第22卷第3期煤炭学报Vol.22　No.3　　1997年　6月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYJune 1997　

ZKD高水速凝材料及其泵送充填技术的研究＊颜志平(浙江大学) 漆泰岳　张连信　侯朝炯(中国矿业大学)摘要　根据ZKD高水速凝材料的组成及性能特征,计算了合理的巷旁充填支护参数,设计了泵送高水净浆材料和高水灰渣材料的新充填工艺系统,并对翟镇煤矿沿空留巷巷旁充填工业性试验进行了分析与评价.研究结果表明,ZKD高水速凝材料具有良好的塑性性能,既能适应回采工作面顶板的活动规律,又能有效地控制围岩变形,维护巷道,因而是一种理想的巷旁充填材料.

关键词　高水速凝材料　灰渣　沿空留巷　巷旁充填　钢模板中图分类号　TD350.4

根据无煤柱开采沿空留巷技术发展的需要,中国矿业大学从1984年开始研究用于整体浇注巷旁充填的高水速凝材料和巷旁充填技术,研制成功了以特制硫铝酸盐水泥熟料为基材的ZKD高水速凝材料;并在完成国家“七五”科技攻关项目“灰渣应用于井下充填的研究”的基础上,又承担了国家“八五”重点科技攻关项目“沿空留巷机械化构筑护巷带技术”,对材料及其泵送充填技术进行了更深入的研究,其中与新汶矿务局翟镇煤矿合作进行井下工业性试验研究,共充填800m巷道,其中使用一级料充填300m,灰渣和净浆各占150m;其余500m使用二级料充填.

1　ZKD高水速凝材料的组成及其性能的研究1.1　ZKD高水速凝材料的组成ZKD高水速凝材料由甲料和乙料两部分组成,统称为胶结料,通常按重量比1∶1配合使用.(1)甲料　以特制硫铝酸盐水泥熟料为基材与少量悬浮剂、超缓凝剂混和粉磨而成,其中硫铝酸盐水泥熟料从作用和配量上都是最主要和最基本的.特制硫铝酸盐水泥熟料是多种矿物的集合体,其主要有效矿物成分是硫铝酸钙和硅酸二钙.(2)乙料　由石灰、石膏、少量悬浮剂和速凝早强剂等多种原料配制混磨而成.它为甲料水化生产钙矾石提供足够的CaO,CaSO4,以及适宜的介质条件,以提高钙矾石的生产速率和产率,并可人为地调控胶结料的水化速率,以满足不同工程的需要.1.2　ZKD高水速凝材料的基本性能高水速凝材料是一种新型固体混合材料,它与水泥有某些相似之处,但又具有许多独特的性能.(1)水用量大(即水灰比高)　常用的水灰比在2.0～3.0之间,根据工程要求可任意调整.在该水灰比条件下,凝固体中水体积比达85.2%～90%(胶结料密度按2900kg/m3计算).

收稿日期:1996-11-15国家“八五”重点科技攻关项目(编号:85-201-01-08)

(2)速凝早强　甲、乙料浆液混合后立即水化、凝结,并很快硬化成坚硬的人工石.初凝时间为5～30min,30min即产生强度,且强度增长速度很快,7d抗压强度即可达到终强的95%左右.(3)可泵时间长　甲、乙料分别加水搅拌成浆液后,静置24h以上不凝结、不堵管、可继续泵送,减少了施工过程中管路、设备冲洗工作量.既可连续输送,又可在24h之内间断输送.(4)良好的力学特性　高水速凝材料抗压试验时,当加压至极限载荷试件不发生脆性破坏,塑性变形量较大,残余强度高,有突出的塑性特征.试验采用MTS815刚性伺服机,试件用ZKD高水速凝材料,水灰比为2.5∶1,用 5cm×10cm圆柱形试模成型.单向压力作用下的变形性能:当应变率为5%时,各龄期残余强度的最小值为峰值强度的70.7%,最大可达90.4%;应变率为10%,15%,20%时,残余强度均分别达到峰值强度的59.1%,51.4%,44.4%.说明该材料具有良好的塑性特征,能适应巷道围岩及其他介质的较大变形.三向压力下的变形性能:ZKD高水速凝材料在不同侧压下进行的三轴压缩试验结果与单轴压缩试验结果相比,由于受侧压的影响,其塑性特征更加突出.在轴向应变为5%时,残余强度平均为其峰值强度的95.4%,比单轴压缩时提高了24.2%;当轴向应变高达20%和24%时,其残余强度还分别达到72.9%和65.3%,充分显示了三轴压缩下ZKD高水速凝材料具有优良的塑性性能.极限载荷后强度再发展性能:由于高水速凝材料具有一定的可塑性,故不易发生脆性破坏.当它承受到极限载荷时,在拉应力集中的各点上会出现一些肉眼难以观察到的细微裂缝,只要这些裂缝未达到临界宽度,卸载后继续养护,裂缝能自动愈合,且强度将继续发展.这一性能对井下巷旁充填具有非常重要的实用意义,当充填体受初次来压后,只要未发生宏观破裂,其抗压强度将随龄期的增长而继续发展.

图1　试验地点Fig.1　Testsite

2　试验地点的生产技术条件试验地点位于翟镇煤矿一采区二层煤1201西工作面回风巷(图1).该面倾斜长度平均155m,走向长度1045.6m,其中工作面外段800m为试验段.煤层厚度平均为2.2m,含一层夹矸;煤层倾角平均为8°.1201西工作面为高档普采面,其顶板为复合顶板:伪顶为泥岩,厚度0～0.2m;直接顶为粉砂岩,中间夹一层煤,煤厚平均为0.6m,直接顶岩层总厚度为6.4m左右;老顶为砂岩,厚度约2～10m.底板为粉砂岩和砂岩,其中粉砂岩中间夹有一层煤,煤厚平均为0.6m,而砂岩层较厚,一般在10m以上.

3　沿空留巷旁充填体支护参数设计根据巷旁充填体的作用原理,充填体在工作面后方具有的支护阻力,在顶板活动剧烈期间,应使老顶沿巷旁充填体侧的弯矩达到极限,从而引起拉断破坏,切断老顶岩层,使充填体卸载,有效地维护巷道.按照回采工作面上覆岩层活动的一般规律,在老顶破断稳定以前,巷旁充填体除平衡直接顶外,还必须提供切断老顶的支护阻力;老顶活动稳定以后,充填体主要起维持直接顶和老顶的平衡作用.

271第3期 颜志平等:ZKD高水速凝材料及其泵送充填技术的研究根据上述原理和力学平衡原理可推导出充填体支护阻力的计算公式,即维持直接顶平衡的支护阻力为pz1=ρδ1(x+b+2b′)2/[2(x+b+b′)].(1)

切断老顶的支护阻力为pq=ρδ2(2σtδ2)/(3ρ)+ρδ2(x+b+2b′)2/[2(x+b+b′)]-

σtδ22/[12(x+b+b′)]. (2)

维持老顶平衡的支护阻力为pz2=ρδ2(x+b+2b′)2/[2(x+b+b′)]+(1-t)ρδ2(2σtδ2)/(3ρ)+

　tρδ22(2σtδ2)/(3ρ)/[2(x+b+b′)]-σtδ22/[12(x+b+b′)],(3)

式中,ρ为岩层的平均密度;δ1为直接顶厚度;x为老顶在煤帮侧的破断位置;b为巷道宽度;2b′为充填体宽度;δ2为老顶厚度;σt为老顶岩层抗拉强度;t为系数,t=(δ2sinθi+Cicosθi)/{2[δ2×sin(θi+45°)+Cicos(45°-θi)]};θi为第i次老顶来压岩梁平衡时的倾斜角度;当直接顶完全冒落后不能充满采空区时θi=arcsin{[h-(Kp-1)δ1]/Ci};h为采高;Kp为直接顶岩层冒落后的碎胀系数,Kp=1.4;Ci为第i次老顶来压步距.经计算,充填体宽度不小于1.2m,所用材料3d抗压强度不小于3.8MPa.由充填体所提供的支护阻力、支承能力、稳定性及充填材料的性能与成本,充填体的宽度选择为1.5m.此外攻关项目要求井下充填试验水灰比为2.5∶1(质量比),因此高水净浆材料充填时,胶结料用量为354kg/m3,配制的

充填材料经实验室测定:24h强度为3.83MPa,7d强度为5.02MPa;高水灰渣材料充填时,胶结料用量为300kg/m3,粉煤灰用量为250kg/m3,配制的充填材料经实验室测定:24h强度为3.91MPa,

7d强度为4.97MPa.

4　巷旁充填工艺系统4.1　充填工艺选择机械化构筑护巷带,其方式据材料输送形式的不同可分为两类:风力输送和水力输送.风力输送一方面输送距离短,一般只有100～200m,且工作环境灰尘多,对人体有害;另一方面加水量控制较困难,容易造成固结体整体浇注效果降低.水力输送以往因受充填泵本身功能的限制,只能输送净浆材料,对灰渣等颗粒较大的材料无法输送,而由中国矿业大学设计、镇江煤矿专用设备厂制造生产的BYZ-

120/10新型液压柱塞泵解决了无法输送较大颗粒(粒径小于5mm)充填材料的问题,可远距离

输送灰渣.翟镇煤矿1201西回风巷走向长度大于1000m,且既要输送净浆,又要输送灰渣.因此,选择以BYZ-

120/10新型液压柱塞泵为主要充填设备的水力输送充填工艺系统进行工业性试验.

4.2　充填工艺系统设计整个充填工艺系统包括地面充填材料储存、运输、井下充填泵站、充填管路、充填点等5个环节,其中最主要的是井下部分.井下充填系统见图2,其主要工艺流程为:充填点支护、安装模板※分别加水并上料搅拌※分别输送料浆※料浆经混料器混合※注入钢模板或充填袋※拆卸模板.使用高水灰渣材料进行充填时,采用活动钢模板(图3).该模板主要由5号角钢和2mm厚的薄钢板焊接而成,上下块模板之间用螺栓紧密连接,其间夹一块软胶皮防漏.使用高水净浆材料进行充填时,采用网状框架模板,其结构与活动钢模板相似,主要由5号角钢和

272煤 炭 学 报 1997年第22卷　图2　充填工艺系统 图3　活动钢模板(不含顶部皮带)Fig.2　ThepackingsystemFig.3　Assemblingofmovablesteelforms

8号铁丝焊接而成.使用时不需用螺栓连接,只需根据充填袋内浆液高度逐步安装.5　沿空留巷巷旁充填护巷效果分析5.1　留巷期间巷道围岩变形特征(1)工作面前方巷道围岩变形情况　根据现场实测,巷道围岩收敛情况如图4,5所示(文中“+”、“-”分别表示测站在工作面前、后方),由于受回采工作面超前支承压力的影响,从工作面前方40～50m起,巷道围岩开始有所变化.自工作面前方20m处开始,巷道围岩变形急剧增大.以测站Ⅲ为例,在工作面前方20m范围内,顶底板平均相对移近量为64mm,占工作面前方顶底板平均总移近量的67%;两帮相对移近量为56mm,占工作面前方两帮总移近量的80%.从移近速度来看,在工作面前方30～50m范围内,两帮及顶底板平均移近速度为2mm/d;而在工作面前方0～20m范围内,移近速度平均达6mm/d.

图4　巷道围岩变形量的变化情况 图5　巷道围岩变形速度的变化情况Fig.4　Changeofrockdeformation Fig.5　Changeofspeedofrockdeformation

(2)工作面后方留巷围岩收敛情况　由图4,5可见,构筑巷旁充填体后,巷道围岩变形大致分为4个阶段:第1阶段,在0～-10m范围内,采空侧由单体液压支柱支护,顶底板的相对移近量较小;第2阶段,在-10～-40m范围内,由于受到工作面周期来压的影响,上覆岩层活动剧烈,上位岩层以上帮煤体内顶部某处为轴线旋转下沉,巷道围岩变形剧烈,两帮、顶底板相对移近速度均达到最大值10mm/d,其峰值位置在工作面后方25m左右处.其顶底板平均相对移近量为120mm,两帮为80