锅炉电收尘器收集的锅炉灰渣，是火力发电厂煤粉燃烧后随烟气排放的细灰状残留物，为煤炭燃烧的副产品。其主要成分有硅铝玻璃、微晶矿物颗粒和未燃尽的残炭微粒所组成，化学成分以氧化硅和氧化铝为主。兴隆庄煤矿煤泥热电厂总装机容量为3.3千瓦，年排灰量约9万多吨，原来一直靠汽车运送到塌陷区进行回填处理，不仅消耗大量的运输费用，还需支付大量的排放费，既占用土地，污染周边环境，又极大地浪费资源。近几年来，为实现矿区电厂粉煤灰的综合利用，通过对粉煤灰的物理特性和化学特性的研究，经过不断实践、鉴定，证明粉煤灰作为替代黄土做为防灭火注浆材料使用，效果突出。另外，经过对粉煤灰作为充填体作用机理中的形态效应、活性效应和微集料效应的分析，说明粉煤灰作为充填材料具有一定的强度。为此，结合矿井的生产实际，在我矿10302综放工作面开采过程中过贯穿全面的老巷（中间巷）中，我们采取了全断面充填粉煤灰的加固巷道施工措施来代替原有的打木垛进行支护的方式，实践证明，粉煤灰作为充填材料对对废弃巷道、老巷进行充填改造，方案可行，效果突出,促进了矿井的安全生产，开辟了新的巷道支护方式，具有显著的经济和社会效益。1、老巷上覆岩层活动规律分析（1）上覆岩层活动规律分析根据已有研究成果，工作面正常推进时，主要顶板断裂前后可视为梁或板的结构。经初次和多次断裂后，岩块相互铰合可形成堆砌梁结构。如工作面前方存在老巷，当工作面推进到老巷附近，主要顶板的悬露长度达到周期来压步距时，由于老巷与工作面煤壁之间的煤柱已在超前支撑压力的作用下而进入破碎状态，煤柱难以起到切顶的作用，因此，主要顶板并不按周期来压的步距断裂，而是在老巷的里帮断裂。此时，主要顶板的垮落长度将大于周期来压步距，来压强度急剧增加，主要顶板给定变形增加，支架下沉量加大，并且煤壁片帮，老巷顶板垮落。这是工作面过老巷困难的主要原因。（2）粉煤灰材料力学特性分析粉煤灰中含有大量空心或实心的玻璃珠，具有粒形圆整、表面光滑、粒度较细、质地致密的形态特点。粉煤灰中厚壁的空心微珠有很高的抗压强度，采用其作为充填体材料，经过脱水后的粉煤灰固体充填体具有较高的抗压强度并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，这种特性作为充填老巷的材料是非常有利的。充填后，可以避免在支撑压力作用下突然破坏而片帮，相同强度要求条件下，较之脆性材料，利用粉煤灰固体材料可以取更小的安全系数，即可以降低强度要求，有条件使用高水灰比，有利于减少材料用量，降低充填成本。（3）工程实例概况10302工作面范围内煤层结构复杂，距顶板2.8左右发育一厚0.03之炭质粉砂岩夹矸；工作面下部距底板3.2m左右，发育一层厚01.55m的炭质泥岩夹矸。自开采以来，受工作面煤体内夹矸层的影响，曾连续出现过不同程度的冒顶事故，严重影响了工作面的正常推进。10302工作面推进距离切眼590m时，从轨顺开始揭露贯穿全面的中间联巷（老巷，其位置见附图一），当工作面推至距切眼760m时，中间联巷推至结束，影响工作面推进距离170m。如不提前对中间联巷采取及时有效的支护措施，加之工作面夹矸层、断面的影响，将会给工作面的正常推进带来严重影响。为此，经过分析和研究，决定采取充填粉煤灰材料进行支护。中间联巷（老巷）沿煤3底板掘进，巷道长度229.4m，与工作面夹角为48。中间联络巷断面参数及其支护方式断面形状净宽净高净断面支护方式梯形上净宽：3.6m；下净宽：4.2m3m11.7m2锚网支护巷道改造、中间联巷（老巷）两端密闭墙施工：在中间联巷靠近10302工作面轨道顺槽门口(距门口约5m，即预留的滤水沙袋垛距离)和运输顺槽门口处分别施工两道密闭墙，施工位置见附图一中A、B点。闭墙参数见下表： 代号厚 度断 面封闭长度封闭体积A1.00m20m2230m2700m3B0.50m18m2、密闭墙施工顺序：1、先建A闭墙,建闭时在闭墙中间留1.0m1.0m的行人通风口，并留足堵口材料；把闭墙里、外墙面都抹好；2、建完A闭墙后，再建B闭墙；3、建B闭墙时, 在闭墙中间留1.0m1.0m的行人通风口，并留足堵口材料；把闭墙里、外墙面都抹好；在闭墙顶端留0.5m0.5m的观测口，并留足堵口材料，当灰浆要溢出时把口堵上。4、B闭墙建完后，先堵上A闭墙的行人通风口，把闭墙里、外墙面都抹好；再堵上B闭墙的行人通风口，把闭墙外墙面抹好。、轨道顺槽侧密闭墙（A闭）施工要求：由于轨道顺槽处低于运输顺槽标高，考虑到粉煤灰充填过程中的滤水要求和轨道顺槽处的密闭墙的承压能力，需对轨道顺槽的密闭墙做如下改进工程。1、施工A闭前，必须在A闭施工位置进行掏槽，掏槽深度不得低于1m。2、A闭外侧砌筑1道垛子，厚度为0.5m，高度为1.5m。3、扩修队在A闭完成后，在闭外另外施工滤水垛。具体施工为：紧贴闭墙施工35米沙袋垛，沙袋垛外纵向复大板，然后再横向采用6分钢丝绳对木板进行固定，钢丝绳两端采用帮锚杆固定、倒正丝拉紧。、运输顺槽侧密闭墙（B闭）施工要求：自底板起向上，每隔0.5m留1条3寸管，使好截门，以便泻水；在闭墙顶端留0.5m0.5m的观测口，并留足堵口材料，当灰浆要溢出时把口堵上。在闭外低洼处挖好1m（长）1m（宽）1m（深）的泄水池，并安装排水泵。、粉煤灰充填：注