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1、1 典型条件下沿空留巷理论与典型条件下沿空留巷理论与 关键技术及实践关键技术及实践 山东科技大学山东科技大学 谭云亮谭云亮 2014年煤炭绿色开采高级研修班, 2014, 7,3, 山东新汶 2014-07-032014-07-03 2 一、研究背景 二、研究内容及技术路线 三、创新成果及相关技术内容 四、同类技术比较 五、结论 汇报提纲 3 一、研究背景 我国煤我国煤矿矿矿矿90%90%是井工开采，是井工开采，每年新掘巷道每年新掘巷道总长总长总长总长 度度 达达10000 km10000 km，80%80%以上以上是煤巷，回采巷道是煤巷，回采巷道长长长长度度约约约约占巷占巷 道道总长总长总长
2、总长 度的度的60%60%以上以上。 回采巷道留一定回采巷道留一定宽宽宽宽度的煤柱度的煤柱护护护护巷不巷不仅仅仅仅造成造成煤炭煤炭资资资资 源浪源浪费费费费，而且在煤柱，而且在煤柱处产处产处产处产 生生应应应应力集中，力集中，易易导导导导致冲致冲击击击击地地 压压压压等等动动动动力灾害的力灾害的发发发发生。生。 一、研究背景 沿空留巷技沿空留巷技术术术术具有以下具有以下优优优优点：点： （1 1）提高煤炭）提高煤炭资资资资源回收率，降低生源回收率，降低生产产产产成本成本； （2 2）有利于）有利于缓缓缓缓解解矿矿矿矿井工作面接替井工作面接替紧张紧张紧张紧张 的局面的局面； （3 3）处处处处理
3、理矿矿矿矿井矸石，改善地面井矸石，改善地面环环环环境，境，实现绿实现绿实现绿实现绿 色开采色开采 ； （4 4）有利于）有利于矿矿矿矿井的可持井的可持续发续发续发续发 展。展。 4 5 一、研究背景 在在现场实现场实现场实现场实 践践过过过过程中，沿空留巷技程中，沿空留巷技术应术应术应术应 用效果差异用效果差异 较较较较大，有的条件大，有的条件应应应应用效果好，而有的条件留巷困用效果好，而有的条件留巷困难难难难， 其基本原因在于：其基本原因在于： （1 1）没有考没有考虑虑虑虑不同条件不同条件顶顶顶顶板的运板的运动动动动破断特征及破断特征及 其其对对对对巷道巷道围围围围岩岩变变变变形破坏的影响
4、；形破坏的影响； （2 2）未未针对针对针对针对 不同不同顶顶顶顶板运板运动动动动特征分特征分类设计类设计类设计类设计 沿空留沿空留 巷巷旁支巷巷旁支护护护护方式。方式。 6 一、研究背景 二、研究内容及技术路线 三、创新成果及相关技术内容 四、同类技术比较 五、结论 汇报提纲 7 （1 1）坚硬顶板条件下）坚硬顶板条件下“ “柔强柔强” ”复合复合 巷旁充填理论与技术巷旁充填理论与技术 二、研究内容及技术路线 研究内容研究内容 （2 2）中等稳定顶板锚固硬化矸）中等稳定顶板锚固硬化矸 石带巷旁充填理论与技术石带巷旁充填理论与技术 （3 3）石灰岩缓沉顶板巷旁切顶）石灰岩缓沉顶板巷旁切顶 支护
5、理论与技术支护理论与技术 巷旁及巷内支护设计方案 8 二、研究内容及技术路线 现场调研与资料收集 顶板顶板 条件条件 理论理论 研究研究 及室及室 内试内试 验研验研 究究 坚硬顶板中等稳定顶板石灰岩缓沉顶板 顶板破断运动 规律 工作面侧向顶板 分期活动规律 “柔强”复合巷旁充填 支护力学模型 “柔强”充填支护材料 性能试验 巷旁支护力学 模型 巷旁切顶支护 力学模型 9 二、研究内容及技术路线 不同顶板条件的工作面巷道现场试验 充填体结构稳定性现场观测 项目研究总结与推广应用 现场现场 应用应用 10 一、立项背景 二、研究内容及技术路线 三、创新成果及相关技术内容 四、同类技术比较 五、结
6、论 汇报提纲 创新成果之一创新成果之一 11 三、创新成果及相关技术内容 针对厚层坚硬顶板条件，建立了针对厚层坚硬顶板条件，建立了“ “顶板结构顶板结构巷巷 旁柔强双层复合支护旁柔强双层复合支护” ”力学模型，提出了基于顶板运力学模型，提出了基于顶板运 动状态确定巷旁动状态确定巷旁“ “柔强柔强” ”复合充填材料厚度、强度及尺复合充填材料厚度、强度及尺 寸的方法，研发了巷旁柔、强两种支护充填材料，实寸的方法，研发了巷旁柔、强两种支护充填材料，实 现了坚硬顶板条件下的沿空留巷。现了坚硬顶板条件下的沿空留巷。 12 三、创新成果及相关技术内容 1.1 1.1 “ “柔柔强强” ”复合充填支复合充填
7、支护护护护力学模型力学模型 坚硬顶板巷旁充填结构示意图坚硬顶板巷旁充填结构示意图 13 三、创新成果及相关技术内容 柔性充填材料厚度柔性充填材料厚度 14 三、创新成果及相关技术内容 采空区矸石的压缩量采空区矸石的压缩量 老顶岩梁端部下沉量老顶岩梁端部下沉量 15 三、创新成果及相关技术内容 充填体材料强度与宽度关系 当当设计设计设计设计 充填体充填体宽宽宽宽度度一定时，充填材料强度要求为一定时，充填材料强度要求为 当当设计设计设计设计 充填体充填体强强度度一定时，充填体宽度要求为：一定时，充填体宽度要求为： 16 三、创新成果及相关技术内容 柔性材料：具有较大的可缩性，减缓顶板下沉，防止顶板
8、 快速下沉而产生动压冲击。 高强材料：可缩性较小，强度较高，其力学性能与顶板作 用相适应，能有效控制顶板的下沉运动。 柔性充填材料 高强充填材料 1.2 1.2 柔柔强强充填材料性能充填材料性能试验试验试验试验 17 三、创新成果及相关技术内容 1.2.1 1.2.1 柔性充填材料的开柔性充填材料的开发发发发 主要原材料：主要原材料：发发发发泡泡剂剂剂剂：M1M1、M2M2，工，工业级业级业级业级 ；稳稳稳稳泡泡剂剂剂剂：N N ，工，工业级业级业级业级 ；阻燃；阻燃剂剂剂剂：TCEPTCEP，工，工业级业级业级业级 ；固化；固化剂剂剂剂：R R，自制。，自制。 发发发发泡泡剂对剂对剂对剂对
9、高分子高分子“ “让压让压让压让压 ” ”膨膨胀胀胀胀材料的材料的发发发发泡效果和泡效果和单轴压单轴压单轴压单轴压 缩缩缩缩强强度具有重要影响。度具有重要影响。发发发发泡效果以泡效果以发发发发泡流泡流动动动动性表示，包括性表示，包括发发发发 泡高度指数和密度分布系数。泡高度指数和密度分布系数。 18 三、创新成果及相关技术内容 不同种类发类发 泡剂剂的发发泡效果和压缩压缩 强度 发发泡剂剂种类类用量/g 密度 /(kg/m3) 发发泡高度指 数/(cm/g) 密度分布系 数 压缩压缩 强度 /kPa M125620.520.019203 28470.630.01283 31420.720.00
10、4124 34310.810.00286 M219710.520.009282 20620.560.012243 22580.570.021259 24530.600.016217 水 32420.730.007132 34360.790.005107 36310.850.00289 38230.980.00162 由于由于发发发发泡泡剂剂剂剂种种类类类类不同，不同，发发发发泡高度指数由小到大泡高度指数由小到大为为为为：MM 2 2 、 MM 1 1 、水；密度分布系数由小到大、水；密度分布系数由小到大为为为为：水、：水、MM 1 1 、MM 2 2 ；压缩压缩压缩压缩 强强度度 由小到大由小
11、到大为为为为：水、：水、MM 1 1 、MM 2 2 ；最；最终选择终选择终选择终选择 以以MM 2 2 为发为发为发为发 泡泡剂剂剂剂。 19 三、创新成果及相关技术内容 泡沫体孔径对压缩对压缩 强度的影响 泡沫体闭闭孔率对压缩对压缩 强度的影 响 对对于同一种类类的发发泡剂剂，泡沫体的压缩压缩 强度是由泡沫基 体的化学结结构和泡孔结结构共同决定的。 20 三、创新成果及相关技术内容 充填材料充填材料组组组组分分选择选择选择选择 ：胶凝材料：水泥，有胶凝性能的活性：胶凝材料：水泥，有胶凝性能的活性 混合材料：粉煤灰，惰性材料：煤矸石、河砂，其他改性材料混合材料：粉煤灰，惰性材料：煤矸石、河砂
12、，其他改性材料 ：早：早强强剂剂剂剂和减水和减水剂剂剂剂。 1.2.2 1.2.2 高高强强充填材料的开充填材料的开发发发发 采用正交采用正交试验设计试验设计试验设计试验设计 的方法确定各材料的方法确定各材料组组组组分的含量，分的含量，对对对对比比 现场现场现场现场 工程中工程中顶顶顶顶板运板运动动动动作用作用规规规规律，最律，最终选择终选择终选择终选择 一一组组组组最最优优优优方案。方案。 21 三、创新成果及相关技术内容 方案方案 ：水泥：水泥+ +粉煤灰粉煤灰+ +煤矸石煤矸石颗颗颗颗粒粒+ +河砂河砂+ +外外掺剂掺剂掺剂掺剂 编编号水灰比（A）粉煤灰（B）早强剂剂（C）减水剂剂（D）
13、 11（0.40）1（10%）3（3%）2（1.5%） 22（0.42）1（10%）1（2%）1（1%） 33（0.44）1（10%）2（2.5%）3（2%） 41（0.40）2（15%）2（2.5%）1（1%） 52（0.42）2（15%）3（3%）3（2%） 63（0.44）2（15%）1（2%）2（1.5%） 71（0.40）3（20%）1（2%）3（2%） 82（0.42）3（20%）2（2.5%）2（1.5%） 93（0.44）3（20%）3（3%）1（1%） 正交试验试验 参数表 22 三、创新成果及相关技术内容 坍落度与坍落度与单轴单轴单轴单轴 抗抗压压压压强强度度 设计设计 矩
14、阵阵单轴单轴 抗压压强度（MPa）坍落度（cm） 记记号ABCD1d4d7d14d 111112.76.93310.38911.78422 212221.8815.3375.7629.30323 313331.8946.139.19111.54212.5 421231.994.7988.1588.95325 522311.7374.3558.29611.64322 623121.5544.9297.1049.7449 731321.6354.247.2058.96822 832132.0464.2176.3269.87922 933211.4295.3348.46110.53819 23 三、
15、创新成果及相关技术内容 最最优优优优配比方案配比方案 充填材料中各材料用量/ kg.t-1 粒度/mm 水水泥粉煤灰矸石颗颗粒河砂早强剂剂减水剂剂 13416444852272.83.2510 24 三、创新成果及相关技术内容 巷巷 旁旁 充充 填填 工工 艺艺艺艺 1.3 1.3 现场应现场应现场应现场应 用情况用情况 25 三、创新成果及相关技术内容 应用实例一应用实例一 新汶矿区15煤层， 工作面岩层柱状图如右 图。 该工作面运输巷净 宽3.4m，中高2.5m，采 用锚杆支护。 26 三、创新成果及相关技术内容 应用柔强材料充填墙巷旁支护方式，柔性材料采用泡沫 材料，厚度0.37m，高强
16、度材料采用矸石混凝土厚度1.33m， 充填墙宽度2.0m。 27 三、创新成果及相关技术内容 11508工作面 11509工作面 11508外切眼 11508运输巷 11508回风巷 表面位移观测站，每10m设一个观测站 钻孔应力计，间距50m 钻孔应力计（每组4个，安装深 度依次为3、6、9、12m） 液压枕（充填体受力观测，安 设在上下分层交界处） 连续安5个充填体） 监测布置示意图 为考察柔强 材料充填墙的支 护效果，对11508 运输巷进行了监 测，如右图。 28 三、创新成果及相关技术内容 监测结果表明：煤壁处压缩量最大为246mm，充填体侧 压缩量最大为142mm，留巷效果良好。 三、创新成果及相关技术内容 应应应应用用实实实实例二例二 29 姜家湾煤矿8213 工作面开采煤层为7- 2#煤层，煤层柱状图 如右图。 该工作面2213巷 为机轨合一巷，净宽 4.5m，净高2.6m，采 用锚网索支护。 三、创新成果及相关技术内容 应用柔强材料充填墙巷旁支护方式，柔
