專利名稱：沿空留巷巷旁適量讓壓不等強組合充填結構及施工方法
技術領域：
本發(fā)明涉及應用在煤礦井下的一種充填技術，具體涉及堅硬頂板條件下沿空留巷巷旁充填結構及施工方法。
背景技術：
沿空留巷巷旁充填是煤礦開采技術的一項重大改革，此項技術不僅可提高煤炭資源采出率、延長礦井服務年限、減少巷道掘進量、緩解采掘接替矛盾、取消孤島工作面，而且它也是礦山進行采煤方法改革最有效的途徑。目前，國內外常用的沿空留巷巷旁充填方式主要有水泥基膏體充填、矸石帶充填、高水速凝材料充填等等。由于堅硬頂板條件下沿空留巷，工作面?zhèn)认蚧卷攽翼敃r間長，懸頂距大，上述三個充填方式存在的缺陷是巷旁充填體將承受很大的頂板壓力，對于水泥基 工作量大，矸石帶提供的支護阻力較小，支護效果較差；高水速凝材料成本較高，支護強度低，不適應沿空巷道的高壓突變性，工作面二次采動期間，充填體很容易變形破壞，造成采空區(qū)漏風嚴重，給礦井的通風和巷道的維護工作帶來了很大的困難。為了克服上述三種填充方式存在的不足，中國專利CN101922292A(申請?zhí)?01010105609. 7)公開了一種煤礦沿空留巷巷旁分段承載不等強支護原理及應用，一種適于煤礦沿空留巷分段承載巷旁支護的支護機理及應用方法，它的運輸巷巷旁支護分為上下兩層充填材料組合支護。上層采用強度低變形量大的充填材料，下層采用采用強度較高的充填材料，從而達到支護和密封雙重效果。存在的缺陷是該專利只提供一種籠統(tǒng)的支護理念，缺乏實際可行的操作手段，不能較好地適應堅硬巖層運動規(guī)律，無法滿足不同支護環(huán)境下的操作需求；充填結構上層充填體的讓壓功能無法定量確定，所以在留巷充填施工時，為防止采空區(qū)頂板冒落，需打錨桿進行超前支護和滯后支護，施工復雜，錨桿不能回收，即使留巷使用完了也不能回收，造成留巷成本增加。也就是說，對比文件I本身也不能確定讓壓功能是否能滿足頂板冒落的需求，所以為了保險起見，使用錨桿作為超前和滯后支護，導致不但施工成本大大提高，而且不適用于I. 3米以下的薄煤層施工。另外，煤矸石是采煤過程和洗煤過程中排放的固體廢物，長期以來，它被視為煤礦在井下開采過程中的廢棄物，長期在地面露天堆放，如何綜合開發(fā)利用煤矸石，變廢為寶，已成為煤炭行業(yè)近年來研究開發(fā)的重要課題。目前，在巷旁支護領域中，怎么在降低充填體成本的前提下使讓壓量能抵消頂板下沉量是本領域技術人員一直想解決而沒有解決的技術問題。

發(fā)明內容
為了克服現(xiàn)有堅硬頂板條件下沿空留巷充填結構施工復雜、成本高、讓壓不確定的缺陷，本發(fā)明利用廢棄矸石和工業(yè)廢渣提供一種新型的充填技術，這是一種不等強的組合充填結構，這種不等強的組合充填結構具有讓壓功能，其下層充填體可提供較高的支護強度。為了實現(xiàn)上述任務，本發(fā)明的不等強組合支護結構由上下兩層充填體組合而成，上層充填體采用強度低變形量大的充填材料，下層充填體采用強度較高的充填材料，其特征在于所述的上層充填體充填高度為Ii1，它是用寬為0. 4-0. 6米、長I. 2-1. 5米的矸石袋堆積起來的，矸石袋中裝有質量比為I : 1.7 : 5的水、水泥和碎矸石混合物，要求該混合物初凝時間約30-40min，終凝時間I. 5-2. 5h，終凝后矸石袋抗壓強度可達2_3MPa ；28天后矸石袋抗壓強度可達10-20MPa ；所述的下層充填體是一個膏體充填墻，充填高度為h2，膏體充填墻由質量比為I 0. 3 0. 2 0. 5 0. 2 0. 3 0. 6的水、水泥、廢石膏、高爐礦渣、廢石灰、粉煤灰和矸石粉混合物形成的；要求膏體充填墻材料的抗壓強度I天可達5-10MPa，3天可達
10-20MPa, 7 天可達 20-28MPa，28 天可達 30_35MPa。 上述充填高度Ii1和h2由以下方法確定第一步根據采高值和直接頂厚度計算巖梁實際沉降值SASa = h-mz (Ka-I)式中h-采高；mz-直接頂厚度；Ka-巖梁觸矸處下部已冒巖層的碎脹系數(shù)，一般采場取I. 25-1. 35 ;第二步根據巖梁實際沉降值Sa計算上層充填體充填高度Ii1h: = a 0SA/a式中a -上層充填體讓壓系數(shù)，取0. 2 ;a Q-讓壓安全系數(shù)，取I. 5 ;第三步根據采高h和上層充填體高度Ii1計算下層充填體充填高度h2h2 = h-h:和其他用于沿空留巷的充填結構相比，本發(fā)明有如下優(yōu)勢I、利用不等強體進行組合充填，兼顧了矸石帶充填與膏體充填的優(yōu)勢，針對懸頂時間長，懸頂距大的堅硬頂板，該結構前期能提供較好的讓壓作用，緩解頂板下沉，使充填體不至于在較高的頂板壓力下被壓壞，后期整體結構則提供較高的支護阻力，保證了沿空留巷的穩(wěn)定性。2、組合結構充填材料用的廢石膏、高爐礦渣、廢石灰、粉煤灰都是工業(yè)廢渣，有效地利用這些廢棄物不僅可以減少對環(huán)境的污染，還能降低充填的成本，其余的成分也是煤礦上常用的材料，容易獲取，施工方便易行；根據下層充填體結構的特性，取讓壓系數(shù)為
0.2，讓壓安全系數(shù)為I. 5，保證了二次采動頂板來壓時留巷的完整性，還可以緩解堅硬頂板留巷由于微小擾動可能發(fā)生的無預兆沖擊；能根據頂板特性，調節(jié)兩種充填體的充填高度和配置比例，可以使充填體的可縮性在合理的范圍內，這樣能較好的適應堅硬頂板巖層的運動規(guī)律。3、由于本發(fā)明充填結構上層充填體材料配比以及性能參數(shù)的選取，使上層充填體的讓壓高度大于頂板下沉的高度，且讓壓高度在合理的范圍之內，堅硬頂板可能發(fā)生小的無預兆沖擊完全可以頂住，所以施工時，為了保證留巷的成功，在下層充填體凝結前，只需使用巷旁單體液壓支柱作為滯后支護和采空區(qū)木支柱進行初期支護，不用成本較高的錨桿支護，穩(wěn)定性好，降低了施工成本；當留巷使用完之后，留巷內全部的單體液壓支柱都可以回收，進一步降低了留巷的成本。
總之，本發(fā)明的充填體在降低充填體成本和施工成本的前提下，實現(xiàn)了讓壓量完全可以頂住頂板下沉量的目的，雖然表面上看結構簡單，但是它解決了本領域技術人員想解決而沒有解決的技術問題，具有突出的實質性特點和顯著的進步，符合專利法第22條第3款有關創(chuàng)造性的規(guī)定。


圖I為本發(fā)明不等強充填體結構的立體圖。圖2為本發(fā)明不等強充填體結構的具體施工示意圖。 圖中標號分別表示I-下層充填體，2-上層充填體，3-噴漿機，4-噴漿管道，5-超前支護，6-工作面單體液壓支柱，7-工作面，8-充填模板，9-留巷，10-不等強組合充填體，
11-木支柱，12-采空區(qū)，13-臨時支護，14-滯后支護。
具體實施例方式下面參照附圖對本發(fā)明的結構以及具體施工方式進行詳細說明。第一步井下巷道開挖后進行錨、索、網、帶支護和工作面單體液壓支柱6支護，同時布置工作面，井下工作面7布置之后開始正常割煤、回柱，割煤后形成采空區(qū)12。第二步在留巷9內使用單體液壓支柱作為超前支護5加鉸接頂梁支護，在留巷側充填寬度內再用木支柱11進行支護加固，隨著工作面的推進，在超前支護5處增加單體液壓支柱，加強為滯后支護14 ;滯后支護14和木支柱11共同承擔了下層充填體凝結前頂板的初期來壓。第三步同時地面開始備料，準備水、水泥、矸石、粉煤灰等充填材料運至留巷內，充填材料注入噴漿機3內加水攪拌均勻。第四步在工作面后方支設臨時支護13和充填模板8，充填高度為h2，由噴漿機3通過噴漿管道4將充填材料注入到充填模板8上進行膏體充填，作為圖I結構中的下層充填體1，下層充填體I的充填材料由質量比為I : 0.3 : 0.2 : 0.5 : 0.2 : 0.3 : 0.6的水、水泥、廢石膏、高爐礦渣、廢石灰、粉煤灰和矸石粉混合物形成的；要求膏體充填墻材料的抗壓強度I天可達5-10MPa，3天可達10-20MPa，7天可達20_28MPa，28天可達30_35MPa。第五步待下層充填體I的膏體充填體凝固后，在膏體充填體上充填矸石袋并緊密排列，堆砌到頂板，形成圖I中充填結構的上層充填體2，；矸石袋中裝有質量比為I : 1.7 : 5的水、水泥和碎矸石混合物，要求該混合物初凝時間約30-40min，終凝時間
I.5-2. 5h，終凝后矸石袋抗壓強度可達2-3MPa ；28天后矸石袋抗壓強度可達10_20MPa。本實施例圖I中矸石袋只畫有一層，在實際工程中，矸石袋需要堆積的層數(shù)需根據矸石袋中材料終凝后的壓實厚度和矸石袋的充填高度而定。第六步待上層充填體2的矸石袋凝固2-3天之后，撤去臨時支護13，同時回收工作面后方200米范圍之外的除巷旁兩側的滯后支護14，上層充填體2和下層充填體I形成圖2中所示的不等強組合充填體10。第七步同時，隨著工作面推進重復上述步驟二至步驟六。 本發(fā)明施工方法尤其適用于I. 3米以下的薄煤層施工。
權利要求
1.一種沿空留巷巷旁適量讓壓不等強組合充填結構，由上下兩層充填體組合而成，上層充填體采用強度低變形量大的充填材料，下層充填體采用強度較高的充填材料，其特征在于 所述的上層充填體充填高度為hi，它是用寬為O. 4-0. 6米、長I. 2-1. 5米的矸石袋堆積起來的，矸石袋中裝有質量比為I : 1.7 : 5的水、水泥和碎矸石混合物，要求該混合物初凝時間為30-40min，終凝時間I. 5-2. 5h，終凝后矸石袋抗壓強度達到2_3MPa ；28天后矸石袋抗壓強度達到10-20MPa ； 所述的下層充填體是一個膏體充填墻，充填高度為h2，膏體充填墻由質量比為I O. 3 O. 2 O. 5 O. 2 O. 3 O. 6的水、水泥、廢石膏、高爐礦渣、廢石灰、粉煤灰和矸石粉混合物形成的；要求膏體充填墻材料的抗壓強度I天達到5-10MPa，3天達到10-20MPa, 7 天達到 20_28MPa，28 天達到 30_35Mpa ； 上述充填高度h和h2由以下方法確定 第一步根據采高值和直接頂厚度計算巖梁實際沉降值SA Sa = h-mz (Ka-I) 式中 h-米聞； mz-直接頂厚度； Ka-巖梁觸砰處下部已冒巖層的碎脹系數(shù)，取I. 25-1. 35 ； 第二步根據巖梁實際沉降值Sa計算上層充填體充填高度Ii1 hi = a 0SA/ α 式中 α -上層充填體讓壓系數(shù)，取O. 2 ; α0-讓壓安全系數(shù)，取I. 5; 第三步根據采高h和上層充填體高度Ii1計算下層充填體充填高度h2\i2 — h—ο
2.如權利要求I所述的充填結構的施工方法，其特征在于，步驟如下 第一步井下巷道開挖后進行錨、索、網、帶支護和工作面單體液壓支柱(6)支護，同時布置工作面，井下工作面(7)布置之后開始正常割煤、回柱，割煤后形成采空區(qū)(12)； 第二步在留巷(9)內使用單體液壓支柱作為超前支護(5)加鉸接頂梁支護，在留巷側充填寬度內再用木支柱(11)進行支護加固，隨著工作面的推進，在超前支護(5)處增加單體液壓支柱，加強為滯后支護(14);滯后支護(14)和木支柱(11)共同承擔了下層充填體凝結前頂板的初期來壓； 第三步同時地面開始備料，準備充填材料運至留巷內，充填材料注入噴漿機(3)內加水攪拌均勻； 第四步在工作面后方支設臨時支護(13)和充填模板(8)，充填高度為h2，由噴漿機(3)通過噴漿管道(4)將下層充填體的充填材料注入到充填模板(8)上進行膏體充填，作為下層充填體⑴； 第五步待下層充填體(I)的膏體充填體凝固后，在膏體充填體上充填矸石袋并緊密排列，堆砌到頂板，形成上層充填體(2);第六步待上層充填體(2)的矸石袋凝固2-3天之后，撤去臨時支護(13)，同時回收工作面后方200米范圍之外的除巷旁兩側的滯后支護(14)，上層充填體(2)和下層充填體(I)形成不等強組合充填體(10)； 第七步同時，隨著工作面推進重復上述步驟二至步驟六。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種沿空留巷巷旁適量讓壓不等強組合充填結構及其施工方法，該充填結構的上層充填體是用矸石袋堆積起來的，矸石袋中裝有水、水泥和碎矸石混合物；下層充填體是一個膏體充填墻，膏體充填墻由水、水泥、廢石膏、高爐礦渣、廢石灰、粉煤灰和矸石粉混合物形成的；本發(fā)明通過調節(jié)兩種充填體的充填高度和配置比例，可以使充填體的可縮性在合理的范圍內，這樣能較好的適應堅硬頂板巖層的運動規(guī)律，保證了沿空留巷的穩(wěn)定性。
文檔編號E21F15/00GK102705002SQ20121015828
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月12日 優(yōu)先權日2012年5月12日
發(fā)明者于斌, 吳笛, 寧建國, 楊智文, 馬鵬飛 申請人:山東科技大學