建筑物下壓煤充填開采固體充填材料優化與應用

張書國

(冀中能源股份有限公司邢臺煤礦，河北邢臺054026)

目前我國煤礦生產礦井的“三下”壓煤達13.79Gt，其中建下壓煤9.468Gt，占總壓煤量的69%，尤其是河北、河南、安徽、山東等東部產煤地區，建下壓煤量占礦井儲量的10% ～30%［1］。隨著礦井開采時間的延長，建下壓煤問題更加突出，已成為制約礦井發展的關鍵因素。有效開采建下壓煤，保護礦區生態環境已迫在眉睫。

冀中能源股份有限公司與中國礦業大學合作，開展建下充填開采研究，成功地解決了這一難題。邢臺礦從2008年開始，利用固體充填技術，在工業廣場煤柱內，已開采了3個工作面，并有意識地在首個充填工作面中部開掘一條巷道，揭露矸石和粉煤灰充填區域，并對充填體的強度和支撐高度進行驗證，同時，對充填體上覆巖層完整性進行分析，成功地實現充填采空區內錨網支護。

1 矸石和粉煤灰的物理化學特性

1.1 矸石的礦物成分測試

在某科研單位采用先進的X射線衍射儀對邢臺礦煤矸石進行測試，并按相應的標準進行對照分析。其組成成分如表1及圖1所示。

表1 洗選矸石的組成成分

1.2 化學成分測試

矸石和粉煤灰的礦物組成直接影響煤矸石的工程性質。矸石樣品的化學成分與化學元素分別見表2，表3。

圖1 矸石試樣X－射線衍射圖譜

表2 洗選矸石的化學成分

表3 洗選矸石的化學元素

由表2、表3可知，洗選矸石試樣的物質組成中，SiO2的含量最高，是矸石充填開采時骨架的主要成分，可使充填后的矸石強度增高;此外，由于矸石中含有碳、鋁和CaO等物質，易使矸石發生水解和風化等現象。

1.3 粉煤灰的化學成分測試

同樣采用D/Max－3B型X射線衍射儀作為測試儀器，對粉煤灰試樣進行定量分析，見圖2。

粉煤灰化學成分與化學元素分別見表4，表5。

由表4，表5可知，粉煤灰試樣的物質組成中，SiO2的含量較高，是煤矸石充填開采時骨架的主要成分，作用為填充矸石縫隙，使其混合物更密實;粉煤灰存在活性，能膠結矸石提高強度。

圖2 粉煤灰試樣的X－射線衍射圖譜

表4 粉煤灰化學成分

表5 粉煤灰化學元素

1.4 矸石、粉煤灰混合作用

孔隙比是煤矸石的一個重要力學參數，研究認為充填體的孔隙比是影響充填體強度和可變形能力的最重要的參數。總體來說，孔隙比越低，充填體的相對密度就越高，當頂板來壓時，充填體所能承受的可變性能力就越強。當充填體受到剪切力時，密度大的充填體隨著剪切力的增大會表現出一定的表面黏結力;密度較小的充填體則表現出很大的塑性變形，最終體積縮小，當剪切力超過充填體本身所能承受的最大剪切力時，充填體內部的矸石顆粒結構就會重置。

粉煤灰在壓力增加的情況下，其相對密度不斷增大。研究表明，粉煤灰的相對密度隨壓實力增大而趨于穩定，這一壓力值對粉煤灰在工程中應用起到重要作用。還有一些學者對粉煤灰的抗剪強度進行了研究分析，抗剪強度是粉煤灰抵抗剪切破壞的極限能力，其受顆粒粗細、結構密度、含水量及受力條件等因素的影響。研究認為，粉煤灰受壓力作用下，其孔隙水隨之迅速排出，所有的法向應力和剪應力均為固體顆粒所承擔，此時的抗剪強度則決定了法向應力和內摩擦角的變化。

綜上所述，粉煤灰為填充矸石縫隙，使其混合物更密實;使矸石孔隙比更密實，兩者混合，為支撐采空區頂板的強度起到了至關重要的作用。

2 矸石與粉煤灰的力學特性

對矸石與粉煤灰不同配比條件下壓實特性進行測試，矸石和粉煤灰的配比方案見表6。分析2種骨料 (矸石、粉煤灰)在不同的配比下試樣壓實度與壓實力的關系曲線如圖3所示。

表6 矸石、粉煤灰配比方案

圖3 試樣壓實度與壓實力關系

由圖3可知，充填材料的壓實度k隨著壓實力σ的增大而減小，特別在初始階段，由于材料的松散程度較大，因此產生的壓縮量較大，表現為壓實度k變化較快。當矸石與粉煤灰配比為1∶0.6時，壓實度與壓實力的比值產生的矸石與粉煤灰混合密度達到最大值。

通過以上試驗，矸石和粉煤灰以1∶0.6的比例配比后，經搗實機構夯實 (24MPa)，壓實度為0.75，密度為1.65t/m3，此時的矸石與粉煤灰強度能夠有效地控制采場上覆頂板的壓力，達到控制地表塌陷的目的。

3 充填材料在現場的實際效果

通過科學合理的配比與分析充填介質及投入使用情況，成功地實現了3個充填工作面的回采，通過變形監測，其影響范圍內的地表建筑物變形控制在Ⅰ級內，不影響正常使用。

其中，在揭露首個充填工作面的充填區域中，對充填材料的壓實強度和支撐效果進行檢測。首先對充填體區域頂板采用窺視鏡觀測頂板的深度破壞情況，通過觀測發現，頂板僅出現垂直方向淺部的裂隙發育，未產生深度破壞，上覆巖層未產生像傳統垮落法那樣的“三帶”破壞，頂板較完整，充填體具有良好的穩定性，揭露后未發生松動片幫現象，對頂板起到了良好的支撐作用。

3.1 揭露充填區上覆巖層移動分析

在揭露的充填區域頂板布置測點，比較采動前后頂板標高，確定頂板下沉量，分析充填體對充填空間的頂板支撐效果。

原充填區域頂板標高為－240m，重新揭露后，頂板標高為－240.2m，直觀地表明該點區域的頂板下沉量為200mm。通過對工作面測點標高與原回采過程中頂板標高比較，工作面平均下沉量為280mm。

3.2 施工鉆孔，觀測頂板下沉和深度破壞情況

在揭露充填采空區后，利用巖層鉆孔探測儀對充填區域上覆巖層進行直接觀測頂板的變形及深度破壞情況。在充填區域鉆觀測孔3個，鉆孔深度10m，孔徑30mm。通過探視儀觀測，揭露的充填采場上覆巖層1.3～2m有輕微破碎，2～3m有交錯輕微裂隙，3～10m頂板完好。這一直觀的數據表明，受充填體支撐作用，偽頂有破碎現象，直接頂存在輕微的裂隙，但向上的基本頂完好。這一結論有效地證明了科學合理配比的充填介質對上覆頂板起到了良好的支撐作用。

3.3 充填介質控制采空區的頂板巖層變形情況

充填工作面直接頂達到垮落步距發生斷裂現象時，由于矸石和粉煤灰充填體的支撐作用與破碎的直接頂接觸 (巖石碎脹性)。直接頂僅發生輕微裂隙和離層，基本頂在其上部覆巖的載荷作用下產生彎曲變形，但不會出現斷裂現象，變形特征如圖4，圖5所示。

圖4 采空區垮落

圖5 采空區充填物料

從圖4，圖5可以看出，傳統垮落法管理采空區的采煤方法，其采空區上覆頂板隨著工作面推進，采空區覆巖會產生破壞，由下至上形成“三帶”破壞，即垮落帶、斷裂帶、彎曲下沉帶。

和傳統垮落法采煤方法相比，由于充填采煤法以矸石與粉煤灰作為充填介質，對上覆頂板起到了有效的支撐作用，充填體上覆穩定巖層仍然為采場圍巖應力的主要承載體，完全滿足充填體內實施錨網支護的要求。

3.4 充填工作面礦壓顯現及上覆巖層活動規律

為科學有效地掌握以固體物料充填控制采空區的回采巷道及采場礦壓顯現規律，完善調整支護方式及充填料的配比，并為充填開采工藝的礦壓顯現規律提供數據，對充填綜采工作面進行礦壓監測。

第3個充填工作面的監測主要包括以下內容:支架支護阻力監測、采空區充填體應力監測、工作面頂板裂隙發育監測。

沿工作面傾斜方向共布置10臺在線監測分機，平均布置在支架上，監測液壓支架工作阻力隨工作面推進的變化規律。同時，沿工作面走向每推進65m，在工作面充填體內埋設一組充填體應力傳感器來監測上覆頂板的變化規律。

第3個充填工作面在2012.1.1－2012.7.16期間，進行165d的支架工作阻力實時監測。工作面共推進500m。典型數據周期性曲線如圖6所示。

圖6 2號分機 (機頭段)實測支架工作阻力分布

由圖6可知:充填體承擔了頂板的部分壓力，充填開采工作面支架壓力整體偏低，其平均工作阻力僅為2657～3252kN。但是，當推進度達到40m極限垮距時 (周期來壓)工作面支架壓力會出現整體明顯增高現象;分析認為頂板“三帶”的破壞中，采空區的上覆巖層沒有垮落現象產生，其頂板呈彎曲的懸臂梁結構，使礦壓應力會一直傳遞給充填體 (矸石、粉煤灰)和支架上，造成整個采場的壓力峰值整體升高。

3.5 地表下沉監測

3.5.1 地表移動變形觀測站設立

在矸石、粉煤灰充填工作面正上方沿工作面傾向方向設立鐵路觀測線。觀測線長1130m，布設控制點4個，觀測點39個，各工作點間距平均為25m。在采動影響區內的各主要建筑物四角點、中點和轉角處設計沉降觀測點，共布設90個建筑物沉降觀測點。

3.5.2 地面觀測成果分析

鐵路下沉曲線見圖7，隨著工作面的推進，在運輸巷推至距鐵路測線16m，運料巷推至距鐵路測線60m處時，鐵路觀測點下沉超過10mm，說明鐵路測線地表已經開始移動。隨著工作面繼續往前推進，鐵路也開始持續輕緩下沉，地表穩定后下沉量僅為95mm，最大下沉點位于工作面正上方中部的14號觀測點。

圖7 鐵路下沉量

工作面運輸巷推過鐵路10m時，下沉速度達到最大，最大值為1.4mm/d。《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》附錄四“地表移動與變形值的預計及參數求取方法”中指出，“在移動過程的延續時間內，地表下沉速度大于50mm/月 (1.7mm/d) (煤層傾角小于 45°)，或大于30mm/m(煤層傾角大于45°)的時間稱為活躍期”。工作面煤層傾角平均為6°，下沉速度小于50mm/月 (1.7mm/d)，說明沒有出現明顯的活躍期。

經計算，鐵路傾斜最大值為0.627mm/m;水平移動最大值為39mm;水平變形最大值為0.503mm/m;曲率變形最大值為0.011/km。

《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》第27條對于磚混結構建筑物損壞等級中Ⅰ級損壞等級地表變形值有如下規定:水平變形 ε≤2.0mm/m;曲率 K≤0.2/km;傾斜 i≤3.0mm/m。7606工作面開采期間的各種變形值均遠小于規定值，說明地面各類建筑物損壞等級控制在Ⅰ級范圍內。從地面建筑物的實際觀測情況來看，只有機修車間由于建筑物跨度大，墻壁上出現一條1mm寬的細微裂縫，其他建筑物完好無損，無需維修，完全可以安全使用。

4 結論

矸石及粉煤灰充填開采大幅減少了地表下沉;下沉速度趨緩，無明顯的活躍期;水平變形、曲率、傾斜3種變形值得到有效控制，地表建筑物可以安全使用。矸石及粉煤灰充填開采對于減少地表移動與變形的效果是顯著的。

根據現場實際測量不同觀測點的墻體裂縫，出現的裂縫寬度均小于2mm，建筑物的損壞程度均為極輕微損壞，不用處理可正常使用。

科學合理的配比充填材料在投入使用過程中具有良好的穩定性能，能有效地控制和改變采空區上覆巖層活動規律，確保地面建筑物完好使用。

［1］錢鳴高，許家林，繆協興.煤礦綠色開采技術 ［J］.中國礦業大學學報，2003，32(4):343－348.

［2］張吉雄.矸石直接充填綜采巖層移動控制及應用研究［D］.徐州:中國礦業大學，2008.

［3］趙昕楠，節茂科，張吉雄.采后充填固體充填材料力學特性測試研究 ［J］.煤礦開采，2010，15(5):18－20，72.

［4］繆協興，張吉雄.矸石充填采煤中的礦壓顯現規律分析 ［J］.采礦與安全工程學報，2007，2(4):379－382.

［5］郝寶生.建筑物下綜合機械化充填采煤技術［J］.煤礦開采，2010，15(3):39－41.

［6］劉建功，趙慶彪.煤礦充填法采煤［M］.北京:煤炭工業出版社，2011.

［7］孔憲京.微小應變下堆石料的變形特性［J］.巖土工程學報，2001，23(1):32－37.

［8］姜振泉，趙道輝，隋旺華，等.煤矸石固結壓密性與顆粒級配缺陷關系研究［J］.中國礦業大學學報，1999(3).

［9］岑傳鴻，竇林名.采場頂板控制及監測技術［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2005.

［10］錢鳴高，茅獻彪，繆協興.采場覆巖中關鍵層上載荷的變化規律 ［J］.煤炭學報，1998.

［11］國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程［M］.北京:煤炭工業出版社，2000.

［12］錢鳴高，繆協興，許家林，等.巖層控制的關鍵層理論［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2003.