濟(jì)三沿空留巷實(shí)施方案.doc

濟(jì)三煤礦3上中厚煤層大斷面巷道沿空留巷技術(shù)研究實(shí) 施 方 案兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號(hào)煤礦山東科技大學(xué)2011年7月 目錄1項(xiàng)目研究的必要性22研究?jī)?nèi)容63主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)、項(xiàng)目最終目標(biāo)84關(guān)鍵技術(shù)85研究方法與技術(shù)線路86數(shù)值模擬分析97濟(jì)三煤礦沿空留巷實(shí)施方案138可行性及可靠性分析、論證509對(duì)安全、環(huán)境、健康的影響性分析5110研究基礎(chǔ)及技術(shù)條件5111經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益分析5212項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度計(jì)劃5413經(jīng)費(fèi)計(jì)劃5514項(xiàng)目組成員及分工561項(xiàng)目研究的必要性1.1國(guó)內(nèi)沿空留巷的現(xiàn)狀沿空留巷技術(shù)自20世紀(jì)50年代在我國(guó)開始使用以來(lái)，一直是我國(guó)煤炭開采的重要技術(shù)發(fā)展方向。到目前為止，我國(guó)在沿空留巷理論與技術(shù)研究方面做了大量的工作，在條件較好的薄及中厚煤層采煤工作面的沿空留巷技術(shù)已日趨完善，巷旁支護(hù)、巷內(nèi)支護(hù)、加強(qiáng)支護(hù)及煤幫加固技術(shù)已趨成熟，但在條件困難的中厚煤層或厚煤層較大斷面巷道中采用沿空留巷技術(shù)仍存在著一些技術(shù)難題，使得一些礦井在應(yīng)用沿空留巷技術(shù)時(shí)沒有取得預(yù)期的效果，甚至留巷失敗，從而限制了沿空留巷技術(shù)在我國(guó)更廣泛地推廣應(yīng)用。1.1.1沿空留巷支護(hù)技術(shù)的發(fā)展歷程根據(jù)沿空留巷巷內(nèi)和巷旁支護(hù)方式，我國(guó)沿空留巷技術(shù)的發(fā)展歷程，大致可分為以下四個(gè)階段。第一階段，20世紀(jì)50年代起，在煤厚1.5m以下的煤層中嘗試著用矸石墻作巷旁支護(hù)，巷內(nèi)主要采用木棚支護(hù)，其存在著矸石的沉縮量大、巷內(nèi)支架變形嚴(yán)重、維護(hù)工作量大、工人壘砌矸石的工效低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性差等問(wèn)題，其應(yīng)用范圍受到極大限制。第二階段，20世紀(jì)60年代至70年代，在1.52.5m厚的煤層中應(yīng)用密集支柱、木垛、矸石帶、砌塊等作為巷旁支護(hù)，巷內(nèi)多采用木棚、工字鋼梯形支架支護(hù)，沿空留巷取得了一定成功，并得到了一定程度的應(yīng)用。第三階段，20世紀(jì)80年代至90年代，在大力推行綜合機(jī)械化采煤后，隨著采高不斷增大，我國(guó)煤礦工作者在引進(jìn)、吸收國(guó)外的沿空留巷技術(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)展了巷旁充填護(hù)巷技術(shù)，巷內(nèi)多采用U型鋼可縮性金屬支架。90年代初期，沿空留巷理論與技術(shù)有了較大的發(fā)展，但由于巷內(nèi)支護(hù)大多為被動(dòng)支護(hù)，加之巷旁充填技術(shù)還不完善，其支護(hù)技術(shù)難以適應(yīng)大斷面沿空留巷的要求，在90年代中后期，沿空留巷技術(shù)應(yīng)用范圍又呈減少趨勢(shì)。第四階段，21世紀(jì)以來(lái)，隨著錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)的推廣應(yīng)用和巷旁充填技術(shù)的不斷完善，我國(guó)在厚煤層綜放工作面進(jìn)行了沿空留巷技術(shù)試驗(yàn)研究，如潞安礦務(wù)局常村煤礦S2-6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)運(yùn)用高水材料充填加上空間錨栓加固網(wǎng)技術(shù)，進(jìn)行綜放大斷面沿空留巷試驗(yàn)，并取得初步成功。1.1.2沿空留巷理論研究現(xiàn)狀國(guó)外沿空留巷研究已有較長(zhǎng)的歷史，較有影響的理論是英國(guó)南威爾斯大學(xué)斯麥脫(Smart)于1982年提出的巖梁傾斜理論。該理論認(rèn)為巷旁支護(hù)對(duì)巷道基本頂起控制作用，主張用控制巷道煤柱側(cè)和巷旁支護(hù)側(cè)的頂板下沉量，即控制頂板傾斜度的方法作為設(shè)計(jì)巷旁支護(hù)工作阻力和可縮量的依據(jù)。孫恒虎教授等根據(jù)煤層頂板特征和彈塑性力學(xué)的有關(guān)理論，將長(zhǎng)壁工作面沿空留巷的煤層頂板簡(jiǎn)化成了層間結(jié)合力忽略不計(jì)的矩形“疊加層板”，認(rèn)為沿空留巷支護(hù)載荷只與短支承邊界的載荷有關(guān)。郭育光教授等研究認(rèn)為，巷旁支護(hù)應(yīng)具有早期強(qiáng)度高、增阻速度快的特點(diǎn)，緊隨工作面構(gòu)筑，及時(shí)支護(hù)直接頂，避免與上部基本頂離層，并切斷直接頂，減小巷旁支護(hù)載荷，控制巷道變形隨著工作面推進(jìn)，巷旁支護(hù)阻力應(yīng)達(dá)到切頂阻力，當(dāng)基本頂彎矩在巷旁支護(hù)邊緣附近達(dá)到極限時(shí)，切斷基本頂?？迓涞捻肥捎谄扑楹篌w積增大，當(dāng)充滿采空區(qū)時(shí)，更上位巖層在煤體和矸石的支撐下取得運(yùn)動(dòng)平衡，巷道圍巖變形趨向緩和。采高決定巷旁支護(hù)的切頂高度。巷旁支護(hù)阻力大小應(yīng)根據(jù)塊體不同時(shí)期的平衡條件推導(dǎo)出不同時(shí)期的巷旁支護(hù)阻力的計(jì)算式。李化敏教授分析了沿空留巷頂板巖層運(yùn)動(dòng)的過(guò)程及其變形特征，明確了頂板巖層運(yùn)動(dòng)各階段巷旁充填體的作用，根據(jù)充填體與頂板相互作用原理，確定了各階段沿空留巷巷旁充填體支護(hù)阻力的控制設(shè)計(jì)原則，并建立了相應(yīng)的支護(hù)阻力及合理壓縮量數(shù)學(xué)模型。漆泰岳教授等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論分析對(duì)不同圍巖條件下基本頂斷裂引起的整體澆注護(hù)巷帶的支護(hù)強(qiáng)度和變形能力進(jìn)行了深入研究，提出了使沿空留巷巷道保持穩(wěn)定的整體澆注護(hù)巷帶支護(hù)強(qiáng)度與變形的理論計(jì)算方法，進(jìn)而對(duì)沿空留巷整體澆注護(hù)巷帶的適應(yīng)性進(jìn)行了研究。謝文兵博士等在工程實(shí)踐基礎(chǔ)上，采用適于分析巖層斷裂和垮落的數(shù)值分析軟件UDEC建立相應(yīng)的數(shù)值分析模型，詳細(xì)分析了綜放沿空留巷圍巖移動(dòng)規(guī)律，系統(tǒng)分析了基本頂斷裂位置、端頭不放頂煤長(zhǎng)度、原有巷道支護(hù)技術(shù)、充填體寬度充填方式和充填體強(qiáng)度對(duì)綜放沿空留巷圍巖穩(wěn)定性影響規(guī)律，得出了許多有益的結(jié)論。研究結(jié)果表明，在保證頂煤及頂板穩(wěn)定前提下，合理利用圍巖移動(dòng)規(guī)律，確定合理充填方式和充填體強(qiáng)度，既能保證充填體穩(wěn)定，又能達(dá)到很好的留巷效果。朱川曲教授等根據(jù)綜放沿空留巷圍巖變形大且圍巖力學(xué)參數(shù)中有許多隨機(jī)變量的特征，闡述了其支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠性分析的必要性。應(yīng)用工程結(jié)構(gòu)可靠性理論，建立了綜放沿空留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠性分析模型，得到了支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠度的計(jì)算公式。研究認(rèn)為，通過(guò)合理選擇錨桿類型、加大錨桿支護(hù)密度、改善錨固體及充填材料力學(xué)性能等措施，可達(dá)到提高綜放沿空留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠性的目的。華心祝從如何提高頂板巖層的自承載能力入手，提出了一種主動(dòng)的巷旁加強(qiáng)支護(hù)方式巷旁錨索加強(qiáng)支護(hù)，建立了考慮巷幫煤體承載作用和巷旁錨索加強(qiáng)作用的沿空留巷力學(xué)模型，并分析了巷內(nèi)錨桿支護(hù)和巷旁錨索加強(qiáng)支護(hù)的作用機(jī)理。利用理論分析所得結(jié)論，進(jìn)行了工程實(shí)踐，為較大采高工作面沿空留巷技術(shù)提供了理論依據(jù)和借鑒經(jīng)驗(yàn)。1.1.3沿空留巷巷內(nèi)和巷旁支護(hù)主要形式（1）巷內(nèi)支護(hù)主要形式目前我國(guó)沿空留巷巷內(nèi)主要支護(hù)形式有以下幾種：工字鋼梯形剛性金屬支架；工字鋼梯形可縮性金屬支架；U型鋼可縮性金屬支架；錨桿支護(hù)；錨網(wǎng)索支護(hù)；聯(lián)合支護(hù)。（2）巷旁支護(hù)主要形式我國(guó)煤礦在應(yīng)用沿空留巷技術(shù)時(shí)，絕大多數(shù)都要設(shè)置巷旁支護(hù)。應(yīng)用較多的巷旁支護(hù)形式有以下幾種：木垛；密集支柱；矸石帶；砌塊墻；巷旁充填墻。1.1.4沿空留巷技術(shù)存在的問(wèn)題及改進(jìn)建議到目前為止，我國(guó)在沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用方面進(jìn)行了許多的探索，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，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，由于我國(guó)煤礦地質(zhì)條件多樣，沿空留巷圍巖控制機(jī)理研究復(fù)雜、巷旁支護(hù)技術(shù)還不十分完善，在沿空留巷技術(shù)研究與應(yīng)用中仍存在著不足之處，目前在支護(hù)設(shè)計(jì)思路、巷內(nèi)支護(hù)、巷旁支護(hù)及理論研究方面還存在一定問(wèn)題。支護(hù)設(shè)計(jì)思路問(wèn)題。以往采用沿空留巷技術(shù)，支護(hù)設(shè)計(jì)思路不合理，大多將工作面回采前的巷道掘進(jìn)與回采后的留巷相互獨(dú)立，沒有統(tǒng)籌考慮，沒有將沿空留巷視為一項(xiàng)系統(tǒng)工程，如在對(duì)需要保留的巷道掘進(jìn)前，進(jìn)行巷道支護(hù)形式選擇和支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，沒有預(yù)先考慮后期沿空留巷技術(shù)的需要，從而導(dǎo)致沿空留巷后巷內(nèi)支護(hù)體強(qiáng)度不能滿足兩次采動(dòng)影響的要求、巷內(nèi)支護(hù)與巷旁支護(hù)不匹配，使留巷效果達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，甚至失敗。巷內(nèi)支護(hù)問(wèn)題。大量理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明，如何提高巷道圍巖強(qiáng)度，并正確選擇合適的巷內(nèi)支護(hù)方式是保證所留巷道在留巷后巷道穩(wěn)定的關(guān)鍵。隨著綜采、綜放采煤技術(shù)的發(fā)展，工作面采高逐漸加大，由于工作面一次采出的煤層厚度增大，上覆巖層活動(dòng)程度及波及的范圍相應(yīng)增加，回采巷道壓力隨采高的增加而增加，以及已采區(qū)和工作面采動(dòng)引起的支承壓力的疊加作用，使巷道圍巖應(yīng)力增加，使得工作面超前支承壓力影響距離加大，礦壓顯現(xiàn)劇烈，沿空留巷的頂板下沉量隨開采厚度增加而增大，在工作面前方附近，巷道斷面收縮率較大，若不采取合理的巷內(nèi)支護(hù)方式將所留巷道的變形控制在一定的范圍內(nèi)，則很難保證所留巷道在下區(qū)段回采時(shí)能正常使用。以前國(guó)內(nèi)沿空留巷巷內(nèi)支護(hù)多采用金屬支架，屬被動(dòng)支護(hù)，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，因此有必要采用一種能主動(dòng)提供支護(hù)阻力的巷內(nèi)支護(hù)方式。巷旁支護(hù)問(wèn)題。巷旁支護(hù)作為沿空留巷的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，在我國(guó)一直沒有得到很好地解決。傳統(tǒng)的巷旁支護(hù)存在支護(hù)阻力、可縮性等力學(xué)性能與沿空留巷圍巖變形不相適應(yīng)、密閉性能差和機(jī)械化程度低等缺點(diǎn)，不利于巷道維護(hù)和防止采空區(qū)漏風(fēng)與自燃發(fā)火。所以，長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)沿空留巷基本上只是應(yīng)用在條件較好的薄及中厚煤層，條件困難或厚煤層中采用這種方式留巷成功率不高，大部分留巷需要翻修方可復(fù)用。傳統(tǒng)的巷旁支護(hù)方式只適用于中厚以下煤層的低瓦斯礦井和無(wú)自然發(fā)火傾向的煤層。高水速凝材料與高水灰渣材料巷旁充填、硬石膏等風(fēng)力充填，都需要建立一套較為復(fù)雜的充填系統(tǒng)，而且充填設(shè)備性能不佳、充填材料成本較高。沿空留巷理論研究問(wèn)題。沿空留巷與一般的回采巷道不同，其巷道的一側(cè)幫為煤體，另一側(cè)幫為巷旁支護(hù)體，屬大變形圍巖，同時(shí)，還必須承受掘進(jìn)和兩次強(qiáng)烈的采動(dòng)產(chǎn)生的疊加應(yīng)力的影響，礦壓顯現(xiàn)劇烈，它是一項(xiàng)極其復(fù)雜的工程技術(shù)，但到目前為止，對(duì)沿空留巷圍巖控制機(jī)理研究不夠深入，對(duì)沿空留巷所處的應(yīng)力環(huán)境及其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律掌握不夠，構(gòu)建的沿空留巷受力模型還不完善，還沒有一套行之有效的沿空留巷支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，不能很好的指導(dǎo)沿空留巷工程實(shí)踐，從而帶來(lái)以下兩種后果：一是因缺乏理論上的正確指導(dǎo)，在沿空留巷支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，認(rèn)為安全系數(shù)越高越好，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失；二是在沿空留巷設(shè)計(jì)時(shí)，常因巷內(nèi)支護(hù)和巷旁支護(hù)參數(shù)選擇不合理而導(dǎo)致留巷失敗，影響正常生產(chǎn)和煤礦安全，并造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。1.2項(xiàng)目研究的必要性 沿空留巷是煤礦開采技術(shù)的一項(xiàng)重大改革，它可以解決煤礦生產(chǎn)中的許多重大技術(shù)難題。（1）緩解接續(xù)緊張矛盾濟(jì)三煤礦原煤年生產(chǎn)能力達(dá)到700萬(wàn)噸左右，正常需要3個(gè)綜采工作面才能保證產(chǎn)量，工作面接續(xù)任務(wù)十分艱巨，加之地質(zhì)條件復(fù)雜，掘進(jìn)速度緩慢，常常造成接續(xù)緊張，由于沿空留巷少掘一條巷道，可以有效緩解采掘接續(xù)緊張的矛盾，大幅度降低掘進(jìn)率。（2）生產(chǎn)系統(tǒng)更加優(yōu)化為了便于沿空留巷和優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)，掘進(jìn)時(shí)寬巷掘進(jìn)，預(yù)留留巷空間。這樣不僅簡(jiǎn)化了留巷位置頂板的支護(hù)問(wèn)題，而且使生產(chǎn)系統(tǒng)更加優(yōu)化。首先，沿空留巷在第二個(gè)工作面生產(chǎn)時(shí)，只作回風(fēng)用途，這樣對(duì)沿空留巷巷道斷面和巷道內(nèi)布置要求不是很高，減少維修工作量，使沿空留巷的優(yōu)越性得到進(jìn)一步的體現(xiàn)；其次，為了保證接續(xù)面繼續(xù)進(jìn)行沿空留巷，接續(xù)面的另一條巷道也寬巷掘進(jìn)，寬巷掘進(jìn)的接續(xù)面巷道既作皮帶運(yùn)輸，也作膠輪車輔助運(yùn)輸。（3）提高了煤炭回收率由于沿空留巷取消了3m寬的區(qū)段煤柱，該部分煤柱得以回收使得對(duì)于留巷長(zhǎng)度達(dá)2000m左右，長(zhǎng)度200m的工作面煤炭回收率提高1.5%，單個(gè)工作面就增加上千萬(wàn)的經(jīng)濟(jì)效益。（4）避免了孤島開采沿空留巷使得工作面不再需要進(jìn)行跳采，避免了孤島開采，從而也避免了孤島工作面開采帶來(lái)的一些礦井災(zāi)害與技術(shù)問(wèn)題，尤其是深部孤島開采帶來(lái)的諸如高支承壓力等一系列問(wèn)題。（5）相鄰的濟(jì)二煤礦在類似條件下已取得了沿空留巷的成功，在總結(jié)濟(jì)二煤礦成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，使?jié)旱V沿空留巷有了更多成熟的經(jīng)驗(yàn)和成功的把握。2研究?jī)?nèi)容（1）濟(jì)二煤礦沿空留巷存在問(wèn)題的總結(jié)及改進(jìn)濟(jì)二煤礦沿空留雖然取得了成功，但同時(shí)也暴露了一些問(wèn)題，濟(jì)三煤礦沿空留巷的條件和濟(jì)二煤礦相似，因此，濟(jì)三煤礦除了借鑒濟(jì)二煤礦成功的經(jīng)驗(yàn)外，更重要的是要改進(jìn)濟(jì)二煤礦沿空留巷中存在的問(wèn)題，簡(jiǎn)化留巷工藝，提高留巷速度。（2）濟(jì)三煤礦沿空留巷理論研究針對(duì)濟(jì)三煤礦的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，利用理論分析、數(shù)值模擬等技術(shù)手段研究濟(jì)三煤礦沿空留巷的力學(xué)特征，確定合理的沿空留巷巷旁支護(hù)強(qiáng)度，確定沿空留巷墻體的混凝土強(qiáng)度等級(jí)及墻體參數(shù)，為混凝土的研制提供依據(jù)。（3）沿空留巷泵送混凝土研制研究適合濟(jì)三煤礦沿空留巷的早強(qiáng)泵送自流平混凝土，要求混凝土流動(dòng)性好便于泵送，自密實(shí)、脫模早、強(qiáng)度提高快便于提前支承頂板，適應(yīng)綜采速度。首先根據(jù)混凝土理論進(jìn)行配合比計(jì)算，然后再進(jìn)行試驗(yàn)，配置符合上述要求的混凝土。（4）混凝土管路泵送系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)濟(jì)三煤礦巷道布置、生產(chǎn)組織、回采進(jìn)度等要求，設(shè)計(jì)濟(jì)三煤礦沿空留巷混凝土管道泵送系統(tǒng)，對(duì)輸送泵、攪拌機(jī)、管路進(jìn)行配套和選型設(shè)計(jì)，使混凝土泵送能力適應(yīng)回采速度，達(dá)到輸送能力、輸送距離和堵管率的最佳配合。（5）混凝土制備材料輸送攪拌系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了簡(jiǎn)化運(yùn)輸系統(tǒng)、提高配料準(zhǔn)確性，在采區(qū)外合適的地方設(shè)置干料拌合站，對(duì)混凝土進(jìn)行干料預(yù)拌，預(yù)拌的干料通過(guò)膠輪車輸送到泵站進(jìn)行濕拌。（6）模盒、掩體支架設(shè)計(jì)沿空留巷巷旁支護(hù)采用混凝土墻，墻體采用模盒混凝土澆注形成，模盒既是混凝土形成的模具，又必須具有支撐頂板、保護(hù)墻體、脫模方便、自動(dòng)前移等特點(diǎn)。掩體支架在采空區(qū)側(cè)保護(hù)澆筑的混凝土墻體拆模后不過(guò)早受力。掩體支架具有支撐力大、支撐長(zhǎng)度長(zhǎng)、寬度小、自動(dòng)前移等特點(diǎn)。（7）充填巷道超前、滯后支護(hù)設(shè)計(jì)（8）混凝土墻澆筑充填工藝設(shè)計(jì)（9）通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（10）安全技術(shù)措施（11）現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及實(shí)施效果分析。3主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)、項(xiàng)目最終目標(biāo)3.1主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)（1）沿空留巷施工速度適應(yīng)綜采工作面推進(jìn)速度；（2）每天推進(jìn)度達(dá)到八刀；（3）墻高3m；（4）施工工藝簡(jiǎn)單、安全、可靠；（5）留巷成本不超過(guò)新掘巷道成本。3.2項(xiàng)目研究達(dá)到的最終目標(biāo)項(xiàng)目研究的最終目標(biāo)是保證沿空留巷成功，少掘一條巷道，實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開采，緩解回采接續(xù)緊張的矛盾。具體包括：（1）具有合理的充填方式和充填參數(shù)；（2）可靠的頂板控制方案，保證充填墻上方的頂板完整；（3）簡(jiǎn)單易行的充填工藝，對(duì)回采不造成大的干擾和影響；（4）具有安全可靠的充填空間臨時(shí)支護(hù)；項(xiàng)目研究的總體水平擬達(dá)到國(guó)際先進(jìn)的水平。4關(guān)鍵技術(shù)（1）巷旁支護(hù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)（2）墻體混凝土試驗(yàn)研制（3）模盒及臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)（4）混凝土遠(yuǎn)距離輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)（5）沿空留巷工藝及流程5研究方法與技術(shù)線路5.1研究方法本項(xiàng)目采用調(diào)研、調(diào)查、理論研究、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等研究方法。5.2技術(shù)路線工程地質(zhì)調(diào)查評(píng)估沿空留巷應(yīng)用調(diào)研理論研究數(shù)值模擬實(shí)施方案設(shè)計(jì)、論證及確定工業(yè)性試驗(yàn)效果驗(yàn)證、對(duì)比進(jìn)一步優(yōu)化推廣應(yīng)用。圖5.1 技術(shù)路線圖6數(shù)值模擬分析巖體是一種地質(zhì)材料，它經(jīng)受了長(zhǎng)期的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)與地質(zhì)構(gòu)造作用，在一定的地質(zhì)環(huán)境中形成一定的結(jié)構(gòu)，顯現(xiàn)出了寬廣和多變的材料響應(yīng)范圍。與一般工程材料相比，其最大特點(diǎn)是具有結(jié)構(gòu)上的不連續(xù)性，多為層面和節(jié)理面等弱面所切割。一般從宏觀意義上說(shuō)，巖體可視為連續(xù)介質(zhì)，從而可以用彈性力學(xué)或塑性力學(xué)的方法進(jìn)行分析和計(jì)算。但是在某些情況下，巖體卻不能作為連續(xù)介質(zhì)，如地下節(jié)理巖體中的巷道，這時(shí)就不宜用處理連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算。因?yàn)楣こ讨兴姷降膸r體其形態(tài)常呈非連續(xù)結(jié)構(gòu)，所形成的巖石塊體運(yùn)動(dòng)和受力情況多是幾何或材料非線性問(wèn)題，所以很難用解決連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問(wèn)題的有限單元法或邊界單元法等數(shù)值方法來(lái)進(jìn)行求解，而離散元法正是充分考慮到巖體結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，適用于解決節(jié)理巖石力學(xué)問(wèn)題。6.1離散元法（UDEC）的基本原理離散元法也像有限元那樣，將區(qū)域劃分成單元，但是，單元因受節(jié)理等不連續(xù)面的控制，在以后的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，單元節(jié)點(diǎn)可以分離，即一個(gè)單元與其臨近單元可以接觸，也可以分開。單元之間相互的力可以根據(jù)力和位移的關(guān)系求出，而個(gè)別單元的運(yùn)動(dòng)則完全根據(jù)該單元所受的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛頓運(yùn)動(dòng)定律確定。離散元法是一種顯式求解的數(shù)值方法，該方法與在時(shí)域中進(jìn)行的其他顯式計(jì)算相似，例如與解拋物線型偏微分方程的顯式差分格式相似。由于用顯式法時(shí)不需要形成矩陣，因此可以考慮大的位移和非線性，而不用花費(fèi)額外的計(jì)算時(shí)間。6.2建模6.2.1建模原則建立一個(gè)正確的數(shù)值計(jì)算模型是所有工程數(shù)值計(jì)算方法的前提和基礎(chǔ)，UDEC也不例外，其模型應(yīng)遵循以下原則：(1)影響工作面煤壁破壞規(guī)律的因素較多，包括工程地質(zhì)、生產(chǎn)技術(shù)等因素。建模時(shí)，必須分清各影響因素的主次，突出主要因素，并進(jìn)行合理的抽象、概化。(2)煤層地下開采為動(dòng)態(tài)時(shí)空問(wèn)題，因此，煤層的開采、頂板垮落、巷旁充填都是一系列動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，在所設(shè)計(jì)的模型中應(yīng)能夠得以體現(xiàn)。(3)模型乃是實(shí)體的簡(jiǎn)化而不是失真的實(shí)體，因此，構(gòu)建的數(shù)值模型盡量要與實(shí)際相符，并以煤層頂?shù)装鍘r層的物理力學(xué)特性為基礎(chǔ)，通過(guò)反演方法確定煤巖體的等效力學(xué)參數(shù)。(4)巖土工程問(wèn)題實(shí)質(zhì)上是半無(wú)限體問(wèn)題，受計(jì)算機(jī)內(nèi)存及運(yùn)行時(shí)間的限制，建模時(shí)只能考慮一定的計(jì)算范圍，即必須考慮模型的邊界條件，計(jì)算模型范圍的確定以消除邊界效應(yīng)和UDEC運(yùn)算不產(chǎn)生歧異結(jié)果為原則。6.2.2模型判據(jù)巖層屈服判據(jù)，可以采用線彈性假設(shè)來(lái)表征巖體性質(zhì)。但為了掌握煤柱內(nèi)的煤層受力變形情況，亦應(yīng)考慮支承壓力區(qū)內(nèi)的塑性變形，而這種塑性變形一般來(lái)自超限應(yīng)力，所以選擇彈塑性耦合的有限元數(shù)值模型來(lái)模擬支承壓力分布情況。模型破壞采用摩爾庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，即式中：，分別為屈服勢(shì)函數(shù)和應(yīng)變勢(shì)函數(shù)；為粘聚力；為內(nèi)摩擦角；為剪脹角。針對(duì)工作面支承壓力分布與煤壁破壞這一具體問(wèn)題，對(duì)于未開挖區(qū)域的材料本構(gòu)模型選用摩爾庫(kù)倫彈塑性模型，而對(duì)采空區(qū)側(cè)的充填材料本構(gòu)模型則選用彈性模型。6.2.3幾何模型工作面的回采與巷旁支護(hù)的充填均對(duì)其周邊一定范圍內(nèi)的巖體的原巖應(yīng)力產(chǎn)生擾動(dòng)，巖體產(chǎn)生不同程度的變形破壞。根據(jù)圣維南原理，這種擾動(dòng)范圍是有限的。為此，在工程數(shù)值建模中，對(duì)具體工程問(wèn)題給定一個(gè)邊界范圍。本次計(jì)算模型的設(shè)計(jì)幾何尺寸為：150m(長(zhǎng))70m(高)。模型的邊界條件具體界定如下：以3上煤層底板上方50m巖層處作為上邊界，3上煤層底板以下20m作為下邊界，采空區(qū)范圍的寬度為100m。如圖6.1所示。圖6.1 計(jì)算模型6.2.4邊界約束條件(1)左、右邊界為水平位移約束邊界，即x方向的速度和位移矢量均為零。(2)上邊界為自由邊界，計(jì)算模型上覆巖層的自重荷載以外荷載的形式作用于上部邊界。(3)模型的下邊界為全約束邊界，在水平方向(x方向)和豎直方向(y方向)均固定，即x、y方向上的速度和位移矢量均為零。6.2.5 計(jì)算參數(shù)摩爾庫(kù)倫彈塑性模型中主要涉及的巖體物理、力學(xué)參數(shù)為剪切模量(Shear)、體積模量(Bulk)、密度(Density)、內(nèi)摩擦角(Friction)以及粘結(jié)力(Cohesion)，而彈性模型中主要參數(shù)為剪切模量、體積模量。體積模量()和剪切模量(G)可根據(jù)巖體的彈性模量(E)和泊松比()，依據(jù)下式求得： 為了客觀的、真實(shí)的反映3上煤層開采時(shí)的礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律和對(duì)煤壁的影響，模型中巖石的賦存情況、巖性、厚度以及力學(xué)參數(shù)都應(yīng)該參考實(shí)際參數(shù)。模型中主要巖層的巖性、厚度以及力學(xué)參數(shù)見表6.1。表6.1 巖層賦存特征和力學(xué)參數(shù)巖性層厚/m彈模/Gpa密度/g.cm-3泊松比單向抗拉強(qiáng)度/MPa內(nèi)摩擦角/粉砂巖10.221.52.600.193.1235泥巖7.06.32.610.211.0230細(xì)砂巖3.530.22.620.205.8045中砂巖3.527.12.650.285.4234細(xì)砂巖8.1730.22.620.205.8045泥巖4.26.32.610.211.0230細(xì)砂巖7.530.22.620.205.8045粉砂巖5.121.52.600.193.1235泥巖6.86.32.610.211.0230細(xì)砂巖10.530.22.620.205.80453上煤1.72.011.380.280.3025粉砂巖4.021.52.600.193.1235泥巖4.054.622.460.2408930中砂巖15.527.12.650.285.4234粉砂巖7.785.942.600.193.12356.3數(shù)值模擬方案建立結(jié)構(gòu)模型時(shí)應(yīng)該遵循的原則：巖體結(jié)構(gòu)模型應(yīng)盡可能的細(xì)致具體，能盡量的模擬現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，從而進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)值計(jì)算和分析，但是建立模型所需要的參數(shù)必須是可以獲取的；另一個(gè)方面是，巖體的結(jié)構(gòu)模型應(yīng)盡量的簡(jiǎn)化抽象，使模型簡(jiǎn)單、易于計(jì)算，結(jié)構(gòu)特征更加突出，但這種簡(jiǎn)化應(yīng)以不喪失巖體的結(jié)構(gòu)特征，對(duì)所需要的模擬的參數(shù)沒有影響，不忽略相關(guān)的主要因素和對(duì)最終的計(jì)算結(jié)果的誤差影響最小為前提。如果模型過(guò)于簡(jiǎn)單，則難以準(zhǔn)確的反映實(shí)際中的巖體力學(xué)參數(shù)和變形特征；如果模型的建立過(guò)于精確和復(fù)雜，則使參數(shù)的獲取比較困難，雖然能很好的反映巖體的力學(xué)行為，但是參數(shù)的過(guò)多會(huì)致使計(jì)算的誤差增大，使得到的結(jié)果對(duì)我們分析問(wèn)題毫無(wú)用處。所以，建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ褪俏覀兡M計(jì)算的基礎(chǔ)。根據(jù)濟(jì)三煤礦183上04工作面的地質(zhì)條件和地層綜合柱狀圖，建立相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算模型，計(jì)算分析3上煤層開采后巷旁充填支護(hù)墻的受力與變形情況，為正確選擇巷旁支護(hù)形式及充填支護(hù)墻的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，根據(jù)研究工作的需要，采用以下方案進(jìn)行模擬：以3上煤層工作面為基礎(chǔ)，模擬巷旁支護(hù)的受力和變形，模型的主要參數(shù)為：煤層普氏系數(shù)為1.5，留巷墻厚1.5m，埋深平均730m，巷旁充填墻抗壓強(qiáng)度分別為10MPa、15MPa、20MPa、25MPa四種模擬方案，在模型上邊界加載荷17.5MPa。7濟(jì)三煤礦沿空留巷實(shí)施方案7.1 183上04工作面基本概況183上04工作面煤層為煤3上，地面標(biāo)高為+32.8+33.1m，平均為+32.9m；工作面標(biāo)高為-709.5-742.8m，平均為-725.3m。工作面煤層厚度2.02.96m，平均為2.43m；煤層傾角為06，平均2。老頂為粉細(xì)砂巖互層，平均厚度為7.23m，直接頂為粉砂巖，平均厚度為4.1m；老底為粉細(xì)砂巖，平均厚度為5.92m，直接底為泥巖，平均厚度為1.37m。3上煤層黑色，塊狀，玻璃光澤，成分以亮煤鏡煤為主，含有少量的絲碳。工作面切眼西北部進(jìn)入煤層沖刷區(qū)，煤層厚度變薄，工作面大部分煤層厚度在1m以上， 3上煤層頂部局部含數(shù)層夾矸，夾矸平均厚度約為0.05 m，巖性為灰黑色的炭質(zhì)粉砂巖。3上煤層與3下煤層間距為28.36m41.05m，平均35.68m。有爆炸危險(xiǎn)性，爆炸指數(shù)41.68%，發(fā)火期36個(gè)月。183上04工作面為十八采區(qū)首采工作面，工作面兩順槽均為矩形斷面，膠順凈寬凈高=4.5m3.0m，凈面積13.5m2；輔順凈寬凈高=5.3m3.0m，凈面積15.9m2。兩順槽均采用錨網(wǎng)索支護(hù)，膠順頂板錨桿=22mm，L=2200mm，兩幫錨桿=20mm，L=1800mm，錨桿間排距均為800mm，錨索=18mm，L=6200mm，間排距為15002400mm；輔順頂板錨桿=22mm，L=2200mm，兩幫錨桿=20mm，L=2200mm，錨桿間排距均為800mm。錨索=18mm，L=6200mm，間排距為13002400mm。183上04工作面采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法管理頂板。割煤步距為800mm，工藝流程為：割煤移架推刮板輸送機(jī)，液壓支架型號(hào)ZY6400/15/35，采煤機(jī)型號(hào)MG400/920-AWD。7.2濟(jì)三礦沿空留巷理論分析7.2.1沿空留巷受力及巷旁支護(hù)計(jì)算在研究巷道“支護(hù)圍巖”相互作用關(guān)系時(shí)，考慮到巷幫煤體對(duì)維護(hù)巷道的作用以及沿空留巷側(cè)采空區(qū)頂板活動(dòng)的影響，結(jié)合濟(jì)三煤礦實(shí)際情況提出如圖7.1所示的沿空留巷結(jié)構(gòu)模型。（1）巷道頂板以煤體彈塑性交界處為旋轉(zhuǎn)軸向采空區(qū)側(cè)旋轉(zhuǎn)傾斜，旋轉(zhuǎn)軸在垂直方向上以巖層垮落角向上延伸。（2）基本頂之上的軟弱巖層其重量均勻地加到基本頂之上，基本頂?shù)淖畲笃茢嚅L(zhǎng)度為工作面周期來(lái)壓步距長(zhǎng)度。（3）由于臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)與充填體的共同作用，第 1 層直接頂可以緊靠充填體采空區(qū)側(cè)切頂，其余各層以巖層垮落角向采空區(qū)側(cè)延伸。（4）由于巷內(nèi)支架的支護(hù)阻力遠(yuǎn)小于巷旁支護(hù)阻力，因此巷內(nèi)的支護(hù)阻力可忽略不計(jì)。（5）在頂板的后期活動(dòng)階段，巷旁充填體所需提供的支護(hù)阻力主要是為了平衡維護(hù)空間（包括充填體、巷道及塑性帶）所對(duì)應(yīng)的直接頂及斷裂的基本頂?；卷敂嗔押笮尾怀山Y(jié)構(gòu)時(shí)，為最不利情況，此時(shí)所需的支護(hù)阻力最大。 圖7.1 沿空留巷力學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖（a）（b）（c）圖7.2 沿空留巷巷旁支護(hù)阻力計(jì)算模型（第一層）圖 7.2所示為考慮巷幫煤體作用的頂板載荷條帶分割法模型（為 4 邊支承，圖中LI、LII分別為工作面長(zhǎng)度和頂板來(lái)壓步距）。在圖7-2（a）中取一單位寬度的板條，研究采空區(qū)頂板在過(guò)渡期活動(dòng)階段的沿空留巷巷旁支護(hù)阻力，所取的板條見圖7-2（b），力學(xué)模型求解見圖7-2（c）。設(shè)頂板均布載荷為q，按條帶分割后，分割到 ADEF 板條上載荷只在 AD 和 EF兩段上。由于沿空留巷巷道頂板發(fā)生的主動(dòng)垮落的機(jī)會(huì)多，而被動(dòng)垮落一般出現(xiàn)在工作面頂板，因此，本文僅分析主動(dòng)垮落情況下巷旁支護(hù)切頂阻力。在初始階段，巖層下沉變形很小，層面內(nèi)應(yīng)力引起的彎矩可忽略不計(jì)，因此，求解支護(hù)切頂阻力F時(shí)只考慮巖層自重載荷和采動(dòng)引起的應(yīng)力增高系數(shù)k的作用。用平衡法對(duì)圖7-2（c）中各段求解，從沿空留巷上方第1層頂板開始分析。對(duì)于第1層情況，解得巷旁支護(hù)阻力F1為 （7.1）式中，應(yīng)力增高系數(shù)； C點(diǎn)巖層破斷產(chǎn)生的向下剪力，KN，=； 巖層破斷尺寸，m； 巖層容重，kN/m3； 巖層厚度，m； 巖層抗彎彎矩，kNm； 巖層極限彎矩，kNm，在極限條件下，=； 巷道寬度，m； 煤體松動(dòng)區(qū)寬度，m； 松動(dòng)區(qū)中心至A點(diǎn)距離，其值為/2； 巷旁煤體對(duì)頂板的支承力，式中符號(hào)中的“1”表示第1層。第 2 層以上頂板支護(hù)切頂阻力計(jì)算不同于第 1 層，第 1 層的切頂阻力主要是人工支護(hù)提供的，而第 2 層以上的巖層所需的切頂阻力是人工支護(hù)和已垮巖層殘留邊界共同作用的結(jié)果。第 2 層垮落沿空留巷巷旁支護(hù)阻力計(jì)算模型如圖7.3所示，解得巷旁支護(hù)切頂阻力為式中，第層頂板巖層； 第層頂板巖層； 巖層破斷角，取=0，=0。圖7.3 沿空留巷巷旁支護(hù)阻力計(jì)算模型（第2層）同理，對(duì)于第m層情況，可以求得巷旁支護(hù)切頂阻力為 式中m為冒落帶巖層的極限層數(shù)，m 的計(jì)算方法為冒落帶巖層總厚度除以巖石分層垮落平均厚度。式(7.3)為頂板主動(dòng)垮落時(shí)，沿空留巷巷旁支護(hù)切頂阻力計(jì)算式。式(7.3)中等號(hào)右邊中括號(hào)內(nèi)第1項(xiàng)是殘留邊界自重引起的彎矩，第2項(xiàng)是切頂線處受垮斷巖層的剪力作用所產(chǎn)生的總彎矩，第3項(xiàng)是第m 層巖層的極限彎矩，第4項(xiàng)是 1m 層巖層在點(diǎn) A的總抗彎彎矩，第5項(xiàng)是巷幫煤體對(duì)頂板巖層的支承力所產(chǎn)生的總彎矩。由此可知，前3項(xiàng)所產(chǎn)生的圍巖載荷要由支護(hù)阻力來(lái)平衡，而后2項(xiàng)是幫助巷旁支護(hù)承擔(dān)部分載荷，形成“支護(hù)煤體頂板”的共同承載體系。在一定的地層條件下，當(dāng)巷道維護(hù)寬度及煤體松動(dòng)范圍一定時(shí)，式(7.3)等號(hào)右邊第1項(xiàng)為恒定，而第 2 項(xiàng)的大小主要受到垮落巖層對(duì)邊界的影響，如果巖層切斷后立即垮落，并失去與殘留邊界的力學(xué)聯(lián)系，則這些與殘留邊界失去力學(xué)聯(lián)系的巖層對(duì)邊界不產(chǎn)生彎矩，則式(7.3)等號(hào)右邊第2項(xiàng)的值將減小，減小后第2項(xiàng)值按下面方法計(jì)算。設(shè)n為垮落后與殘留邊界失去力學(xué)聯(lián)系的巖層數(shù)，則式(7.3)中等號(hào)右邊第2 項(xiàng)大小為：巷幫煤體對(duì)頂板巖層的支承力所產(chǎn)生的總彎矩，其計(jì)算較為復(fù)雜，從簡(jiǎn)化計(jì)算和安全角度考慮，可假設(shè)松動(dòng)區(qū)內(nèi)煤體已均布載荷的形式作用于頂板巖層，均布載荷的大小可選用煤體的殘余抗壓強(qiáng)度，則：。綜合以上分析，沿空留巷的巷旁支護(hù)阻力 Fm 可以為 （7.4） 式中，在不同支承條件下具有不同的數(shù)值，一端支承時(shí)，=，兩端支承時(shí)，=。充填墻體取懸臂式頂板垮落形成的一端支承，要求支護(hù)阻力最大。式（7.4）的計(jì)算較為繁雜，完全可以進(jìn)行簡(jiǎn)化，如果不考慮煤幫的支撐作用及垮落巖層破斷角的影響，求得的巷旁支護(hù)阻力要高于用式（7.4）計(jì)算得到的值，因此，可以得到簡(jiǎn)化的計(jì)算沿空留巷巷旁支護(hù)阻力的圍巖結(jié)構(gòu)模型如圖7.4所示。圖7.4 沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)模型根據(jù)圖7.1的模型，可以得到巷旁支護(hù)需要的支護(hù)阻力為 （7.5）式中，應(yīng)力集中系數(shù)，取值2；直接頂厚度，m，按平均采高2.4m，巖石碎脹系數(shù)0.25計(jì)算，=9.6m； 直接頂巖層密度，kN/m3，取25kN/m3；老頂影響厚度，m，取40m； 老頂巖層密度，kN/m3，取25kN/m3；周期來(lái)壓步距，m，取18m；巷旁充填體寬度，m，取1.5；巷道寬度，m，取3.8m；煤體內(nèi)極限平衡區(qū)寬度，m。 （7.6）式中，M開采厚度，m，取2.4m；C煤的粘結(jié)力，MPa，取1.5MPa；f煤層內(nèi)摩擦系數(shù)，f=tg；摩擦角，0，取300；K應(yīng)力集中系數(shù)，通常K=26取4； 煤的埋深，m，取730m；煤層的密度，kN/m3，13.5kN/m3。把參數(shù)代入公式（7.5）及公式（7.6），得到=5.91mP=11690kN/m也就是說(shuō)，充填墻的支護(hù)載荷必須達(dá)到每米墻11690kN以上。每平方米充填墻須承擔(dān)的壓力為11690/1.5=7793kN/m2=7.793MPa。如果考慮初次來(lái)壓，根據(jù)濟(jì)三礦3上煤層初次來(lái)壓步距40m計(jì)算，則可以類似計(jì)算得到支護(hù)強(qiáng)度為15.2MPa根據(jù)計(jì)算，結(jié)合濟(jì)二礦經(jīng)驗(yàn)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)建議取C30。7.2.2巷旁支護(hù)墻體尺寸確定（1）墻體高度由于采用寬巷掘進(jìn)，預(yù)掘留巷位置，預(yù)支留巷頂板，因此，墻體高度取決于掘進(jìn)時(shí)巷道的高度。根據(jù)工作面支護(hù)設(shè)計(jì)，183上04工作面用于留巷的輔順高度3m，所以留巷墻體高度也應(yīng)為3m。（2）巷旁混凝土墻體寬度充填墻的墻體除了具有一定的強(qiáng)度外，還必須具備一定的寬度，使之能承受較大的壓力和具有較高的穩(wěn)定性。形狀效應(yīng)表明：強(qiáng)度隨寬高比的增加而增加，并且墻體越寬出現(xiàn)的水平應(yīng)力越高。墻體的寬高比是影響墻體強(qiáng)度和穩(wěn)定性的重要因素。當(dāng)墻體寬高比比較小時(shí)，墻體與頂?shù)装逑嗷プ饔枚a(chǎn)生的端面約束影響范圍較大，相當(dāng)于在墻體上施加了側(cè)向約束力，從而提高了墻體強(qiáng)度。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究的結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，墻體強(qiáng)度是隨墻體寬高比的增大而增大的。寬高比對(duì)墻體的影響可以通過(guò)下式進(jìn)行修正，該公式是Bieniawski于1981年提出的：式中 墻體實(shí)際強(qiáng)度，MPa；墻體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；W墻體的寬度，m；h墻體的高度，m。n常量，當(dāng)時(shí)，n=1.4；當(dāng)時(shí)，n=1.0。如果墻寬取1.5m，則采用C30時(shí)，有：=MPa如果采用C20，則有：=MPa根據(jù)計(jì)算，在墻體寬度取1.5m時(shí)，混凝土C20、C30，沿空留巷支護(hù)強(qiáng)度均能滿足要求，墻寬小于1.5m，則安全系數(shù)差。另外，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通常要求墻的寬高比不低于0.5，即充填墻高度3.0m，則墻寬最好大于1.5m，施工時(shí)取1.5m。根據(jù)濟(jì)二煤礦的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，混凝土墻體寬度取高度的0.5倍是可以保證墻體和巷道穩(wěn)定的。7.3沿空留巷泵送混凝土研制7.3.1配合比理論設(shè)計(jì)為了滿足遠(yuǎn)距離輸送要求，采用煤礦用混凝土輸送泵進(jìn)行管道輸送，為了達(dá)到管送目的，必須保證具有非常良好的流動(dòng)性能，使混凝土能順利流過(guò)輸送管道，混凝土不離析、不阻塞，并具有粘滯性能和混凝土與管壁間摩擦阻力小等特點(diǎn)。這需要通過(guò)添加各種外加劑來(lái)保證混凝土的這些性能?；炷翉?qiáng)度等級(jí)確定為C30，要求強(qiáng)度保證率為95%，坍落度1218cm。原材料要求：a 水泥，425普通硅酸鹽水泥，密度=3.1g/cm3；b 中河砂，密度=2.65g/cm3，堆度密度=1.5g/cm3；c 碎石，=20mm，密度=2.7g/cm3，堆度密度=1.55g/cm3；d 外加劑；e 水，自來(lái)水。根據(jù)國(guó)標(biāo)普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程JGJ-2000，混凝土試配強(qiáng)度可用下式： （7.7）式中，混凝土配制強(qiáng)度（MPa）； 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，30MPa常規(guī)混凝土標(biāo)準(zhǔn)差，查混凝土結(jié)構(gòu)施工手冊(cè)（以下簡(jiǎn)稱施工手冊(cè)）得=3.5MPa。上述參數(shù)代入式（7.7），得試配強(qiáng)度=36MPa?；炷了冶雀鶕?jù)普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程JGJ-2000（以下簡(jiǎn)稱設(shè)計(jì)規(guī)程）中的公式計(jì)算： （7.8）式中，、回歸系數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)程分別取0.48，0.33。 水泥28天抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值(MPa)。如無(wú)實(shí)測(cè)值按下式計(jì)算：=，為富裕系數(shù)，取1.15，為水泥強(qiáng)度等級(jí)值，425號(hào)水泥為42.5MPa。則，0.536，取0.54?；炷帘盟褪┕ぜ夹g(shù)規(guī)程（以下簡(jiǎn)稱泵送規(guī)程）要求泵送混凝土水灰比宜為0.40.6，符合要求。單位用水量按下式估算： （7.9）式中，1m3混凝土用水量，kg；T混凝土拌合物的坍落度，cm，根據(jù)泵送規(guī)程，小于30m的輸送高度，坍落度不能小于1014cm，取15cm計(jì)算。K系數(shù)，取決于粗集料種類與最大粒徑。查施工手冊(cè)，最大粒徑20mm的碎石K=53，則： =227kg/m3水泥用量C=227/0.54=423kg/m3。泵送規(guī)程要求每m3泵送混凝土水泥用量應(yīng)大于300kg，符合規(guī)定。泵送規(guī)程要求泵送混凝土砂率宜為38%40%，取38%。粗集料（碎石）及細(xì)集料（砂）的計(jì)算采用體積法： （7.10）式中，基體混凝土含氣量百分?jǐn)?shù)，取2%；代入?yún)?shù)解方程式（7.10）得到：=1074.9kg=578.8kg則混凝土配合比為：=423：227：578.8：1074.9=1：0.54：1.37：2.54表7.1 混凝土配合比(1m3混凝土) 單位：（Kg）水泥水砂（中）碎石(Dmax=10mm）外加劑423227578.81074.91618外加劑用量要保證坍落和可泵送性要求，同時(shí)需要有早強(qiáng)性能。暫按水泥用量的4%（實(shí)際添加量按產(chǎn)品說(shuō)明書要求），則單位混凝土中外加劑重量為1618Kg。為注意外加劑的添加一定要控制好計(jì)量，不能隨意增減，否則會(huì)嚴(yán)重影響充填墻的強(qiáng)度。外加劑主要是泵送劑（或緩凝型泵送劑）及速凝劑。泵送劑（或緩凝型泵送劑）添加量為水泥重量的2%（實(shí)際添加量應(yīng)根據(jù)泵送劑類型確定）。速凝劑添加量為水泥重量的23%（實(shí)際添加量應(yīng)根據(jù)速凝劑類型確定）。國(guó)內(nèi)從50年代開始在混凝土中應(yīng)用粉煤灰，粉煤灰不僅經(jīng)濟(jì)，而且有諸多優(yōu)點(diǎn)，尤其是高效減水劑的運(yùn)用，使得粉煤灰的運(yùn)用更為普通。對(duì)于流態(tài)混凝土，粉煤灰的加入，并不會(huì)降低混凝土的物理力學(xué)性能。根據(jù)濟(jì)二煤礦的經(jīng)驗(yàn)，粉煤灰的添加量不超過(guò)水泥重量的20%。7.3.2配合比實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)（1）混凝土拌合物稠度（坍落度）試驗(yàn)通過(guò)該試驗(yàn)測(cè)定不同材料及配合比混凝土的粘稠度，從而了解混凝土的流動(dòng)性，即可泵性。試驗(yàn)方法坍落度儀測(cè)試。試驗(yàn)儀器坍落度儀，坍落度儀主要包括坍落筒和搗棒等。試驗(yàn)結(jié)果混凝土拌合物坍落度和坍落擴(kuò)展值以毫米（mm）為單位，測(cè)量精確至1mm（2）混凝土凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)測(cè)定不同材料及配合比混凝土的凝結(jié)時(shí)間，以控制現(xiàn)場(chǎng)施工流程。試驗(yàn)方法阻力儀法。試驗(yàn)儀器主要包括貫力阻力儀、測(cè)針、試模、搗棒、標(biāo)準(zhǔn)篩等。試驗(yàn)結(jié)果單位面積貫入阻力按正式計(jì)算：式中 單位面積貫入阻力（MPa）； 測(cè)針貫入深度25mm時(shí)的貫入壓力（N）； 貫入測(cè)針截面積（mm2）。計(jì)算精確至0.1MPa。以單位面積貫入阻力為縱坐標(biāo)，測(cè)試時(shí)間為橫坐標(biāo)，繪制單位面積貫入面積貫入阻力與測(cè)試時(shí)間關(guān)系曲線。經(jīng)3.5MPa及28MPa畫兩條平行于橫坐標(biāo)的直線，則直線與曲線相交點(diǎn)的橫坐標(biāo)即為初凝及終凝時(shí)間。見圖7.5所示。圖7.5 時(shí)間貫入阻力曲線凝結(jié)時(shí)間取三個(gè)試件的平均值。三個(gè)測(cè)值中的最大值或最小值，如果有一個(gè)與中間值之差超過(guò)中間值的10%，則以中間值為試驗(yàn)結(jié)果；如果最大值和最小值與中間值之差均超過(guò)中間值的10%，則此試驗(yàn)無(wú)效。凝結(jié)時(shí)間用h(min)表示，并精確至5min。（3）混凝土配合比分析試驗(yàn)測(cè)定不同材料及配合比混凝土中水泥、水、砂、石四組份的含量。試驗(yàn)方法水洗分析法試驗(yàn)儀器2000ml的有蓋廣口瓶、臺(tái)秤、電子秤、試樣筒及標(biāo)準(zhǔn)篩等。試驗(yàn)結(jié)果混凝土拌合物中水泥、水、石、砂的單位用量，分別按下式計(jì)算：式中 、分別為水泥、水、石、砂的單位用量（kg/m3）； 、分別為試樣中水泥、水、石、砂的質(zhì)量（kg）； 試樣體積（cm3）。 計(jì)算精確至1Kg/m3（4）混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)定不同材料及配合比混凝土在不同時(shí)期的抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)方法壓力試驗(yàn)法試驗(yàn)儀器萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度按正式計(jì)算：式中，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度（MPa）；極限荷載（N）； 受壓面積（mm2）。以3個(gè)試件測(cè)值的算術(shù)平均值為測(cè)定值，計(jì)算精確至0.1MPa。三個(gè)測(cè)值中最大值或最小值中如果有一個(gè)與中間值之值超過(guò)15%，則取中間值為測(cè)定值，如果最大值和最小值與中間值之差均超過(guò)中間值的15%，則此試驗(yàn)無(wú)效。（5）試驗(yàn)研究方案實(shí)驗(yàn)內(nèi)容a.坍落度b.初凝時(shí)間、終凝時(shí)間c.抗壓強(qiáng)度配合比及拌合方案a.不加粉煤灰1配合比:水泥：水：砂：石=1：0.54：1.37：2.54外加劑：緩凝型泵送劑及速凝劑。外加劑的添加及拌合方法：緩凝型泵送劑與混凝土同時(shí)拌合，拌合好后1小時(shí)再加速凝劑。外加劑的添加比例：根據(jù)緩凝型泵送劑產(chǎn)品說(shuō)明書提供的添加比例范圍按高中低三個(gè)比例添加，比如產(chǎn)品說(shuō)明書要求添加范圍為水泥重量的0.5%1%，則添加時(shí)按0.5%、0.7%、1%；速凝劑添加按水泥重量的1%、2%、3%三個(gè)比例。兩種外加劑添加時(shí)可以相互組合，這樣該種配合比最多九個(gè)方案。b. 不加粉煤灰2配合比：同a外加劑：早強(qiáng)泵送劑外加劑的添加及拌合方法：早強(qiáng)泵送劑與混凝土同時(shí)拌合外加劑的添加比例：同a的緩凝型泵送劑c. 不加粉煤灰3配合比:同a外加劑：緩凝型泵泵送劑，早強(qiáng)劑外加劑的添加及拌合方法：緩凝型泵送劑與混凝土同時(shí)拌合，拌合好后1小時(shí)再加早強(qiáng)劑外加劑的添加比例同ad. 加粉煤灰粉煤灰的添加采用等量取代水泥法，用水泥量20%30%的粉煤灰取代水泥，其它組份重量不變。其它的按a、b、c相同的方案進(jìn)行試驗(yàn)。7.4混凝土管道輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）輸送方式綜采工作面自動(dòng)化程度高，推進(jìn)度快，而工作面順槽留巷墻體充填工藝比較復(fù)雜，環(huán)節(jié)多，所需材料多，輔助運(yùn)輸量大，如果工藝安排、充填方式或材料供給任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)生產(chǎn)都將造成較大影響。由于墻體充填位置空間狹小，而混凝土攪拌加之上料及充填等工藝需要空間寬闊，因此把混凝土攪拌和充填的地點(diǎn)分開是避免相互干擾最佳選擇。但由此帶來(lái)混凝土遠(yuǎn)距離輸送問(wèn)題，參考地面高層建筑的混凝土輸送，井下混凝土采用高壓力輸送泵進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送，泵站和攪拌機(jī)布置在一起，隨拌隨送。（2）設(shè)備選型泵站設(shè)備包括混凝土輸送泵（充填泵）、攪拌機(jī)、上料設(shè)備等，這些設(shè)備可供選擇的廠家比較多?；炷凛斔捅贸涮钤O(shè)備中最關(guān)鍵的是用于輸送混凝土的煤礦用混凝土充填泵，根據(jù)分析比較，選擇壓力大、輸送距離長(zhǎng)、性價(jià)比高的HBMG30/21-110S礦用混凝土充填泵，主機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖7.6所示。1-輸送管總線，2-料斗總成，3-閥總成，4-上攪拌機(jī)構(gòu)，5-潤(rùn)滑系統(tǒng)，6-泵送機(jī)構(gòu)，7-油配管總成，8-工作機(jī)構(gòu)，9-液壓油箱，10-動(dòng)力底架總成，11-動(dòng)力部分，12-電氣系統(tǒng)圖7.6 煤礦用混凝土泵砼輸送泵的主要性能參數(shù)指標(biāo)如表7.2所示。表7.2 主要性能指標(biāo)項(xiàng)目單位參數(shù)理論輸送量m3/h30實(shí)際輸送量m3/h25泵最大壓力MPa21電機(jī)功率kW110坍落度mm80-230外形尺寸mm447212151620輸送管徑mm125最大骨料粒徑mm40總重kg5700攪拌設(shè)備為了方便充填料的存儲(chǔ)、運(yùn)輸，簡(jiǎn)化設(shè)備布置，優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，混凝土生產(chǎn)采用二次攪拌，一次對(duì)干料進(jìn)行拌合，把砂、石、水泥、外加劑用普通攪拌機(jī)進(jìn)行干拌，一次在砼泵站加水拌合。干料拌合在五采砂倉(cāng)下的自動(dòng)配料及集中攪拌站，使用膠輪車運(yùn)送到輸送泵站儲(chǔ)料場(chǎng)。干料拌合使用普通攪拌機(jī)。濕料拌合使用輸送泵自帶的攪拌機(jī)。（3）上料設(shè)備干料攪拌利用五采砂倉(cāng)下的自動(dòng)配