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矿山长方体预制充填材料及T型支架充填开采技术分析
摘要：随着充填采矿法在矿山得到了广泛应用，随之而来是要求充填材料、充填工艺、技术装备的不断与时俱进，长方体预制充填材料和T型支架充填开采技术，就是结合矿山实际提出的技术改进方案，可以最大程度地充分发挥充填法开采优势，提高充填开采的效果，确保充填开采施工期间安全。
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1、充填料充填采空区来控制岩支撑方法
充填采矿法是指伴随割煤､支护､运输及抽采､排水等辅助其他作业的同时,用充填料充填采空区来控制岩层移动和支撑采空区的方法｡在当前采矿充填工艺中,充填材料和充填工艺的选择,给矿山企业实际操作造成了诸多困扰,采空区充填充实率和充填工作效率难题凸显,鉴于这种情况,结合矿山回采工艺和流程以及一般顶板垮落特性,对充填材料和支护工艺进行改良｡
2、矿山充填工艺调查与分析
2.1充填的目的
一是保护围岩的完整性,减少采动对岩层扰动;二是防止出现采空塌陷,减轻采动对地表地物和生态环境的影响;三是形成稳定支护;四是尽量保持围岩完整性,减少围岩应力变化;五是保证上下联合开采时生产的安全;六是解决采矿伴生废料,保护环境｡
2.2充填方式分类
当前,按照充填方式划分,可分为水力充填､机械充填､自重充填和风力充填等多种方式｡充填材料包括矸石､粉煤灰､黄土等｡充填材料的形式包括粉末状､颗粒状和泥浆状等｡
3、矿山长方体预制充填材料
为了尽量减少当前充填采矿法在回采工艺､充填工艺方面的难题,加强充填工艺支护效果,减少安全风险,现就充填材料进行优化｡
3.1矿山长方体预制充填材料
长方体预制充填材料,便于实际操作,支护速度快､效率高,可以最大程度地充实采空区,减少当前粉碎材料､水性材料等达到支护强度时间长,支护强度达到设计要求强度难以及采空区三角区支护难题,有效控制了空顶的距离,主动支护初撑力和被动支护的支撑力都有明显优势,提高采空区顶板的支护强度等｡长方体预制充填材料成分主要是矸石､粉煤灰､黄土､粘结性辅料和水泥等｡也可以消化当地达到环保要求的生活､建筑和工业垃圾等｡
长方体预制充填材料形状规则,尺寸可根据实际需求定制,一般按照矿山割煤进深来确定预制充填材料的长度,宽度和高度根据充填材料的材质来确定,一般以30cm×20cm为标准(建议重量为一个成年男子可以方便操作为参考值)｡同时结合回采工作面的实际情况,可以定制异形砖,方便实际支护使用｡
3.2充填工艺支护强度计算
充填工艺由于受到支护时间､支护强度､支护距离和支护预期效果等诸多因素影响,一直以来不能较为准确地确定充填材料理论支护强度等参数信息,长方体预制充填材料应用后,很好地解决了这一难题,减少了原有充填材料存在的不确定因素影响｡
常规回采工作面支护强度计算方法:全部垮落法回采工作面顶板支护强度计算方式为估算法,即P=(6-8)×M×r×9.8×103｡式中:P—支架工作阻力;M—采高;r—容重｡按照长方体预制充填材料支护原理和实际情况,长方体预制充填材料充填回采工作面顶板支护由于直接顶和老顶基本上不参与采动变形,所以支护强度计算基本上参照巷道支护理论｡即:(1)工作面煤帮与充填支护体受挤压深度C｡C=(KN/B)Cos(a/2)h×tg(45-ψ/2)｡式中:K—自然平衡拱角应力集中系数;N—上覆支撑岩层重;B—围岩系数;a—煤层倾角;h—回采高度;ψ—煤体内摩擦角｡(2)潜在冒落高度h｡h=a/B｡式中:a—采动最大跨度;B—围岩系数｡根据支护强度估算值确定长方体预制充填材料支护参数｡长方体预制充填材料的主要指标之一是抗压强度,参照相关承压材料强度标准,长方体预制充填材料抗压强度技术指标一般应不小于3.0MPa｡
实际工作中,要根据地质条件情况和采空受应力情况适时调整长方体预制充填材料强度值｡
长方体预制充填材料的强度与成分配比关系密切,当水灰比相等时,高标号水泥比低标号水泥配制出的长方体预制充填材料抗压强度高许多,因此,要合理配比水灰比,以确保长方体预制充填材料强度｡
混合料对长方体预制充填材料强度也有一定影响,所以,制作长方体预制充填材料时,首先由技术负责人现场确定混合料配比,施工中,严格控制各项指标含量,并根据现场混合料含水率及时调整水灰比,以保证混凝土配合比｡同时,长方体预制充填材料质量又与外加剂的种类､掺入量､掺入方式有密切的关系,为了不影响长方体预制充填材料强度,所以要充分考虑温度､湿度和养护等要素｡
3.3长方体预制充填材料的特性与优势及缺点
长方体预制充填材料能更好地适应采空区空间,提高充填的密实度和支撑效果,且预制过程可保证材料质量的均匀性和可靠性,便于运输和施工｡
缺点是运输量大,运输和储存需要较大空间｡按照常规工作面200m,采高3m进行工程量估算,回采工作面一个循环(割一刀煤),采空区空出面积为600m2,按照长方体预制充填材料300mm×200mm规格计算,回采工作面一个循环就需要长方体预制充填材料约10000块,按照600mm或800mm的进深,每一循环所需运输体量为360m3或480m3,运输量巨大｡
3.4长方体预制充填材料的材料选择与制备
常用的材料包括矸石､粉煤灰､水泥､黄土等,通过合理配比和添加外加剂,改善充填材料的性能｡制备过程需严格控制原材料的质量､搅拌时间､成型工艺和养护条件等,以确保预制充填材料达到设计要求｡
4、矿山T型支架技术
4.1矿山T型支架结构与作用
梯形支架类似于垛式支架,由顶梁､两根垂直立柱和底座等部件组成｡支架分煤壁侧和采空侧,煤壁侧顶梁前加装护帮板,采空侧顶梁前加装可伸缩顶梁(长60cm)和后护板,顶梁两侧加装侧护板｡底座煤壁侧加装推移刮板机千斤顶,底座采空侧加装可调节后护板｡在充填开采中,梯形支架具有良好的承载能力和稳定性,可有效支撑顶板,为充填作业提供安全空间,还能与充填体协同作用,共同承担上覆岩层的压力,有效控制采场围岩变形｡
4.2矿山T型支架支护原理
4.2.1支架的升降｡液压支架升降是通过三阀(操纵阀､液控单向阀和安全阀)操作立柱的升降来实现的,立柱支承在顶梁和底座之间｡支架分初撑､承载､卸载阶段三个工序｡初撑工序:液压支架按照常规性的支架操作方法进行托起动作,顶梁结顶后达到设定的初撑值时,液控阀关闭,完成液压支架的初撑工作要求｡承载工序:当初撑工序完成后,液压支架开始工作,支架的工作状态会根据承压的变化而出现一个抛物线的状态,刚开始承压时压力不断升高,直到到达支架承压峰值,而后随着支撑压力继续升高,达到额定压力后,安全阀启动,液压支架承压逐渐回到安全承压范围内｡卸载工序:液压支架完成支撑任务后,开启卸载程序,直至达到设定的卸载承压值或完全卸载后,卸载工序完成｡
4.2.2支架推移｡液压支架的推移包括两个动作:一是把刮板运输机推向煤壁,二是把液压支架向前移｡启动操纵阀手柄,完成推移工序｡
4.2.3完成调架､侧护､护帮护顶等工序｡
4.3矿山T型支架充填工艺
采煤过程中,随着工作面推进,在梯形支架后方及时进行充填作业｡先将长方体预制充填材料运输到采空区,采用人工或机械方式将其放置在支架后方的充填空间内,通过堆实､码齐等操作,使充填材料紧密排列,形成稳定的充填体｡
5、长方体预制充填工艺安全管理
长方体预制充填材料充填开采工艺安全管理措施涉及多个关键方面,具体内容为:
5.1充填材料管理
5.1.1材料选择｡依据矿山地质条件､开采要求等,选安全性能好､充填效果优的材料,如矸石､粉煤灰等,确保材料无自燃､无毒有害等问题｡
5.1.2质量检验｡对进场材料严格按标准检验,查粒度､含水率､强度等指标,不合格材料严禁用,建立检验记录档案｡
5.1.3材料储存｡设专门储存场地,防材料受潮､淋雨､混入杂物,不同材料分类存放并标识清晰｡
5.2充填设备管理
5.2.1设备选型与配置｡据充填工艺和规模,选合适设备并合理配置,保证设备性能可靠､匹配度高｡
5.2.2设备维护与检修｡制定完善制度,定期维护检修,做好记录,及时处理故障隐患,确保设备正常运行｡
5.2.3设备操作规范｡为设备操作人员编详细操作规程,要求其熟悉设备性能和操作方法,经培训考核合格后持证上岗,操作时严格执行规程｡
5.3充填过程安全管理
5.3.1充填前准备工作｡充填前全面检查采空区,清理杂物､修复支护,确保通道畅通､支护牢固,同时对充填系统各环节进行调试检查｡
5.3.2充填过程控制｡严格按设计参数和工艺要求控制充填速度､压力､流量等参数,设专人监测,发现异常及时处理｡
5.3.3充填质量监测｡用多种手段监测质量,如钻孔取芯､物探等,发现问题及时调整充填参数或采取补救措施｡
5.4通风与瓦斯管理
5.4.1通风系统优化｡根据充填开采布局和流程,优化通风系统,保证风流稳定､畅通,为作业人员提供良好环境｡
5.4.2瓦斯监测与管理｡合理设瓦斯监测点,实时监测瓦斯浓度,瓦斯超限时立即停止作业,采取措施处理｡
5.4.3防止瓦斯积聚｡加强对采空区等易积聚瓦斯区域的管理,采取有效措施防止积聚,如合理控制充填进度等｡
5.5防灭火管理
加强对采空区落煤和积尘管理,采取人工或束管监测等手段,实时监测采空区CO浓度,发现超限时立即停止作业,采取措施处理｡
5.6顶板管理
5.6.1顶板监测｡安设顶板压力监测设备,实时监测顶板压力变化,分析数据预判来压时间和强度,同时加强现场巡查｡
5.6.2支护加强｡根据顶板情况,采取加强支护措施,如增加支架密度等,确保支护可靠,支护材料和工艺符合要求｡
5.6.3充填与顶板协同管理｡合理安排充填时间和进度,使充填体及时支撑顶板,控制顶板下沉和变形｡
5.7人员培训与应急管理
5.7.1人员培训教育｡对相关人员开展多层次培训教育,包括安全知识､操作规程等,提高安全意识和操作技能,定期组织考核｡
5.7.2应急预案制定｡结合实际制定完善应急预案,涵盖充填事故等各类可能灾害,明确应急组织机构､职责分工等内容｡
5.7.3应急演练｡定期组织演练,检验完善预案,提高应急响应和救援能力,使员工熟悉应急流程和自救互救方法｡
5.8其它管理
5.8.1两端头和支护中断遗留三角区要强度支架全部打开,防止出现支护空白区｡
5.8.2要保持两个出口,并设有照明设备和视频设备｡
5.8.3充填时,各工序间应有通讯联系,平行作业要制定安全技术措施｡
5.8.4严禁人员在拉架影响范围内进行充填作业｡
5.8.5长方体预制充填材料在运输和充填作业过程中,严禁人员进入机械运行区域｡
参考文献:
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文章来源:陈富牛.矿山长方体预制充填材料及T型支架充填开采技术分析[J].石材,2025,(05):1-3.
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主办单位：山西省能源研究会,山西省节能研究会
出版地方：山西
专业分类：科学
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国内刊号：14-1360/TD
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创刊时间：1996年
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2025-05-07
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