葛亭煤礦0.9Mta新井設(shè)計(jì)含5張CAD圖-采礦工程.zip

葛亭煤礦0.9Mta新井設(shè)計(jì)含5張CAD圖-采礦工程.zip,煤礦,0.9,Mta,設(shè)計(jì),CAD,采礦工程 沿空留巷技術(shù)研究 摘要：隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，中國(guó)的煤炭工業(yè)發(fā)展迅速，特別是近些年來(lái)煤炭工業(yè)的管理模式和建設(shè)技術(shù)都有了顯著的進(jìn)步，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。沿空留巷技術(shù)是煤礦開(kāi)采工作面運(yùn)輸巷在回采過(guò)程中保留原巷道完整性，并作為下一個(gè)采面回風(fēng)及運(yùn)料巷的一種施工方法。采用沿空留巷技術(shù)，可以節(jié)省資源，加快煤礦開(kāi)采的進(jìn)度。目前來(lái)看，雖然我國(guó)煤炭工業(yè)建設(shè)技術(shù)明顯有所提高、相關(guān)設(shè)備也有了一定程度的改進(jìn)，但在煤礦開(kāi)采巷道的技術(shù)選擇和維護(hù)上仍存在著一些問(wèn)題，如果處理不好，將會(huì)嚴(yán)重影響職工的生命安全和煤炭工業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。本文將對(duì)沿空留巷技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行深入的探析，并在此基礎(chǔ)上提出一些該技術(shù)施工工藝及留巷支護(hù)方式，以期為我國(guó)煤礦生產(chǎn)提供一些參考。 關(guān)鍵詞：沿空留巷技術(shù) 尾巷 錨注支護(hù)探討 1 問(wèn)題的提出 為了回收傳統(tǒng)采礦方式中留設(shè)的保安煤柱。采用一定的技術(shù)手段將上一區(qū)段的順槽重新支護(hù)留給下一個(gè)區(qū)段使用。這種留巷的做法是沿著采空區(qū)邊緣在原順槽位置保留就稱為沿空留巷。沿空留巷可以最大限度回收資源。避免煤體損失。 2 國(guó)內(nèi)外沿空留巷現(xiàn)狀 2.1國(guó)外現(xiàn)狀 上世紀(jì)60年代英國(guó)、德國(guó)開(kāi)始采用。這些發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視這種一次性能源的開(kāi)采。分別采用前進(jìn)式和后退式的工作面沿空留巷方法以實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開(kāi)采?，F(xiàn)在基本普及無(wú)煤柱開(kāi)采。國(guó)外目前主要以無(wú)機(jī)有機(jī)混合結(jié)構(gòu)形式結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)骨架實(shí)施沿空留巷隔墻。我國(guó)上世紀(jì)70年代引進(jìn)使用，那時(shí)候因?yàn)榻?jīng)濟(jì)基礎(chǔ)等因素影響，所采用的方法都沒(méi)有廣泛適應(yīng)性。后期出現(xiàn)的“高水材料”成本過(guò)高、強(qiáng)度和耐久性不足、特別是沒(méi)有掌握礦山壓力規(guī)律，從根本上扭轉(zhuǎn)巷道維護(hù)困難的局面而沒(méi)有得到推廣。 世界一些主要產(chǎn)煤國(guó)家對(duì)沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)、適用條件、合理支護(hù)形式及新型支護(hù)材料等都進(jìn)行了大量研究，在這方面做得較多的是前蘇聯(lián)、德國(guó)、英國(guó)、波蘭等國(guó)家。 前蘇聯(lián)在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)許多專門(mén)為沿空留巷設(shè)計(jì)的支架進(jìn)行了試驗(yàn)，并結(jié)合理論分析和實(shí)驗(yàn)室研究進(jìn)行了各種實(shí)測(cè)工作，據(jù)報(bào)導(dǎo)，至1993年，俄羅斯無(wú)煤柱開(kāi)采產(chǎn)量占80%，對(duì)不同礦區(qū)變動(dòng)在60%～90%之間，在各種無(wú)煤柱護(hù)巷方式中，應(yīng)用最廣的是沿空留巷，占65%。 德國(guó)無(wú)煤柱開(kāi)采多為沿空留巷，其傳統(tǒng)的巷旁支護(hù)多采用木垛、矸石帶等，60年代末德國(guó)根據(jù)本國(guó)資源特點(diǎn)，研究成功了采用石膏、飛灰加硅酸鹽水泥、矸石加膠結(jié)料等低水材料作為巷旁充填，有效地減少了重型支架和巷道的變形，從而實(shí)現(xiàn)14～18 m2斷面巷道第二次利用，且不需修理，取得了良好經(jīng)濟(jì)效益。目前，該國(guó)有1/2～2/3的沿空留巷采用這項(xiàng)技術(shù)[14~15]。而且，德國(guó)在埋深800～1000 m的煤層開(kāi)采中成功地運(yùn)用了沿空留巷技術(shù)，并通過(guò)實(shí)測(cè)得出了預(yù)計(jì)留巷移近量的經(jīng)驗(yàn)公式。 英國(guó)煤層普遍較薄，多用沿空留巷，巷旁支護(hù)多采用矸石帶，并研制出了矸石帶機(jī)械化砌筑裝置。同時(shí)，在提高矸石帶強(qiáng)度方面進(jìn)行了不少探索，研制成功不同膠結(jié)物的膠結(jié)矸石帶。1979年在井下試驗(yàn)成功了高水材料巷旁充填，隨后有了迅速的發(fā)展，高水材料充填己占全英巷旁充填的90%左右。 波蘭無(wú)煤柱開(kāi)采應(yīng)用較多的是沿空留巷，在前進(jìn)式或后退式采煤時(shí)都用單巷準(zhǔn)備，沿空留巷應(yīng)用于走向開(kāi)采或傾斜開(kāi)采根據(jù)備件而定。沿空留巷一般巷內(nèi)支護(hù)采用金屬可縮性支架，巷旁支護(hù)使用充填帶、矸石帶或混凝土墩柱等。 2.2我國(guó)現(xiàn)狀 我國(guó)沿空留巷發(fā)展始于20世紀(jì)50年代，首先在一些薄煤層開(kāi)采中用矸石帶代替煤柱作為巷旁支護(hù)用，如淄博、雞西、本溪、雙鴨山、棗莊、峰峰等礦區(qū)薄煤層中都有應(yīng)用。但由于矸石的沉縮量大，不能與巷內(nèi)支架相匹配，使得巷內(nèi)支架變形嚴(yán)重，維護(hù)工作量大，并沒(méi)有形成完整和系統(tǒng)的無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)體系。 20世紀(jì)60、70年代在中厚煤層應(yīng)用密集支柱、木垛、砌塊等作為巷旁支護(hù)取得一定成效，但這些方法又各有優(yōu)缺點(diǎn)。例如，平頂山一礦在丁組中厚煤層，沿空留巷采用密集支柱及抬棚作巷旁支護(hù)，巷內(nèi)支架應(yīng)用工字鋼打立柱加強(qiáng)支護(hù)試驗(yàn)取得成功。此階段沿空留巷的研究是以實(shí)測(cè)為基礎(chǔ)的宏觀規(guī)律描述階段，主要是在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沿空留巷圍巖變形，支架載荷和與回采工作面距離關(guān)系的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)測(cè)曲線從宏觀角度描述具體地質(zhì)條件下沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。該階段的主要成果是，比較正確地描述了沿空留巷的若干礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，總結(jié)出了當(dāng)時(shí)在頂板中等穩(wěn)定、底鼓不嚴(yán)重的薄及中厚水平煤層及緩斜煤層條件適用的沿空留巷開(kāi)采技術(shù)。其缺陷是，尚不能正確預(yù)測(cè)不同地質(zhì)條件下沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)特征，當(dāng)條件改變時(shí)，就需要重新試驗(yàn)，形成了試而再試的經(jīng)驗(yàn)研究模式，使沿空留巷中的很多基本問(wèn)題都未得到解決 。 在20世紀(jì)80年代，隨著我國(guó)煤礦大力推行綜合機(jī)械化采煤后，隨著采高不斷增大、工作面推進(jìn)加快、巷道頂?shù)滓平吭龃?，我?guó)煤礦工作者在引進(jìn)、吸收國(guó)外的巷旁充填技術(shù)的同時(shí)，發(fā)展了高水巷旁充填護(hù)巷技術(shù)。但高水充填材料強(qiáng)度低、強(qiáng)度增加慢、易風(fēng)化碎裂，墻體難以承受采動(dòng)引起的動(dòng)壓影響，巷道難以維護(hù)。高水充填材料的性能差加之充填速度無(wú)法緊跟快速推進(jìn)的工作面，不能實(shí)現(xiàn)與高產(chǎn)工作面同步推進(jìn)，因此，此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用受到了很大的制約。 從20世紀(jì)90年代淮南礦業(yè)集團(tuán)為了治理瓦斯，堅(jiān)持實(shí)施科學(xué)創(chuàng)新開(kāi)采。在袁亮院士帶領(lǐng)下，淮南在實(shí)現(xiàn)充填材料更新、充填工藝及裝備機(jī)械化的基礎(chǔ)上，成功的采用沿空留巷，實(shí)現(xiàn)了煤與瓦斯同采。在較好的解決了回采工作面推進(jìn)上隅角瓦斯積聚以及在高應(yīng)力區(qū)掘巷引發(fā)的瓦斯突出和瓦斯爆炸事故的同時(shí)，把沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采推進(jìn)到了一個(gè)新的發(fā)展階段。實(shí)踐證明，無(wú)煤柱開(kāi)采方案實(shí)踐可有效地控制瓦斯爆炸、沖擊地壓等相關(guān)事故的發(fā)生。通過(guò)對(duì)巖層運(yùn)動(dòng)和礦山壓力發(fā)展變化規(guī)律的研究，正確的進(jìn)行巷道礦壓控制設(shè)計(jì)以及解決好巷道掘進(jìn)和維護(hù)期間老塘透風(fēng)問(wèn)題，完全能夠控制原煤柱護(hù)巷方案產(chǎn)生的重大事故。在掌握了沿空留巷的內(nèi)在本質(zhì)的基礎(chǔ)上，西安科技大學(xué)惠興田課題組認(rèn)真分析近年沿空留巷研究成果。專注于及時(shí)和高強(qiáng)兩方面兼顧上上下功夫。在此基礎(chǔ)上研究并發(fā)明了封閉模鑄砌體結(jié)構(gòu)。這種隔墻技術(shù)由于采用預(yù)制混凝土技術(shù)作為隔墻高強(qiáng)內(nèi)核使得隔離墻具有早期高強(qiáng)度，以注漿技術(shù)的密閉和充填性作為支護(hù)的及時(shí)性可以保證砌體墻體既有嚴(yán)密的封閉性又能夠及時(shí)貼頂支護(hù)。這種技術(shù)一次解決了現(xiàn)有混凝土隔墻技術(shù)無(wú)法解決的及時(shí)性和高強(qiáng)度問(wèn)題。而且成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一般泵送混凝土的成本。對(duì)沿空留巷具有代表意義的專利技術(shù)：發(fā)明3項(xiàng)：一種剛?cè)釓?fù)合結(jié)構(gòu)模板及其沿空留巷隔墻施工方法；可變彈性接頂模板及其施工方法；用于沿空留巷的綜合一體機(jī)及其施工方法。實(shí)用新型2項(xiàng)：一種沿空留巷砌筑隔離墻使用的復(fù)合模板；一種變形內(nèi)胎模板。 20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)有些學(xué)者在厚煤層綜放工作面進(jìn)行了一些沿空留巷研究，如潞安礦務(wù)局常村煤礦綜放工作面，巷內(nèi)采用錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，巷旁支護(hù)采用高水材料充填加空間錨栓加固技術(shù)，成功地進(jìn)行了綜放大斷面沿空留巷試驗(yàn)。 對(duì)我國(guó)五十年代以來(lái)的沿空留巷成果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論： （1）在回采工作面后方附近，由于裂隙帶巖層取得平衡之前的急劇沉降，引起巷道頂板在短期內(nèi)劇烈下沉。一般情況下，沿空巷道頂板下沉速度工作面后方10~20 m 處最大，工作面附近沿空留巷維護(hù)比較困難。 （2）隨著煤層厚度的增加，巷內(nèi)支護(hù)可以選用錨桿支護(hù)，但最好配合使用工字鋼或U型鋼可縮性支架進(jìn)行支護(hù)，因?yàn)橄飪?nèi)支架對(duì)巷旁充填體的穩(wěn)定性有一定的保護(hù)作用。 （3）沿空巷道的頂板往往明顯向采空區(qū)方向傾斜，傾角一般為3°～6°。如果直接頂冒落能夠填滿采空區(qū)，則老頂處于平衡狀態(tài)，采動(dòng)期間沿空留巷的頂板下沉量與煤層采厚成正比關(guān)系，一般為采高的10%~20%，基本上屬于“給定變形”。 （4）當(dāng)煤層厚度小于3.0 m 時(shí)，沿空留巷效果較為理想的巷道一般直接頂巖性為頁(yè)巖、泥巖、砂質(zhì)頁(yè)巖等巖層，而且直接頂厚度較大，巷旁支護(hù)方式普遍采用整體澆筑式充填帶維護(hù)巷道，留巷效果理想。 （5）如煤層上部覆蓋自身不能平衡的堅(jiān)硬巖層，則需設(shè)置強(qiáng)力的切頂支架，甚至人工挑頂，為老頂平衡創(chuàng)造條件。否則，沿空留巷的頂板下沉量可能顯著增加，甚至沿煤幫切頂。 2.2.1無(wú)煤柱開(kāi)采意義 減少巷道掘進(jìn)量，緩解接續(xù)緊張；節(jié)約掘進(jìn)費(fèi)用，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益；煤炭全部回收，延長(zhǎng)礦井壽命，提高社會(huì)效益。 上世紀(jì)沿空留巷技術(shù)方案缺陷阻礙了該項(xiàng)技術(shù)實(shí)施近十年混凝土技術(shù)的成熟為沿空留巷打下良好基礎(chǔ)。 戰(zhàn)略意義：開(kāi)發(fā)煤炭資源；提高煤炭回收率 　　推行無(wú)煤柱開(kāi)采，不僅對(duì)生產(chǎn)礦井進(jìn)行技術(shù)改造、緩和采掘關(guān)系和延長(zhǎng)礦井壽命具有現(xiàn)實(shí)意義，而且也是使煤炭企業(yè)改善安全條件和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，增產(chǎn)、增盈減虧的主要途徑之一。 　　根據(jù)我國(guó)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和當(dāng)前的技術(shù)水平，目前推行的無(wú)煤柱開(kāi)采護(hù)巷分為沿空留巷、沿空掘巷、跨采和預(yù)采無(wú)煤柱護(hù)巷以及在采空區(qū)內(nèi)形成巷道四種形式，其中沿空留巷這種無(wú)煤柱護(hù)巷方式如果實(shí)施技術(shù)方案合理的話在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上有更多優(yōu)越性，具有廣泛意義，因而對(duì)于條件適合的礦井都應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用。 2.2.2無(wú)煤柱采礦經(jīng)歷 上世紀(jì)60年代世界一些主要產(chǎn)煤國(guó)家為了達(dá)到少掘巷道、增加煤炭資源回收率、增加生產(chǎn)的連續(xù)性和提高礦井的經(jīng)濟(jì)效益目的，而采用往復(fù)式“Z”形開(kāi)采，前進(jìn)式和后退式的工作面沿空留巷方法以實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開(kāi)采。對(duì)沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)、適用條件、合理支護(hù)形式及新型支護(hù)材料等都進(jìn)行了大量研究。在這方面做得較多的是前蘇聯(lián)、德國(guó)、英國(guó)、波蘭等國(guó)家。這些發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視這種一次性能源的開(kāi)采。現(xiàn)在基本普及無(wú)煤柱開(kāi)采。國(guó)外目前主要以無(wú)機(jī)有機(jī)混合結(jié)構(gòu)形式結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)骨架實(shí)施沿空留巷隔墻。我國(guó)上世紀(jì)70年代引進(jìn)使用，那時(shí)候因?yàn)榻?jīng)濟(jì)基礎(chǔ)等因素影響，所采用的方法都沒(méi)有廣泛適應(yīng)性。后期出現(xiàn)的“高水材料”成本過(guò)高、強(qiáng)度和耐久性不足、特別是沒(méi)有掌握礦山壓力規(guī)律，從根本上扭轉(zhuǎn)巷道維護(hù)困難的局面而沒(méi)有得到推廣。我國(guó)從薄煤層到厚煤層，從緩傾斜煤層到急傾斜煤層，都已有沿空留巷的成功經(jīng)驗(yàn)。但是，在沿空留巷研究與應(yīng)用中仍存在著不足之處，使得一些礦井在應(yīng)用沿空留巷技術(shù)中沒(méi)有取得預(yù)期的效果，并限制了沿空留巷技術(shù)在我國(guó)更廣泛的推廣。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，我國(guó)一些礦區(qū)在沿空留巷方面取得了可喜成績(jī)。一些礦井取得了非常客觀的經(jīng)濟(jì)效益。沿空留巷技術(shù)正處在一個(gè)急速起步的黃金時(shí)代。 2.2.3存在問(wèn)題 盡管無(wú)煤柱開(kāi)采已被公認(rèn)為是一種先進(jìn)的技術(shù)，具有一系列優(yōu)點(diǎn)，而且我國(guó)從薄 煤層到厚煤層，從緩傾斜煤層到急傾斜煤層，都已有沿空留巷的成功經(jīng)驗(yàn)，但它本身還是一項(xiàng)正在發(fā)展的技術(shù)，在研究與應(yīng)用中仍存在著諸多不足之處，由于巷道變形難以控制、充填工藝與工作面的快速推進(jìn)不匹配等問(wèn)題，導(dǎo)致沿空留巷應(yīng)用范圍呈現(xiàn)逐漸萎縮的趨勢(shì)。 在目前的技術(shù)水平下，沿空留巷的成敗在很大程度上取決于煤層開(kāi)采條件和頂板 條件，我國(guó)幅員遼闊，煤層賦存條件多樣，煤層賦存條件的不同必然導(dǎo)致沿空留巷圍 巖活動(dòng)規(guī)律、礦壓顯現(xiàn)特征各異。目前，結(jié)合不同頂板條件，對(duì)沿空留巷圍巖活動(dòng)規(guī) 律的共性與區(qū)別研究尚不夠深入，制約著沿空留巷技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。 (1) 直接頂厚度對(duì)采場(chǎng)頂板破斷及結(jié)構(gòu)位態(tài)的影響研究不夠。采場(chǎng)老頂?shù)幕顒?dòng)規(guī) 律特別是側(cè)向頂板的結(jié)構(gòu)及活動(dòng)規(guī)律對(duì)沿空留巷巷道圍巖變形影響最為顯著，沿空留 巷充填體和巷道圍巖共同作用下對(duì)老頂斷裂線位置的影響研究尚不夠深入，不同頂板 賦存留巷礦壓顯現(xiàn)的差異性表明需結(jié)合頂板賦存條件特別是直接頂厚度進(jìn)行研究。 (2) 不同頂板賦存條件下的巷旁支承壓力分布特征及留巷充填體的承載性能研究 不足。對(duì)充填體支護(hù)阻力的設(shè)計(jì)通常是不分頂板條件統(tǒng)一考慮的，而現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及實(shí)驗(yàn) 室實(shí)驗(yàn)表明，頂板條件不同沿空留巷巷旁支護(hù)阻力是不同的，應(yīng)對(duì)不同頂板條件下支 護(hù)阻力分類計(jì)算才能有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。 (3) 充填區(qū)域頂板承載性能研究不夠深入。以前研究多側(cè)重巷旁充填體支護(hù)阻力、 頂板破斷規(guī)律，對(duì)沿空留巷充填區(qū)域頂板承載性能、載荷傳遞特征、與墻體剛度的匹 配性研究不多，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，充填區(qū)域頂板承載性能是能否形成頂、墻、底承載 體的關(guān)鍵，是決定沿空留巷能否成功的關(guān)鍵因素之一。 (4) 不同頂板賦存條件下圍巖應(yīng)力演化過(guò)程研究較薄弱。以前對(duì)沿空留巷圍巖應(yīng) 力演化規(guī)律研究較少，部分研究也是采用二維數(shù)值計(jì)算的研究手段，而沿空留巷是三維問(wèn)題，二維模擬顯然不能反映實(shí)際的應(yīng)力演化規(guī)律，需采用三維數(shù)值計(jì)算、實(shí)驗(yàn)室 實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的綜合研究手段才能反映巷道掘進(jìn)、采動(dòng)、穩(wěn)定過(guò)程中圍巖應(yīng)力動(dòng)態(tài) 發(fā)展與演化規(guī)律。 (5) 適應(yīng)留巷動(dòng)壓的合理支護(hù)形式問(wèn)題仍沒(méi)有得到完全解決。傳統(tǒng)的棚式支護(hù)體 系越來(lái)越不適應(yīng)巷道支護(hù)和安全生產(chǎn)的需求，即使加大型鋼重量、減小棚距仍難以維 護(hù)所留巷道的穩(wěn)定，很多復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層巷道在第一個(gè)工作面超前采動(dòng)影響時(shí)即 發(fā)生強(qiáng)烈變形、支架折損嚴(yán)重，不具備留巷的條件。德國(guó)采用大斷面重型U型鋼支護(hù)和壁后充填技術(shù)實(shí)現(xiàn)沿空留巷，噸煤成本超過(guò) 1000 元，基本依賴于政府補(bǔ)貼來(lái)維持煤炭生產(chǎn)，而我國(guó)煤炭是主導(dǎo)能源，不可能采用高成本支護(hù)。普通錨桿支護(hù)技術(shù)體系僅能滿足掘巷階段和本工作面超前回采階段的需求，根本無(wú)法適應(yīng)進(jìn)一步的滯后采動(dòng)影響，因此，針對(duì)沿空留巷的特點(diǎn)，研究適宜我國(guó)國(guó)情的煤巷支護(hù)技術(shù)已成為沿空留巷的迫切要求。 開(kāi)采條件的復(fù)雜多樣性要求進(jìn)一步深入研究沿空留巷的相關(guān)規(guī)律，從不同的角度 深化對(duì)留巷圍巖活動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，論文將通過(guò)理論分析、數(shù)值計(jì)算、物理模擬及工業(yè) 性試驗(yàn)等綜合手段來(lái)系統(tǒng)的研究基于直接頂賦存特點(diǎn)的三種典型條件下沿空留巷頂 板垮落規(guī)律、巷旁充填體支護(hù)阻力、圍巖應(yīng)力演化規(guī)律，形成科學(xué)的留巷控制思路和 合理的留巷支護(hù)技術(shù)體系。 3 沿空留巷頂板結(jié)構(gòu)分析 沿空留巷是一類特殊的回采巷道，受強(qiáng)烈的上覆巖層活動(dòng)全過(guò)程影響，特別是滯后采動(dòng)壓力影響時(shí)間長(zhǎng)，附加采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)大，圍巖破壞范圍大，巷道難以穩(wěn)定。研究沿空留巷頂板活動(dòng)規(guī)律必然要和采場(chǎng)覆巖破斷規(guī)律相結(jié)合，采場(chǎng)基本頂側(cè)向頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律決定著沿空留巷圍巖的活動(dòng)規(guī)律。本章在分析采場(chǎng)基本頂側(cè)向結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵塊體的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，揭示了采場(chǎng)側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)對(duì)沿空留巷的影響，并對(duì)影響留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析。由于不同條件沿空留巷礦壓規(guī)律的顯現(xiàn)特征各異，因此，本章在對(duì)典型留巷頂板賦存條件分析歸類的基礎(chǔ)上，對(duì)不同頂板條件下沿空留巷充填體支護(hù)阻力進(jìn)行了分析計(jì)算。 3.1采場(chǎng)基本頂側(cè)向結(jié)構(gòu)分析 3.1.1采場(chǎng)側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)的基本特征 采場(chǎng)上覆巖層的活動(dòng)、特別是側(cè)向頂板巖層的破斷是引發(fā)沿空留巷巷道壓力強(qiáng)烈和變形劇烈的主要原因，研究留巷首先應(yīng)該對(duì)側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與破斷規(guī)律有所認(rèn)識(shí)。 在研究沿空留巷側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性時(shí)，應(yīng)用關(guān)鍵層理論的基本原理和方法是適宜的，對(duì)沿空留巷影響最大的關(guān)鍵層主要是基本頂，因此，我們僅研究基本頂斷裂、運(yùn)動(dòng)、穩(wěn)定對(duì)沿空留巷支護(hù)圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。由于工作面的回采，采空區(qū)上覆巖層垮落，基本頂初次來(lái)壓形成“O-X”破斷，周期來(lái)壓即基本頂周期破斷后的巖塊沿工作面走向方向形成砌體梁結(jié)構(gòu)，在工作面端頭破斷形成弧形三角塊。沿空留巷時(shí)，基本頂破斷形態(tài)如圖 3.1.1 所示。 圖 3.1.1 沿空留巷基本頂破斷的基本形態(tài) 取垂直于工作面推進(jìn)方向的剖面，工作面回采后采空側(cè)上覆巖體的斷裂如圖 2-2所示。工作面推過(guò)后，隨著煤層的采出，直接頂巖層隨之發(fā)生不規(guī)則或規(guī)則的垮落下沉，最終與其上位的基本頂巖層發(fā)生離層?；卷攷r層在直接頂垮落后，發(fā)生斷裂、回轉(zhuǎn)或彎曲下沉，直至在采空側(cè)形成如圖3.1.2 中所示的巖體A、塊體B、塊體C 組成的鉸接結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與采空區(qū)充滿程度及基本頂巖層的斷裂參數(shù)密切相關(guān)。上覆巖體垮落穩(wěn)定后，沿空留巷位于塊體B的邊緣或下方，由此可見(jiàn)，塊體B對(duì)于沿空留巷上覆巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定非常重要。 圖 3.1.2 沿空留巷側(cè)向頂板破斷規(guī)律 3.1.2采場(chǎng)側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析 3.1.2.1頂板結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵塊體的確定 沿空留巷上覆巖體結(jié)構(gòu)的形成與直接頂、基本頂二者的性質(zhì)、厚度以及采高相關(guān)，結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵塊體B主要包括三個(gè)基本尺寸：基本頂巖層在側(cè)向的斷裂跨度 l、塊體沿工作面推進(jìn)方向的長(zhǎng)度L和塊體的厚度h，以及塊體的斷裂位置，關(guān)鍵塊體B的基本尺寸通過(guò)基本頂巖層在周期來(lái)壓時(shí)的斷裂模式和周期來(lái)壓步距確定。 （1）L 的確定 關(guān)鍵塊體B沿工作面推進(jìn)方向的長(zhǎng)度L即為基本頂周期來(lái)壓時(shí)的步距，其值可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)或理論計(jì)算獲得。 （2）l的確定 關(guān)鍵塊體B在側(cè)向的斷裂跨度l是指隨著煤層的采出，基本頂巖層斷裂后在采場(chǎng)側(cè)向形成的懸跨度，根據(jù)板的屈服線分析法，認(rèn)為板的斷裂跨度l與工作面長(zhǎng)度S和基本頂?shù)闹芷趤?lái)壓步距L相關(guān)，l的長(zhǎng)度可用下式進(jìn)行計(jì)算： 根據(jù)研究，當(dāng)S/L>6時(shí)，周期來(lái)壓時(shí)的側(cè)向跨度與周期來(lái)壓步距基本相等?；卷斨芷趤?lái)壓步距一般為10~20 m左右，工作面的長(zhǎng)度S一般為120~250 m，即S/L約為6~12。故一般可以認(rèn)為，長(zhǎng)壁開(kāi)采基本頂?shù)膫?cè)向斷裂跨度與基本頂周期來(lái)壓步距近似相等，即 L=l。 （3）h的確定 關(guān)鍵塊體B的厚度h即為基本頂巖層的厚度。 （4）斷裂位置 基本頂巖層的斷裂位置在沿空留巷上覆巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究中，是一個(gè)很重要的參數(shù)，它對(duì)煤體中的垂直應(yīng)力分布規(guī)律、沿空留巷的合理位置確定及巷道外部力學(xué)環(huán)境的演化均有很大的影響。影響基本頂巖層斷裂位置的因素很多，主要有采深、原巖應(yīng)力狀態(tài)、煤層厚度及性質(zhì)、直接頂厚度及性質(zhì)、基本頂巖層厚度及性質(zhì)、采高等。通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬研究了基本頂在側(cè)向煤壁內(nèi)的斷裂位置及影響因素，認(rèn)為對(duì)基本頂斷裂位置影響大的順序依次為：直接頂厚度>直接頂?shù)牧W(xué)性質(zhì)>基本頂?shù)暮穸?煤層的力學(xué)性質(zhì)。其中前兩個(gè)因素對(duì)斷裂位置的影響遠(yuǎn)大于后兩個(gè)因素的影響。 3.1.2.2側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析 沿空留巷在本工作面回采時(shí)，側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生破斷、失穩(wěn)，其過(guò)程可歸結(jié)為： 1) 老頂巖層破斷后，塊體B將在回轉(zhuǎn)力矩的作用下向本工作面回轉(zhuǎn)下沉，進(jìn)而破壞了工作面前方頂板結(jié)構(gòu)原有的平衡狀態(tài)，側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)中的塊體C和關(guān)鍵塊體B處于運(yùn)動(dòng)和不穩(wěn)定狀態(tài)，從而引發(fā)塊體B的一定下沉，在工作面后方形成較高的支承壓力。如圖3.1.2所示。 2) 上覆巖體結(jié)構(gòu)在較高支承壓力的作用下，塊體B將有一定的回轉(zhuǎn)下沉。側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)的這種運(yùn)動(dòng)和不穩(wěn)定狀態(tài)將造成沿空留巷圍巖應(yīng)力的再次重新分布和集中，其影響程度遠(yuǎn)大于工作面前方圍巖應(yīng)力的重新分布和集中。 3）采場(chǎng)側(cè)向結(jié)構(gòu)造成的強(qiáng)烈支承壓力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致相對(duì)軟弱的留巷支護(hù)圍巖結(jié)構(gòu)發(fā)生大范圍變形破壞，同時(shí)這種附加采動(dòng)支承壓力的不均勻性使得巷道頂板、底板、實(shí)體煤幫及充填體在變形方式和變形量上存在較大的差異。 4) 上覆巖體側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)從破斷時(shí)起，直到工作面后方圍巖活動(dòng)趨于穩(wěn)定，由于各塊體間的支承條件并沒(méi)有改變，故仍會(huì)保持隨機(jī)的平衡狀態(tài)，不同的是塊體間的受力情況發(fā)生了一定的變化。因此，在本工作面推過(guò)后，側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不會(huì)受到根本的改變，因而只要巷道支護(hù)合理，巷道錨桿支護(hù)與圍巖形成的支護(hù)圍巖結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，巷道就不會(huì)受到破壞，側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定平衡狀態(tài)只有在下一工作面推過(guò)后才會(huì)被打破，進(jìn)而發(fā)生失穩(wěn)，造成巷道的徹底破壞。 理論研究表明，側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)即關(guān)鍵塊體B的結(jié)構(gòu)具有自穩(wěn)性能。在垂直方向，關(guān)鍵塊體受到充填體和冒落矸石的支撐力之和，大于關(guān)鍵塊體與上覆軟弱巖層的重量、前后兩塊體C對(duì)塊體B的剪切力之和，塊體B不需要塊體A對(duì)其向上的作用力即能保持平衡，計(jì)算結(jié)果表明關(guān)鍵塊體不會(huì)發(fā)生滑落失穩(wěn)。關(guān)鍵塊體B與塊體A、塊體C之間的水平推力較小，塊體B不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)。顯然此時(shí)關(guān)鍵塊體B是穩(wěn)定的，因此沿空留巷側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)在工作面回采結(jié)束，上覆巖體垮落穩(wěn)定后是自穩(wěn)的。 3.2沿空留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)分析 3.2.1沿空留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)的概念及特征 沿空留巷的穩(wěn)定不僅取決于巷道外部的力學(xué)環(huán)境，還與巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性相關(guān)。采用錨桿為基礎(chǔ)的留巷支護(hù)技術(shù)體系主要是通過(guò)在巷道圍巖中布置錨桿，使錨桿索、輔助構(gòu)件及其錨固范圍內(nèi)的圍巖形成一個(gè)整體承載結(jié)構(gòu)，通過(guò)該結(jié)構(gòu)良好的承載性能和對(duì)其外部圍巖變形的適應(yīng)性，充分發(fā)揮較深部圍巖的自承能力，從而保證巷道的穩(wěn)定性。相對(duì)于沿空留巷上覆巖體的結(jié)構(gòu)而言，這個(gè)由巷旁充填墻體、巷道周圍錨桿組合支護(hù)與圍巖形成的承載結(jié)構(gòu)稱為留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)。 留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)由巷道頂板錨固結(jié)構(gòu)、底板無(wú)錨巖體結(jié)構(gòu)、實(shí)體煤幫錨固結(jié)構(gòu)和充填墻體組成。大量的工程實(shí)踐表明，留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和破壞存在明顯的非均衡現(xiàn)象，在留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞過(guò)程中，相對(duì)薄弱的部分將對(duì)留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定起到關(guān)鍵作用。在沿空留巷條件下，由于留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)中各部分受工作面采動(dòng)影響時(shí)變形破壞的程度不同、錨桿加固效果存在差異、應(yīng)力環(huán)境各不相同。留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性取決于各組成結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及各結(jié)構(gòu)間的相互影響關(guān)系。當(dāng)巷道底板較軟弱時(shí)，底鼓嚴(yán)重，進(jìn)而會(huì)造成巷道兩幫的大變形；當(dāng)煤體較軟弱時(shí)，幫部的大變形將導(dǎo)致巷道空間不足、頂板嚴(yán)重下沉，同時(shí)由于底板集中應(yīng)力分布的不均衡性，軟弱底板的鼓起也是不對(duì)稱的。 留巷圍巖穩(wěn)定性與采場(chǎng)側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)的位態(tài)有很大關(guān)系，采場(chǎng)側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時(shí)，傳遞到留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力是一定的，留巷結(jié)構(gòu)容易保持穩(wěn)定；采場(chǎng)側(cè)向頂板回轉(zhuǎn)或下沉?xí)r，將造成留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈動(dòng)壓影響和大變形，留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)不易穩(wěn)定。留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)客觀上受采場(chǎng)側(cè)向巖體賦存條件、結(jié)構(gòu)特征及二次應(yīng)力分布等因素制約，具有顯著的不均衡性。支護(hù)結(jié)構(gòu)需適應(yīng)強(qiáng)烈的采動(dòng)影響，防止留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)失效是留巷圍巖控制的根本，這就需要支護(hù)結(jié)構(gòu)具有雙重性。一方面，留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)要有較大的承載能力，對(duì)其外部圍巖可以起到“支”的作用。留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)由錨桿及其錨固范圍內(nèi)的圍巖組成，由于錨桿對(duì)圍巖的強(qiáng)度強(qiáng)化作用，相當(dāng)于提高了巷道周圍錨固區(qū)的整體強(qiáng)度，因此，圍巖結(jié)構(gòu)的承載能力得到了較大的提升。另一方面，留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖應(yīng)力要有良好的適應(yīng)性，可以起到“讓”的作用。在錨桿支護(hù)實(shí)踐中，巷道發(fā)生大變形而不破壞的例子很多，其根本的原因在于錨桿及其錨固范圍內(nèi)的圍巖向巷道。 內(nèi)移近而不破壞，使巷道圍巖應(yīng)力重新分布，將支護(hù)體上的壓力向其外部圍巖轉(zhuǎn)移，避免支護(hù)體的破壞，起到一定“讓”的作用。 3.2.2沿空留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素分析 由于層狀圍巖賦存的不均勻性，留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形與破壞也呈現(xiàn)非均勻的特點(diǎn)，并可能因某一部分發(fā)生顯著變形破壞而導(dǎo)致留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)。根據(jù)沿空留巷的特點(diǎn)和對(duì)采場(chǎng)側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)的分析，認(rèn)為影響留巷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵因素主要有以下幾點(diǎn)： 1) 留巷頂板的承載性能 留巷頂板包括三部分，即巷內(nèi)頂板、充填區(qū)域頂板和實(shí)體煤頂板，每部分頂板均對(duì)留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有重要影響。超前采動(dòng)影響時(shí)，頂板基本能保持完整。滯后采動(dòng)應(yīng)力遠(yuǎn)大于超前采動(dòng)應(yīng)力，滯后采動(dòng)應(yīng)力作用于實(shí)體煤頂板，導(dǎo)致頂板明顯下沉，實(shí)體煤幫在強(qiáng)烈的垂直應(yīng)力作用下發(fā)生大范圍松散破壞，從而加劇了留巷頂板的下沉。部分頂板甚至在此強(qiáng)烈動(dòng)壓作用下失穩(wěn)垮冒。因此，通過(guò)合理的支護(hù)方式，保持留巷頂板的完整性是首要之所在。 充填區(qū)域頂板的承載性能也很重要。如果頂板比較破碎，漏冒嚴(yán)重，充填體不能將支撐阻力傳遞給直接頂，導(dǎo)致老頂回轉(zhuǎn)下沉量加大，因而造成巷道頂板和巷道煤幫嚴(yán)重破壞，則沿空留巷難以成功。 2) 充填體的承載性能 充填體作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要組成部分，是巷道圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵之一。充填體承載性能應(yīng)與煤體、頂?shù)装宄休d能力相協(xié)調(diào)。若充填體強(qiáng)度不足，則易在強(qiáng)烈的滯后采動(dòng)應(yīng)力作用下發(fā)生變形破壞，從而使巷道頂板的承載作用降低，進(jìn)而導(dǎo)致頂板向充填體側(cè)采空區(qū)下沉破壞，造成留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞。若充填體強(qiáng)度、剛度較大，則巷道頂板可能沿充填體內(nèi)側(cè)切頂，同樣造成頂板下沉嚴(yán)重，圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。充填體剛度非常高時(shí)，充填體將上覆巖層垂直應(yīng)力全部轉(zhuǎn)移到巷道底板，從而將導(dǎo)致嚴(yán)重底鼓。 因此，合理的充填體強(qiáng)度和寬度應(yīng)與留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)其他部分相協(xié)調(diào)。合理的充填體尺寸和強(qiáng)度，將有助于關(guān)鍵塊體盡快穩(wěn)定，并能適應(yīng)其回轉(zhuǎn)下沉。合理的充填體尺寸和強(qiáng)度使其與巷道的實(shí)體煤幫共同承載，改善留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀況，保證留巷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。 3)實(shí)體煤幫的承載能力 在沿空留巷巷道兩幫中，實(shí)體煤幫的變形破壞程度明顯大于充填墻體，而且對(duì)實(shí)體煤幫最為不利的是，因工作面采動(dòng)而產(chǎn)生的垂直應(yīng)力明顯地向巷道實(shí)體煤幫深部和充填墻體上集中，巷道頂板所承受的載荷并不大，實(shí)體煤幫和充填墻體是主要的承載結(jié)構(gòu)，且以實(shí)體煤幫最為明顯。當(dāng)實(shí)體煤幫產(chǎn)生過(guò)大變形時(shí)，將會(huì)造成頂板的傾斜下沉和底板的嚴(yán)重鼓起。因此，重視實(shí)體煤幫的承載問(wèn)題，將對(duì)留巷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定起到很大的作用。 雖然實(shí)體煤幫完整性較好，但其應(yīng)力集中程度是最大的，在掘巷穩(wěn)定期間，煤幫的變形主要由淺部圍巖的變形破壞引起；采動(dòng)應(yīng)力調(diào)整期間，幫部煤體垂直應(yīng)力的集中系數(shù)較大，導(dǎo)致深部圍巖也發(fā)生大范圍變形移近。工程實(shí)踐也發(fā)現(xiàn)，實(shí)體煤幫的破壞隨著垂直應(yīng)力的增加而不斷向深部煤體中擴(kuò)展，常常因過(guò)大的垂直應(yīng)力向巷道內(nèi)強(qiáng)烈內(nèi)移而導(dǎo)致變形失穩(wěn)。因此，重視實(shí)體煤幫的支護(hù)問(wèn)題，將對(duì)沿空留巷圍巖的穩(wěn)定起到很大的作用。通過(guò)合理的錨桿布置加固巷道幫角，既可以強(qiáng)化幫角的圍巖強(qiáng)度，又可以減弱幫角的應(yīng)力集中程度，使幫角的應(yīng)力集中向圍巖較深部轉(zhuǎn)移。 4) 底板的無(wú)約束處理 沿空留巷的底板一般為強(qiáng)度較低的軟弱巖體，巷道掘進(jìn)期間，巷道的圍巖應(yīng)力相對(duì)較低，底板一般能保持穩(wěn)定。采動(dòng)影響時(shí)期，上覆巖體將引起巷道圍巖應(yīng)力的上升，增大的垂直應(yīng)力作用在實(shí)體煤幫、充填體上，并傳遞到底板巖層中。而底板通常處于自由約束狀態(tài)，底板巖層極易發(fā)生鼓起，并導(dǎo)致淺部圍巖中的應(yīng)力卸載并向著較深部圍巖轉(zhuǎn)移。 沿空留巷的圍巖變形實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在巷道頂?shù)装宓南鄬?duì)移近量中，底板的鼓起是十分明顯的，約占到頂?shù)装逡平康?60％～70％左右，造成這一現(xiàn)象的主要原因是圍巖應(yīng)力在巷道幫角的集中程度較高。如果底鼓量過(guò)大，兩幫必將因下沉量過(guò)大而引起破壞，造成巷道圍巖失穩(wěn)。 因此，控制底板的嚴(yán)重鼓起是保持留巷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的又一重要問(wèn)題。目前為止，對(duì)沿空留巷底鼓控制的技術(shù)難題還沒(méi)有得到很好的解決，需進(jìn)一步深化研究，推動(dòng)沿空留巷底鼓控制技術(shù)的進(jìn)步。 3.3 沿空留巷典型條件頂板結(jié)構(gòu)實(shí)例分析 沿空留巷是將已采工作面后方的回采巷道用一定的方法沿采空區(qū)保留下來(lái)，作為下一工作面的回采巷道，應(yīng)用較多的是采用巷旁充填帶的方式進(jìn)行留巷。已有研究表明，頂板條件、煤層條件不同時(shí)，沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)差異很大。在不同的頂板和開(kāi)采煤層條件下，充填墻體的構(gòu)筑及承受的載荷也有相當(dāng)大的差異，因而只有在頂板分類的基礎(chǔ)上研究充填體巷旁支護(hù)阻力才能反映問(wèn)題的實(shí)質(zhì)。 3.3.1 淮南礦業(yè)集團(tuán)顧橋煤礦1115（1）工作面 顧橋煤礦1115(1)工作面位于-780 m水平，北一采區(qū)，工作面標(biāo)高-622～-773.0 m，地面標(biāo)高+23.1～+24.03 m。周圍及上下煤層均未開(kāi)采。走向長(zhǎng)2701.1～2718.7 m，平均2709.9 m，傾斜長(zhǎng)229.4 m，面積621651.06 m2。工作面煤層賦存穩(wěn)定，工作面鉆孔揭露11-2煤層厚度2.5～3.61 m，平均厚度2.94 m，傾角3°～10°，平均5°。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般含 2～3 層炭質(zhì)泥巖夾矸。根據(jù)首采工作面情況分析，受斷層和滑動(dòng)構(gòu)造影響煤層厚度變化較大。11-2煤直接頂為復(fù)合頂板，由砂質(zhì)泥巖、泥巖和 11-3煤層組成，其中薄煤層不穩(wěn)定。部分地段老頂砂巖直接覆蓋在煤層之上。煤巖層綜合柱狀圖如圖 3.1.1所示。 圖3.1.1 顧橋煤礦1115(1)工作面鉆孔柱狀圖 顧橋煤礦1115(1)工作面回風(fēng)平巷直接頂為兩種賦存狀況，一種情況下直接頂由砂質(zhì)泥巖、泥巖和11-3煤層組成，另一種為砂巖直覆頂板。巷道表面位移觀測(cè)結(jié)果表明，頂板賦存條件不同，留巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律區(qū)別較大。工作面前方，復(fù)合頂時(shí)頂?shù)装逡平皂敯逑鲁翞橹?，單一頂時(shí)頂?shù)装逡平缘坠臑橹?，且?fù)合頂時(shí)礦壓顯現(xiàn)更為強(qiáng)烈。工作面后方，復(fù)合頂與單一頂相比，復(fù)合頂頂板下沉量、底鼓量分別為單一頂?shù)?.5倍和1.3 倍，而復(fù)合頂時(shí)充填側(cè)變形量、非回采側(cè)變形僅是單一頂時(shí)的70%和80%。 3.3.2 皖北煤電集團(tuán)臥龍湖煤礦103工作面 103 工作面為臥龍湖煤礦首采工作面，工作面機(jī)巷標(biāo)高為-530～-402 m，風(fēng)巷標(biāo)高為-515～-397 m?？刹擅簩訛?0煤，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，無(wú)夾矸，煤層傾角平均9°，工作面煤厚0.3~3.05 m，平均2.52 m。工作面西北部和切眼附近，位于巖漿巖侵蝕邊界附近，受巖漿巖侵蝕影響，部分煤層已變質(zhì)為天然焦。機(jī)巷位于巖漿巖侵蝕邊界附近，受巖漿巖侵蝕影響，局部煤層可能出現(xiàn)增厚或變薄現(xiàn)象。風(fēng)巷里段被巖漿巖侵蝕，此時(shí)頂板為厚層巖漿巖，受其影響，煤層變薄，煤厚0.5～1.5 m，現(xiàn)已揭露25 m煤層變薄帶，根據(jù)三維地震資料，風(fēng)巷里段異常區(qū)范圍約120 m左右。煤層賦存柱狀圖如圖3.2.1所示。 圖3.2.1 臥龍湖煤礦103工作面煤層賦存柱狀圖 老頂：以灰色粉砂巖、泥巖為主，水平緩波狀層理，鈣質(zhì)膠致密，局部含菱鐵結(jié)核。厚度3.7～18.72 m。 直接頂：泥巖，灰黑色—黑色，均一結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，易碎，含炭質(zhì)及植物碎片化石，參差狀斷口，厚度4.04～21.83 m，平均厚13.47 m。巖漿巖侵蝕區(qū)直接頂頂板局部為巖漿巖。巖漿巖，灰白色，粗砂狀，塊狀結(jié)構(gòu)，厚層狀，質(zhì)硬，厚度約2～4 m。 底板：深灰色泥巖、粉砂巖，塊狀構(gòu)造，含較多植物根部化石，具滑面。厚度1.5～ 13.07 m。 臥龍湖煤礦103工作面風(fēng)巷里段頂板為巖漿巖侵入，巷道頂板為厚層巖漿巖直覆；機(jī)巷直接頂為平均厚度達(dá)13.47 m的泥巖。由留巷礦壓觀測(cè)結(jié)果可知，頂板賦存條件對(duì)沿空留巷礦壓顯現(xiàn)影響很大。巷道表面位移觀測(cè)結(jié)果表明，超前采動(dòng)階段，泥巖頂巷道礦壓顯現(xiàn)較巖漿巖直覆巷道更為強(qiáng)烈；工作面后方，巖漿巖直覆時(shí)巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)更為強(qiáng)烈，巖漿巖直覆時(shí)充填體側(cè)變形量、頂板下沉量分別為200 mm、210 mm，而泥巖頂巷道充填體側(cè)變形只有140 mm、170 mm。 3.3.3 沿空留巷頂板結(jié)構(gòu)實(shí)例分析 頂板條件對(duì)留巷礦壓顯現(xiàn)、充填體支護(hù)阻力等均有重要影響，因此，在研究充填體支護(hù)阻力、頂板垮落特征之前，首先需對(duì)頂板條件進(jìn)行分類。本文根據(jù)直接頂厚度和采高的比值將工程實(shí)踐中接觸到的幾種典型頂板條件分為 3 種類型，分別為厚層直接頂、薄層直接頂、無(wú)直接頂。 厚層直接頂：當(dāng)直接頂厚度較大，且直接頂巖性基本為 1~3 類頂板易垮落的巖層，回柱或移架后頂板能及時(shí)垮落，充滿采空區(qū)。頂板垮落后冒落矸石隨遠(yuǎn)離工作面被逐漸壓實(shí)，使上部未冒落巖石在不同程度上重新得到支撐，這種頂板條件稱為厚層直接頂。 薄層直接頂：直接頂厚度大于采高的0.3倍但小于采高的3~5倍，垮落后不能充滿采空區(qū)，當(dāng)采空區(qū)冒落矸石不能完全充滿采空區(qū)時(shí)，上覆巖層大部分呈懸空狀態(tài)，采空區(qū)上覆未垮落巖層的重量將通過(guò)梁或板的形式傳遞到采空區(qū)周圍煤體、煤柱或充填體上。這種頂板條件稱為薄層直接頂。無(wú)直接頂：此種條件下直接頂過(guò)薄或無(wú)直接頂，基本頂不能隨移架而垮落，即在堅(jiān)硬頂板條件下，基本頂呈懸臂梁結(jié)構(gòu)，破斷時(shí)將形成強(qiáng)烈的來(lái)壓顯現(xiàn)。 根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)對(duì)顧橋煤礦 1115(1)工作面回風(fēng)平巷、臥龍湖煤礦103工作面頂板賦存狀態(tài)進(jìn)行判定。1115(1)工作面回風(fēng)平巷直接頂為兩種賦存狀況，一種直接頂由砂質(zhì)泥巖、泥巖和 11-3煤層組成，直接頂厚度為3.97 m，由于垮落帶高度為采高的3~5倍，顯然此種條件下直接頂垮落后不能充滿采空區(qū)，可以判定，頂板賦存特征為薄層直接頂；另一種為砂巖直覆頂板，根據(jù)頂板賦存結(jié)構(gòu)可以判定，此種條件頂板賦存特征為無(wú)直接頂。 臥龍湖煤礦103工作面風(fēng)巷里段頂板為巖漿巖侵入，巷道頂板為厚層巖漿巖直覆，根據(jù)頂板賦存結(jié)構(gòu)可以判定，臥龍湖煤礦103工作面風(fēng)巷里段頂板賦存特征為無(wú)直接頂；機(jī)巷直接頂為平均厚度達(dá)13.47 m的泥巖，由于垮落帶高度為采高的3~5倍，垮落帶高度為7.56~12.6 m，因此臥龍湖煤礦103工作面機(jī)巷頂板垮落后能充滿采空區(qū)，根據(jù)頂板賦存結(jié)構(gòu)可以判定，頂板賦存特征為厚層直接頂。 4 沿空留巷適用條件 沿空留巷圍巖穩(wěn)定是在地應(yīng)力和采動(dòng)支承壓力的共同作用下，巷道圍巖結(jié)構(gòu)（強(qiáng)度）與巷道支護(hù)體互相作用，最終達(dá)到力學(xué)平衡的結(jié)果。因此，沿空留巷圍巖穩(wěn)定性是由應(yīng)力環(huán)境（地應(yīng)力和采動(dòng)支承壓力、圍巖結(jié)構(gòu)、巷道支護(hù)體三者組成的一個(gè)力學(xué)系統(tǒng)的平衡狀態(tài)決定的。深部礦井開(kāi)采過(guò)程中，很多礦區(qū)進(jìn)行了沿空留巷工程試驗(yàn)，既有成功的經(jīng)驗(yàn)，也有失敗的教訓(xùn)。大量的案例證明：在深部礦井開(kāi)采中，并不是所有的礦井地質(zhì)與采動(dòng)條件都適合于沿空留巷，也就是說(shuō):沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用是有條件的。其中， 1. 應(yīng)力是由煤 埋藏深度和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)決定的； 2. 采動(dòng)支承壓力是由覆巖結(jié)構(gòu) 工作面采動(dòng)參數(shù)決定的； 3. 圍巖結(jié)構(gòu)是由煤 所 的 位 其沉積環(huán)境決定的； 4. 而巷道支護(hù)體的形 和強(qiáng)度是由目前的技術(shù)水平?jīng)Q定的。 沿空留巷成功的關(guān)鍵技術(shù)之一是留巷的穩(wěn)定性，即在地應(yīng)力和采動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)支承壓力的作用下，所留巷道的圍巖（包括頂板、底板、一側(cè)煤體和一側(cè)巷旁充填體）基本保持穩(wěn)定，總體變形量有限且在允許的范圍內(nèi)，巷道形狀和斷面積滿足工作面通風(fēng)、運(yùn)輸和行人的基本要求。因此， ①對(duì)沿空留巷的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分類； ②確定適宜進(jìn)行沿空留巷的 質(zhì)條件； ③研究 種（幾種）適應(yīng)沿空留巷覆巖運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的留巷工 ； 是保證在全 范圍內(nèi)推廣沿空留巷成功的必要途徑。沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)的重要特點(diǎn)是： （1）巷道頂板、 板和 側(cè)煤體經(jīng)歷了本工作面采動(dòng)形成的動(dòng)態(tài)支承壓力影 ，整體強(qiáng)度降低； （2）沿本工作面?zhèn)鹊南飵蜑槿斯こ涮铙w。 因此，應(yīng)在研究不同 應(yīng)力場(chǎng)和采動(dòng)支承壓力場(chǎng)動(dòng)態(tài)耦合規(guī)律的基礎(chǔ)上，分別對(duì)巷道頂板、 板、煤體和巷旁充填體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析， 圍巖變形量為控制指標(biāo)，對(duì)沿空留巷的整體穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)和分類。 在深部礦井，由于地應(yīng)力高，圍巖強(qiáng)度呈現(xiàn)“高應(yīng)力軟巖”特征，區(qū)段平巷在第一個(gè)工作面超前支承壓力的作用下往往會(huì)產(chǎn)生很大的變形甚至破壞。在第一個(gè)工作面后方側(cè)向老頂巖梁回轉(zhuǎn)下沉過(guò)程中，在老頂巖梁及直接頂巖層的共同作用下，沿空留巷承受的壓力急劇增大，留巷變形劇烈，表現(xiàn)為底板鼓起和充填體被壓壞等現(xiàn)象，不能滿足下一個(gè)工作面回采時(shí)的通風(fēng)、設(shè)備運(yùn)輸及行人的要求。因此，提出了“預(yù)留變形巷旁充填沿空留巷技術(shù)”。該技術(shù)的核心思想是： ① 據(jù)沿空留巷變形量預(yù)計(jì)結(jié)果，設(shè)計(jì)巷旁充填體的高度為巷道原 高度與預(yù)計(jì)的巷旁充填體的最大變形量之差； h:巷道高度；hr:風(fēng)囊高度；hc: 充填高度 ②采用柔性恒阻讓壓風(fēng)囊安裝在充填體上部，阻 采空區(qū)的瓦斯。風(fēng)囊的高度等于充填體預(yù)留的高度。在老頂巖梁回轉(zhuǎn)下沉過(guò)程中，風(fēng)囊在保持 定阻力的情況下可 隨著老頂巖梁 起壓縮變形， 此保證巷旁充填體不被壓壞。 ③當(dāng)柔性風(fēng)囊壓縮到接近不可壓縮的程度時(shí)， 時(shí)回撤出來(lái)； ④采用單體 壓支護(hù)配合鉸接頂梁加強(qiáng)支護(hù)并對(duì)直接頂進(jìn)行（或人工爆破）切頂，對(duì)老頂進(jìn)行讓壓 定變形； ⑤后期 據(jù)巷道圍巖變形情況對(duì)巷道 板進(jìn)行起（臥）擴(kuò)修。 4.1 沿空留巷變形分析 Ⅰ.在煤體內(nèi)開(kāi)掘巷道后，破壞了原始應(yīng)力狀態(tài)，巷道圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中，在圍巖塑性破壞發(fā)展過(guò)程中，巷道周邊發(fā)生顯著移近。隨著掘進(jìn)時(shí)間延長(zhǎng)，圍巖移近速度將逐漸降低。 Ⅱ.掘巷引起的應(yīng)力重新分布趨向穩(wěn)定后，由于煤層一般具有流變性質(zhì)，巷道圍巖仍保持一定變形速度。 Ⅲ.在上區(qū)段工作面超前支承壓力作用下，圍巖塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，圍巖變形增長(zhǎng)較快。 Ⅳ.在工作面后方巖梁 裂前彎曲下沉 巖梁 裂后顯 運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，基本頂巖梁運(yùn)動(dòng)迫使巷道頂板 速下沉，將造成很大的下沉量。 Ⅴ.在基本頂觸矸后，隨著采空區(qū)矸石壓實(shí)，巷道圍巖移近速度逐漸趨于穩(wěn)定。 Ⅵ.回采引起的頂板活動(dòng)和應(yīng)力分布趨向穩(wěn)定后，巷道圍巖保持一定的流變速度。 Ⅶ.受下區(qū)段工作面回采影響時(shí)，由于支承壓力疊加使煤柱塑性區(qū)顯著增大，引起巷道 圍巖變形。 留巷在整個(gè)服務(wù)期間的圍巖變形量為： u=u0+u1+u3+u4+u5，mm 4.2 巷旁充填體變形量預(yù)計(jì) 沿空留巷的圍巖變形 要是由巖梁彎曲沉降和顯 運(yùn)動(dòng)引起的，正確預(yù)計(jì)這部分變形量即可對(duì)留巷的全部變形量作出大概預(yù)計(jì)。 由于沿空留巷巷道要經(jīng)歷覆巖運(yùn)動(dòng)發(fā)展到穩(wěn)定的全過(guò)程，巷旁充填體不可能對(duì)基本頂巖梁的運(yùn)動(dòng)加 制，只能 制直接頂運(yùn)動(dòng)，因而巷道頂板下沉量由基本頂運(yùn)動(dòng)的位態(tài)決定 。 通過(guò)實(shí) 確定基本頂巖梁運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)，特別是端部裂 位置和采空區(qū) 矸 位置，即可對(duì)留巷的 要變形量作出預(yù)計(jì)。 得 如 （為巖石碎脹系數(shù)），則上式為巖梁彎曲下沉和顯著作運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的巷道變形量，即： 式中：C——充填帶中線與巖梁端部裂斷線間的水平距離，m L——巖梁懸跨度（端部裂斷線到觸矸點(diǎn)間的水平距離），m mz——直接頂厚度，m KA——巖石碎脹系數(shù)，1.30～1.35 Kc ——矸石壓實(shí)后的殘余碎脹系數(shù)，1.00～1.05 同理，壓實(shí)矸石過(guò)程中的巷道變形u3為： 受頂板活動(dòng)影 造成的總變形量U23： 4.3 采空區(qū)充填支護(hù)技術(shù) 4.3.1巷旁充填技術(shù) 巷旁充填材料包括高水材料、石膏、采空區(qū)矸石、高性能混凝土、高壓磚、預(yù)制砼塊。本文主要介紹高水材料、采空區(qū)矸石和高性能混凝土。 4.3.1.1高水材料充填 高水材料用于采空區(qū)充填有著工藝簡(jiǎn)單、凝結(jié)速度快、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。 為減小開(kāi)采引起的地表建、構(gòu)筑物的變形，采礦工程的采空區(qū)一般需要支護(hù)或充填，傳統(tǒng)的充填材料主要有兩類：一是以硅酸鹽水泥摻加水玻璃等的充填料，但該類材料的使用壽命短(通常僅可用2~3 a)，且存在作業(yè)固化時(shí)間長(zhǎng)，材料浪費(fèi)等缺點(diǎn)；二是以高分子為主的充填材料，近年來(lái)，科研人員已研制出高水速凝固材料(簡(jiǎn)稱高水材料)，它是一種價(jià)格低廉，使用方便，并具有一定力學(xué)性能的可泵性支護(hù)材料，高水材料可替代木材、鋼材使用，充填工藝簡(jiǎn)單，凝結(jié)速度快，可減少固化劑的用量。 高水材料填充技術(shù)作為一種新方法，已在某些礦區(qū)開(kāi)展了試驗(yàn)性研究。 與傳統(tǒng)的充填材料比較，該材料具有以下優(yōu)點(diǎn)：a. 漿材顆粒細(xì)，滲透性能好；b. 主、配料單獨(dú)加水?dāng)嚢瓒傻臐{液24 h 不凝結(jié)，相同水灰比的主、配料漿1：1 混合使用，混合漿液凝結(jié)時(shí)間十幾秒至幾小時(shí)隨意可調(diào)；c. 混合漿液凝結(jié)時(shí)基本不析水，結(jié)石強(qiáng)度高，抗?jié)B性好，微膨脹，不龜裂及凝結(jié)后受擾動(dòng)甚至破壞后具有再結(jié)膠性能；d. 價(jià)格低，又特 別適合高水灰比情況下使用，所以成本較低。 高水速凝固化充填材料是由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)北京研究生部研制成功并獲國(guó)家專利的一種新型膠凝材料, 它由甲乙兩種粉末狀材料組成。其中甲料的主要成分是硫酸鋁鹽水泥熟料和石灰, 乙料為硬石膏和石灰石, 使用時(shí)甲乙料按配制。該材料可用于采空區(qū)填漏、井下防滅火、錨噴支護(hù)、道路搶修等。近幾年在冶金礦山充填采礦中逐漸得到推廣應(yīng)用。高水速凝固化充填材料與水泥等膠結(jié)材料相比, 其主要特點(diǎn)是調(diào)配的漿液在很大的水固比條件下（體積含水率達(dá)85%~95%）， 可以實(shí)現(xiàn)5~30min的快速凝固、硬化, 最終形成一種強(qiáng)度達(dá)2~5MPa的固態(tài)結(jié)晶體。加人充填骨料后, 注人充填體, 可以形成人工承重石。所形成的固化體具有較高的長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度, 在含水、潮濕環(huán)境下能夠保持其性能的穩(wěn)定, 不會(huì)發(fā)生逆變?？稍?~68%的濃度范圍內(nèi), 根據(jù)需要任意調(diào)節(jié)充填骨料濃度, 一般不大于73%。高水材料含量一般在6%~10%范圍內(nèi)調(diào)節(jié), 高水材料含量越多, 充填體強(qiáng)度越高, 反之則越低。 在加人尾礦、廢石、河砂等充填骨料條件下, 甲乙兩種材料的漿液在混合前可保持24h不凝固、不結(jié)底、不堵管。充填料漿懸浮性能強(qiáng), 可泵性能較好。 通過(guò)泵送或自流到采場(chǎng)的充填漿液, 不需脫水, 在5~30min開(kāi)始初凝, 凝結(jié)速度快。材料充填后, 充填體不干縮, 具有微膨脹性, 能夠?qū)崿F(xiàn)完全接頂。 利用高水材料進(jìn)行膠結(jié)充填采礦, 在一定意義上實(shí)現(xiàn)了膠結(jié)充填采礦法的變革。利用這種材料形成的充填體, 具有明顯的優(yōu)點(diǎn)一是其強(qiáng)度較高。特別是充填后膠凝早, 發(fā)展速度快, 能夠快速承受采礦后上覆頂板的壓力。二是其穩(wěn)定性好, 長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)度不衰減, 不脫水。三是充填后具有微量膨脹特性, 有利于充填體的完全接頂, 減少頂板下沉量。四是充填在較高含水條件下進(jìn)行, 無(wú)排水, 不需多余的排水設(shè)備, 工藝簡(jiǎn)單。五是充填材料的管路輸送性能好, 管路磨損小。六是采充交替周期短, 有利于提高勞動(dòng)組織和勞動(dòng)生產(chǎn)率。七是材料無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)污染。 充填骨料的選擇是確保充填質(zhì)量好壞的關(guān)鍵, 其材料應(yīng)具有抗壓強(qiáng)度高, 可輸送性好, 材料來(lái)源廣, 價(jià)格低等特點(diǎn)。根據(jù)煤礦特點(diǎn), 可選用采礦研石廢渣或研石破碎后的碎片、河砂、電廠粉煤灰等作為充填骨料, 顆粒直徑一般為0.037~0.100mm.。 4.3.1.2采空區(qū)矸石充填 一種用于煤礦井下的矸石充填采空區(qū)的方法，在回采工作面外設(shè)矸石倉(cāng)，將井下掘進(jìn)矸石或地面矸石轉(zhuǎn)運(yùn)到矸石倉(cāng)，用破碎機(jī)破碎，由回采面上巷運(yùn)矸皮帶機(jī)運(yùn)至回采面上端?；夭擅嬗贸涮钪Ъ芑蛴泻筇搅旱闹Ъ苤ёo(hù)。當(dāng)支架為自移式時(shí)，在支架后探梁上吊掛小皮帶機(jī)，并隨支架前移。當(dāng)支架為非自移式時(shí)，小皮帶機(jī)設(shè)置在后探梁下的底板上，用移溜裝置前移。在小皮帶機(jī)上設(shè)置自移式卸矸小車，將小皮帶機(jī)由回采面上端轉(zhuǎn)運(yùn)至采空區(qū)一側(cè)的矸石卸至采空區(qū)。本發(fā)明除具有一般充填所共有的減少地表下沉，有效地處理礦井矸石，減少矸石山的占地面積和污染等優(yōu)點(diǎn)外，還具有系統(tǒng)、設(shè)備、技術(shù)簡(jiǎn)單，投資少，成本低的特點(diǎn)。 一、矸石充填意義： 1. 煤矸石不升井，減少運(yùn)輸費(fèi)用，減少地面占地和環(huán)境污染。 2. 煤矸石充填采空區(qū)實(shí)現(xiàn)以矸換煤，可以減少地表下沉，使對(duì)土地和建筑物的破壞降到最低，減少賠償費(fèi)用。 3. 煤矸石充填采空區(qū)，減少對(duì)頂?shù)装迤茐模瑥亩鴾p少頂?shù)装逅挠砍?，降低回采工作面水患威脅、提高回采效率、提高煤質(zhì)和降低排水費(fèi)用。 4. 煤矸石充填采空區(qū)，將采空區(qū)底板覆蓋上密實(shí)的充填體，減少瓦斯涌出，保證回采快速、安全。 5. 煤矸石充填采空區(qū)，將靠近留巷段的采空區(qū)充實(shí)，可以保證充填留巷效果，降低留巷費(fèi)用。從而實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開(kāi)采，提高煤炭資源回收率，減少巷道掘進(jìn)量，緩解采掘接續(xù)緊張。 6. 更有利于分儲(chǔ)分運(yùn)效能的發(fā)揮，有利于單軌吊系統(tǒng)的運(yùn)行和徹底消滅井下地軌。 7. 成熟、高效的充填技術(shù)可為受水害威脅的后組煤開(kāi)采打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 二、煤矸石充填方式的選擇： （一）泵送膏體充填方式： 1. 國(guó)外膏體充填： 膏體充填技術(shù)在國(guó)外金屬礦山已經(jīng)有20多年的發(fā)展歷史。世界上首次膏體充填試驗(yàn)是1979年在德國(guó)格倫德鉛鋅礦進(jìn)行的。試驗(yàn)成功以后，膏體充填技術(shù)在澳大利亞、奧地利、加拿大、英國(guó)、摩洛哥、葡萄牙、俄羅斯、南非、美國(guó)等國(guó)家的金屬礦山得到了推廣應(yīng)用。 2. 國(guó)內(nèi)膏體充填： （1）“八五”、“九五”期間，甘肅金川有色金屬公司與北京有色冶金設(shè)計(jì)研究總院合作，利用國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“全尾砂膏體泵送充填工藝及其設(shè)備研究”，在金川二礦區(qū)建成了我國(guó)第一條主要利用洗選尾砂、棒磨砂和粉煤灰的膏體充填工藝系統(tǒng)，其中，水泥漿獨(dú)立泵送，在井下離充填點(diǎn)20-30m處與集料膏體漿液混合，與水泥漿混合后的膏體充填料漿重量濃度為82%，水泥用量平均280kg/m3，充填體最終抗壓強(qiáng)度大于4MPa。該套膏體充填工藝系統(tǒng)采用德國(guó)施維英公司生產(chǎn)的KSP-140HDR礦用充填泵，泵送壓力13MPa，充填能力100m3/h，利用自制的雙軸連續(xù)攪拌機(jī)制漿，由美國(guó)霍尼韋爾公司生產(chǎn)的TDC-3000型工業(yè)集散控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制。該項(xiàng)成果2000年獲得了國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，并在銅綠山礦得到推廣應(yīng)用。 （2）河北金牛能源邢東礦自2001年11月投產(chǎn)以來(lái)就致力于矸石充填項(xiàng)目研究，與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)合作，經(jīng)過(guò)33個(gè)月的探索試驗(yàn)，最終形成了完備的井下矸石充填系統(tǒng)——把礦井生產(chǎn)中產(chǎn)生的矸石，填到井下那些不能開(kāi)采的建筑物永久煤柱里，不但實(shí)現(xiàn)矸石不升井，避免占用土地和環(huán)境污染，而且還可以把常規(guī)方法不可能采出的煤炭資源采出，提高資源開(kāi)發(fā)率。 （3）山東新汶礦業(yè)集團(tuán)孫村煤礦地表煤矸石充填系統(tǒng)正式生產(chǎn)開(kāi)工典禮于2006年9月15日上午舉行。?中國(guó)恩菲電氣系統(tǒng)部和礦機(jī)專業(yè)承擔(dān)該項(xiàng)目充填工藝的主體設(shè)計(jì)、電力、儀表、控制系統(tǒng)等設(shè)計(jì)工作，并承包了該項(xiàng)目的全部配電設(shè)備、控制系統(tǒng)設(shè)備、自動(dòng)化儀表的集成工作。在短短一個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，完成了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作，并順利投入生產(chǎn)。該項(xiàng)目采用孫村煤礦生產(chǎn)的廢棄物煤矸石為骨料，配合粉煤灰和水泥為添加物，充填能力80-100 m3/h，礦漿濃度為72%。該項(xiàng)目的實(shí)施既可以解決煤矸石占地和排放廢氣的環(huán)保問(wèn)題，也可以利用充填物作為支撐，替換井下保留的煤柱，是一個(gè)環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益雙贏的項(xiàng)目。該項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)煤炭行業(yè)是第一家將充填工藝用于工業(yè)化生產(chǎn)的煤礦，也是中國(guó)恩菲在煤炭行業(yè)承擔(dān)的第一個(gè)充填項(xiàng)目。 （4）山東華恒礦業(yè)有限公司自2007年11月份開(kāi)始調(diào)研泵送矸石充填系統(tǒng)，首先與泰安海天工程機(jī)械有限公司合作研發(fā)矸石回填泵，在地面做工業(yè)性試驗(yàn)，取得成功。2008年7月確定了泵送矸石充填設(shè)備配套及布置方案，在十三層工作面經(jīng)過(guò)一個(gè)月的充填試驗(yàn)，達(dá)到預(yù)期效果，每小時(shí)平均充矸能力50m3。208年9月份華恒礦業(yè)公司第二套充填系統(tǒng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了矸石不升井。 （二）機(jī)械輸送、原生矸石充填方式 新汶礦區(qū)應(yīng)用比較廣泛的其它充填方式為機(jī)械輸送方式，一般采用皮帶機(jī)（需施工專用巷道）、溜子運(yùn)輸矸石，利用拋?lái)菲㈨肥瘨仈S于采空區(qū)，或綜采支架后方懸吊溜子將矸石卸至采空區(qū)。 （三） 膏體充填技術(shù)相對(duì)于機(jī)械充填技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)： （1）優(yōu)點(diǎn)：與機(jī)械充填相比，系統(tǒng)簡(jiǎn)單、不需獨(dú)立的充填運(yùn)輸巷道，占用人員少、勞動(dòng)強(qiáng)度低、占用設(shè)備少，充矸能力大。 （2）缺點(diǎn)：技術(shù)要求比較嚴(yán)格，工藝復(fù)雜，管道輸送時(shí)常常因?yàn)榇竽Σ翐p失或高管道壓力引起管道堵塞等。 三、煤矸石充填技術(shù)方案： 一種矸石充填采空區(qū)的方法：①在回采工作面外部設(shè)置矸石倉(cāng)，將井下產(chǎn)生的矸石轉(zhuǎn)運(yùn)到矸石倉(cāng)，在矸石倉(cāng)出口處安裝破碎機(jī)，將矸石破碎成小塊，或者將地面經(jīng)破碎的矸石轉(zhuǎn)運(yùn)到矸石倉(cāng)；②在回采工作面上巷安裝運(yùn)矸皮帶機(jī)，將經(jīng)破碎的矸石，由矸石倉(cāng)下運(yùn)至回采工作面上端；③在回采工作面采用充填支架支護(hù)，或者使工作面支架后部有足夠長(zhǎng)的后探梁，在回采工作面采空區(qū)一側(cè)、后探梁之下預(yù)留輸送及填矸空間；④在所說(shuō)的回采工作面采空區(qū)一側(cè)、后探梁之下，設(shè)置小皮帶機(jī)；當(dāng)支架為自移式支架時(shí)，小皮帶機(jī)吊掛在支架的后探梁上，隨支架的前移而前移；當(dāng)支架為非自移式支架時(shí)，小皮帶機(jī)設(shè)置在支架的后探梁之下的底板上，小皮帶機(jī)的底部帶滑橇，用移溜裝置前移小皮帶機(jī)；由小皮帶機(jī)將運(yùn)至回采面上端的矸石，轉(zhuǎn)運(yùn)到回采面采空區(qū)一側(cè)；⑤在小皮帶機(jī)上設(shè)置自移式卸矸小車，用卸矸小車將小皮帶機(jī)上的矸石卸至采空區(qū)。 4.3.1.3高性能混凝土充填 （一）定義 高性能混凝土（High performance concrete,簡(jiǎn)稱HPC）是一種新型高技術(shù)混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的混凝土。它以耐久性作為設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)，針對(duì)不同用途要求，對(duì)下列性能重點(diǎn)予以保證:耐久性、工作性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。為此，高性能混凝土在配置上的特點(diǎn)是采用低水膠比，選用優(yōu)質(zhì)原材料，且必須摻加足夠數(shù)量的礦物細(xì)摻料和高效外加劑。 1950年5月美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）和美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)（ACI）首次提出高性能混凝土的概念。但是到目前為止，各國(guó)對(duì)高性能混凝土提出的要求和涵義完全不同。 　　美國(guó)的工程技術(shù)人員認(rèn)為：高性能混凝土是